Страница 190 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Укажите признаки, по которым ножницы (см. рис. 177) можно отнести к рычагам.

Ножницы можно отнести к рычагам, поскольку они обладают всеми характерными признаками этого простого механизма. Рычаг — это твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры. Ножницы представляют собой систему из двух соединённых рычагов, у которых точка опоры находится между точками приложения сил (рычаг первого рода). Основные признаки, подтверждающие это:

• Наличие точки опоры. У ножниц есть винт, соединяющий их две половины. Этот винт является осью вращения (точкой опоры), вокруг которой поворачиваются лезвия и ручки.
• Наличие точек приложения сил. На ножницы действуют как минимум две силы: мышечная сила человека, прикладываемая к кольцам (рукояткам), и сила сопротивления разрезаемого материала, действующая на лезвия.
• Наличие плеч сил. Плечо силы — это кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы. В ножницах есть плечо приложенной силы (от винта до рукояток) и плечо силы сопротивления (от винта до точки разреза на лезвиях).
• Преобразование силы. Ножницы используются для получения выигрыша в силе. Длина рукояток (плечо приложенной силы $l_1$) обычно больше, чем длина рабочей части лезвий (плечо силы сопротивления $l_2$). Согласно условию равновесия рычага, приложенная сила $F_1$ и сила сопротивления $F_2$ связаны соотношением $F_1 \cdot l_1 = F_2 \cdot l_2$. Так как $l_1 > l_2$, то для разрезания требуется приложить силу $F_1 < F_2$, что и даёт выигрыш в силе.

Ответ: Ножницы можно отнести к рычагам, так как у них есть все его основные признаки: точка опоры (винт, соединяющий лезвия), точки приложения сил (рукоятки, к которым прикладывается усилие, и лезвия, на которые действует сила сопротивления материала), а также они позволяют получить выигрыш в силе за счёт того, что плечо силы, прикладываемой к рукояткам, больше плеча силы сопротивления, действующей на лезвия.

2. Объясните, почему при использовании ножниц для резки листового металла и кусачек (см. рис. 177, б и 178) получают выигрыш в силе.

Ножницы для резки металла и кусачки представляют собой пример рычага первого рода. Точнее, это два соединенных вместе рычага, ось вращения которых (винт, скрепляющий половинки) является их общей точкой опоры.

Согласно правилу равновесия рычага, рычаг находится в равновесии, когда моменты сил, действующих на него, равны. Момент силы – это произведение модуля силы на ее плечо. Плечо силы – это кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы. Для ножниц и кусачек это правило можно записать в виде формулы: $F_1 \cdot l_1 = F_2 \cdot l_2$, где:
$F_1$ – сила, которую мы прикладываем к рукояткам;
$l_1$ – плечо этой силы (длина рукоятки от винта до точки приложения силы);
$F_2$ – сила, с которой лезвия действуют на разрезаемый материал (сила сопротивления);
$l_2$ – плечо силы сопротивления (расстояние от винта до разрезаемого материала).

Выигрыш в силе определяется как отношение силы сопротивления $F_2$ к приложенной силе $F_1$. Из формулы равновесия рычага можно выразить это отношение: $\frac{F_2}{F_1} = \frac{l_1}{l_2}$.

У ножниц для резки металла и у кусачек рукоятки ($l_1$) сделаны значительно длиннее, чем их режущая часть (лезвия, $l_2$). Следовательно, отношение длин плеч $\frac{l_1}{l_2}$ всегда больше единицы. Это означает, что сила $F_2$, действующая на металл, во столько же раз больше силы $F_1$, прикладываемой к рукояткам. Именно это соотношение длин плеч и обеспечивает выигрыш в силе, позволяя перерезать твердые материалы с относительно небольшим усилием.

Ответ: Выигрыш в силе при использовании ножниц для резки металла и кусачек достигается за счет того, что они являются рычагами, у которых плечо силы, прикладываемой к длинным рукояткам, значительно больше плеча силы сопротивления, действующей на коротких лезвиях.

