Номер 1, страница 206 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Глава 4. Работа и мощность. Энергия. Итоги главы 4. Проекты и исследования - номер 1, страница 206.

Условие.

1. «Рычаги в быту и живой природе» (возможная форма: презентация, опыты, макеты, фотоальбом, викторина).

Решение.

Решение 2.

Рычаг — это простейший механизм, представляющий собой твердое тело (балку, стержень), которое может вращаться вокруг неподвижной точки опоры. Рычаги используются для получения выигрыша в силе или в расстоянии. Основными элементами рычага являются точка опоры, точка приложения усилия и точка приложения нагрузки (силы сопротивления). Принцип действия рычага описывается правилом равновесия, которое гласит: рычаг находится в равновесии, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил. Плечо силы — это кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы. Математически это выражается формулой моментов сил:

$M_1 = M_2$ или $F_1 \cdot d_1 = F_2 \cdot d_2$

где $F_1$ и $F_2$ — приложенные силы, а $d_1$ и $d_2$ — их плечи соответственно.

Рычаги в быту

В повседневной жизни мы постоянно используем различные устройства, работающие по принципу рычага. Их можно разделить на три основных типа (рода):

1. Рычаги первого рода: точка опоры находится между точками приложения силы и нагрузки. Такие рычаги могут давать выигрыш в силе или в расстоянии. Примеры:

• Ножницы: два рычага первого рода, соединенные винтом (точка опоры). Мы прикладываем усилие к кольцам, а разрезаемый материал оказывает сопротивление на лезвиях.
• Качели-балансир: классический пример рычага первого рода.
• Гвоздодер: точка опоры находится на поверхности, из которой вытаскивают гвоздь, сила прилагается к длинной ручке, а нагрузка — на коротком конце, захватывающем шляпку гвоздя. Это дает значительный выигрыш в силе.

2. Рычаги второго рода: нагрузка находится между точкой опоры и точкой приложения силы. Такие рычаги всегда дают выигрыш в силе. Примеры:

• Садовая тачка: ось колеса является точкой опоры, груз в кузове — это нагрузка, а усилие мы прикладываем к ручкам.
• Щипцы для орехов: шарнир — точка опоры, орех — нагрузка, а усилие прилагается к ручкам.
• Открывалка для бутылок: край крышки — точка опоры, центр крышки — нагрузка, а усилие прилагается к дальнему концу ручки.

3. Рычаги третьего рода: точка приложения силы находится между точкой опоры и нагрузкой. Эти рычаги дают проигрыш в силе, но выигрыш в расстоянии и скорости движения точки приложения нагрузки. Примеры:

• Пинцет: место соединения двух половинок — точка опоры, усилие прилагается пальцами посередине, а предмет захватывается на концах.
• Лопата: одна рука держит черенок сверху (точка опоры), другая рука прилагает силу в середине черенка, а грунт на лопате является нагрузкой.
• Удочка: конец удилища, упертый в рыболова, — точка опоры, леска тянется за счет усилия, приложенного рукой рыболова, а рыба на крючке — нагрузка.

Ответ: В быту рычаги встречаются повсеместно в виде инструментов (ножницы, гвоздодер, тачка, лопата) и частей механизмов. Они используются для увеличения прикладываемой силы (тачка, щипцы для орехов), для увеличения расстояния и скорости (удочка) или для изменения направления силы (качели).

Рычаги в живой природе

Живые организмы также активно используют принципы рычага в своей биомеханике. Скелет животных и человека представляет собой сложную систему рычагов, где кости выступают в роли стержней, суставы — в роли точек опоры, а сокращение мышц создает движущую силу.

Примеры рычагов в живой природе:

• Конечности человека и животных:
  • Рука (при сгибании в локте): Локтевой сустав является точкой опоры. Мышца бицепс, прикрепленная к лучевой кости, прикладывает силу. Нагрузкой является вес предплечья и кисти (а также любого предмета в руке). Это рычаг третьего рода, который проигрывает в силе, но позволяет предплечью двигаться с большой скоростью и на большое расстояние.
  • Стопа (при подъеме на цыпочки): Опорой служат головки плюсневых костей (основание пальцев). Икроножная мышца через ахиллово сухожилие тянет пяточную кость вверх (приложение силы), а нагрузкой является вес тела, передающийся через голеностопный сустав. Это рычаг второго рода, обеспечивающий выигрыш в силе для подъема всего тела.
• Челюсти: Челюстной сустав — точка опоры. Мощные жевательные мышцы прикладывают силу. Точка приложения нагрузки — это пища, находящаяся между зубами. В зависимости от того, какими зубами (резцами или коренными) откусывается или пережевывается пища, челюсть может работать как рычаг второго или третьего рода, развивая огромное давление на коренных зубах.
• Движение головы: Атланто-затылочный сустав (соединение черепа с первым шейным позвонком) служит точкой опоры. Мышцы на задней стороне шеи прикладывают силу, чтобы поднять или удержать голову, а вес головы, смещенный вперед, является нагрузкой. Это рычаг первого рода.
• Крылья птиц и насекомых: Это сложнейшие рычажные системы, позволяющие совершать быстрые и точные взмахи для создания подъемной силы и тяги в полете.

Ответ: В живой природе рычаги являются основой опорно-двигательного аппарата. Кости, суставы и мышцы образуют рычажные системы, которые позволяют животным и человеку двигаться: ходить, бегать, летать, плавать, а также выполнять различные действия, такие как жевание или удержание предметов. Эволюция оптимизировала эти системы для получения выигрыша либо в силе, либо в скорости и амплитуде движений в зависимости от жизненных потребностей вида.