Номер 654, страница 89 - гдз по физике 7 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Работа и мощность. Энергия. Простые механизмы. Коэффициент полезного действия механизма - номер 654, страница 89.

Условие.

654. Объясните, почему получается выигрыш в силе при использовании инструментов, изображённых на рисунке 112. Где используются эти инструменты на практике?

Рис. 112

Решение.

Решение

Все инструменты, изображённые на рисунке, являются простыми механизмами — рычагами. Выигрыш в силе при их использовании основан на правиле равновесия рычага (правиле моментов). Согласно этому правилу, рычаг находится в равновесии, когда моменты сил, вращающие его в противоположных направлениях, равны: $M_1 = M_2$.

Момент силы равен произведению модуля силы на её плечо ($M = F \cdot l$), поэтому условие равновесия можно записать как $F_1 \cdot l_1 = F_2 \cdot l_2$. Здесь $F_1$ — это усилие, прилагаемое человеком, $l_1$ — плечо этого усилия (длина рукоятки), $F_2$ — сила сопротивления (например, сила, необходимая для перерезания проволоки), а $l_2$ — плечо силы сопротивления (длина рабочей части инструмента).

Выигрыш в силе, который даёт инструмент, равен отношению силы сопротивления к приложенному усилию: $\frac{F_2}{F_1} = \frac{l_1}{l_2}$. Таким образом, выигрыш в силе достигается за счёт того, что плечо приложения силы $l_1$ (длинные рукоятки) значительно больше плеча силы сопротивления $l_2$ (короткая рабочая часть).

Ножницы по металлу (рисунок вверху слева)

Этот инструмент представляет собой два рычага, соединённых общей осью вращения (шарниром), которая служит точкой опоры. Усилие рук прикладывается к длинным рукояткам (плечо силы $l_1$), а сила резания действует на коротких лезвиях (плечо силы сопротивления $l_2$). Так как $l_1 > l_2$, создаётся значительный выигрыш в силе, позволяющий резать твёрдые материалы.

На практике такие ножницы используются для резки листового металла, жести, профиля для гипсокартона, толстого пластика.

Ответ: Выигрыш в силе достигается за счёт того, что длинные рукоятки (плечо усилия) во много раз длиннее короткой режущей части лезвий (плечо сопротивления). Инструмент применяется для резки листового металла и подобных материалов.

Ручные тиски (рисунок вверху справа)

Этот инструмент использует комбинацию двух простых механизмов: рычага и винта. Губки тисков являются рычагами с общей точкой опоры внизу. Винтовой механизм, приводимый в действие барашком, создаёт большое сжимающее усилие, которое прикладывается к губкам-рычагам. Барашек винта сам по себе также является рычагом, увеличивающим приложенную силу. Длинные плечи рычагов-губок по сравнению с коротким расстоянием, на котором зажимается деталь, обеспечивают дополнительный выигрыш в силе.

На практике ручные тиски используются для надёжной фиксации небольших деталей при их обработке (сверлении, опиливании, гравировке). Они популярны в ювелирном деле, моделизме и у часовщиков.

Ответ: Выигрыш в силе обеспечивается совместным действием рычажного и винтового механизмов, что позволяет создать очень большое усилие сжатия. Инструмент применяется для фиксации мелких деталей.

Клещи-гвоздодёр (рисунок внизу слева)

При вытаскивании гвоздя клещи работают как рычаг. Точкой опоры является закруглённая часть головки инструмента, которая упирается в поверхность материала (например, доски). Плечом усилия $l_1$ является длина рукояток. Плечом силы сопротивления $l_2$ является очень короткое расстояние от точки опоры на доске до гвоздя, зажатого губками. Поскольку $l_1 \gg l_2$, даже небольшое усилие, приложенное к рукояткам, создаёт огромную силу, способную вытащить плотно сидящий гвоздь.

На практике клещи-гвоздодёры применяются в строительстве, столярном и плотницком деле для извлечения гвоздей, скоб и другого крепежа.

Ответ: Выигрыш в силе обусловлен большой разницей между длиной рукояток (плечо усилия) и коротким расстоянием от точки опоры до вытаскиваемого гвоздя (плечо сопротивления). Инструмент используется для удаления гвоздей.

Кусачки (рисунок внизу справа)

Кусачки, как и ножницы, являются двойным рычагом с точкой опоры в шарнире. Усилие прикладывается к длинным рукояткам (плечо $l_1$), а режущие кромки (губки) расположены очень близко к оси (плечо $l_2$). Большое отношение длины рукояток к длине режущих кромок ($l_1 \gg l_2$) обеспечивает очень большой выигрыш в силе. Это позволяет концентрировать усилие на малой площади и перекусывать материалы высокой прочности.

На практике кусачки используются для перекусывания проволоки, проводов, небольших гвоздей, прутков арматуры. Они незаменимы в электромонтажных, строительных и слесарных работах.

Ответ: Выигрыш в силе достигается за счёт того, что длинные рукоятки (плечо усилия) значительно превосходят по длине короткие режущие губки (плечо сопротивления). Инструмент применяется для перекусывания проволоки и гвоздей.