3. Рычаги широко применяются в быту и являются основой многих инструментов и устройств. Вот некоторые примеры:

Инструменты: ножницы (канцелярские, портновские), плоскогубцы, кусачки, гвоздодер (как часть молотка), садовая тачка (колесо является точкой опоры), лом.

Кухонные принадлежности: штопор, консервный нож, орехокол, чеснокодавилка, открывалка для бутылок.

Другие предметы: качели-балансир на детской площадке, весы с коромыслом, дверная ручка и сама дверь (вращается на петлях, которые служат осью вращения), весла лодки.

Даже части человеческого тела, например, рука в локтевом суставе или стопа, работают по принципу рычагов.

Ответ: Рычаги в быту применяются в виде ножниц, кусачек, плоскогубцев, тачек, гвоздодеров, орехоколов, открывалок для бутылок, дверей, качелей и многих других инструментов и приспособлений.

3. Где в быту применяются рычаги?

Рычаги являются одним из простейших и наиболее широко используемых механизмов в повседневной жизни. Они позволяют изменять величину и направление прикладываемой силы, что дает выигрыш в силе или в расстоянии. Принцип рычага используется в огромном количестве бытовых предметов, инструментов и устройств, которые мы встречаем каждый день. Вот лишь некоторые примеры, сгруппированные по областям применения.

Инструменты

• Ножницы, кусачки, плоскогубцы: это система из двух рычагов, соединенных в точке опоры (шарнире). Прикладывая усилие к длинным ручкам, мы получаем значительно большее усилие на коротких режущих кромках.
• Лом и гвоздодер (часть молотка): используются для поднятия тяжестей или вытаскивания гвоздей. Небольшое усилие, приложенное к длинному концу рычага (плечу), создает большую силу на коротком конце.
• Тачка: колесо служит точкой опоры. Это позволяет легко перевозить тяжелые грузы, прикладывая усилие вверх к ручкам. В данном случае мы получаем выигрыш в силе.
• Лопата или метла: верхняя рука служит точкой опоры, а нижняя прикладывает усилие между точкой опоры и грузом (землей, мусором). Это рычаг, дающий выигрыш в расстоянии и скорости движения рабочего конца.

На кухне

• Открывалка для бутылок и консервный нож: позволяют приложить небольшое усилие, чтобы создать значительную силу для вскрытия прочных металлических крышек.
• Орехокол (щипцы для орехов) и чеснокодавилка: многократно увеличивают приложенную силу, позволяя легко раскалывать твердую скорлупу орехов или давить чеснок.
• Крышка от кастрюли: если поддеть ее ручкой ложки или ножа, уперев его в край кастрюли, то ручка инструмента будет работать как рычаг.

Прочие бытовые предметы и развлечения

• Дверь: дверное полотно, вращающееся на петлях (точка опоры), является рычагом. Мы прикладываем силу к ручке, которая находится далеко от петель, чтобы с меньшим усилием открыть тяжелую дверь.
• Пинцет: это рычаг, где усилие прикладывается между точкой опоры (соединенный конец) и точкой захвата предмета. Он дает выигрыш не в силе, а в точности движений.
• Качели-балансир: классический пример рычага с точкой опоры посередине, знакомый всем с детской площадки.
• Удочка: позволяет забрасывать наживку на большое расстояние и вываживать рыбу, работая как рычаг, дающий выигрыш в скорости и расстоянии.

Даже части человеческого тела, например, рука в локтевом суставе, челюсть при жевании или стопа при ходьбе, работают по принципу рычага.

Ответ: Рычаги в быту применяются повсеместно: в ручных инструментах (ножницы, лом, тачка, лопата), кухонных принадлежностях (открывалка для бутылок, орехокол, консервный нож), обычных предметах (двери, пинцеты, качели), а также их принцип используется в строении тела человека (руки, ноги, челюсть).

1. Подумайте, при соблюдении какого условия твёрдое тело может выполнить роль рычага.

Твёрдое тело может выполнить роль рычага при соблюдении одного ключевого условия: у тела должна быть неподвижная точка опоры (или ось вращения), вокруг которой оно может свободно вращаться.

Рассмотрим это подробнее. Рычаг — это один из простейших механизмов, который определяется как любое твёрдое тело, способное вращаться вокруг неподвижной точки опоры. Чтобы рычаг функционировал, к нему должны быть приложены как минимум две силы в разных точках. Обычно одна из этих сил — это прилагаемое усилие, а другая — преодолеваемая нагрузка (например, вес поднимаемого груза).

Следовательно, чтобы любое твёрдое тело, будь то палка, доска или лом, стало рычагом, необходимо обеспечить ему точку опоры и приложить к нему силы. Без точки опоры тело будет просто перемещаться поступательно под действием сил, а не вращаться, и, соответственно, не сможет работать как рычаг.

Принцип работы рычага основан на правиле моментов. Рычаг находится в равновесии, если момент силы, вращающей его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки. Математически это выражается формулой: $M_1 = M_2$, что эквивалентно $F_1 \cdot l_1 = F_2 \cdot l_2$. В этой формуле $F_1$ и $F_2$ — это величины приложенных сил, а $l_1$ и $l_2$ — плечи этих сил, то есть кратчайшие расстояния от точки опоры до линий действия сил.

Именно это соотношение позволяет рычагу давать выигрыш в силе (когда, приложив небольшую силу к длинному плечу, можно поднять тяжёлый груз, действующий на короткое плечо) или выигрыш в расстоянии.

Ответ: Твёрдое тело может выполнить роль рычага, если у него есть неподвижная точка опоры (ось вращения), вокруг которой оно может вращаться под действием приложенных сил.

2. Рассмотрите рисунок 180. Объясните, почему предплечье является рычагом второго рода.

Решение

Вопрос содержит неточность. Предплечье, в изображенной ситуации (сгибание руки в локте), является примером рычага третьего рода, а не второго. Давайте разберемся, почему.

Сначала определим, что такое рычаги разных родов:

• Рычаг первого рода: точка опоры находится между точкой приложения силы и точкой приложения нагрузки (груза). Пример: качели-балансир, ножницы.
• Рычаг второго рода: точка приложения нагрузки (груз) находится между точкой опоры и точкой приложения силы. Такой рычаг дает выигрыш в силе. Пример: тачка, открывалка для бутылок.
• Рычаг третьего рода: точка приложения силы находится между точкой опоры и точкой приложения нагрузки (груза). Такой рычаг дает проигрыш в силе, но выигрыш в расстоянии и скорости.

Теперь рассмотрим предплечье на рисунке как систему рычага:

1. Точка опоры — это локтевой сустав.
2. Нагрузка (сила сопротивления) — это вес шара, который удерживает кисть, а также вес самого предплечья. Эта сила приложена в области кисти.
3. Приложенная сила (движущая сила) — это сила сокращения двуглавой мышцы плеча (бицепса), которая крепится к лучевой кости предплечья очень близко к локтевому суставу.

Таким образом, мы видим следующее расположение: Точка опоры (локоть) → Приложенная сила (бицепс) → Нагрузка (шар в руке).

Такое расположение, где сила приложена между точкой опоры и нагрузкой, характерно именно для рычага третьего рода. Этот тип рычага не дает выигрыша в силе (бицепсу приходится развивать усилие, значительно превышающее вес шара), но позволяет получить большой выигрыш в скорости и амплитуде движения кисти при незначительном сокращении самой мышцы.

Ответ: Утверждение в вопросе некорректно. Предплечье в данном примере является рычагом третьего рода, так как точка приложения силы (место крепления бицепса) находится между точкой опоры (локтевой сустав) и нагрузкой (шар в руке).

Задание 39. Используя Интернет и другие источники информации, подготовьте сообщение о рычажных тренажёрах, предназначенных для исправления осанки.

Введение: Рычажные тренажёры и их роль в коррекции осанки

Нарушение осанки — распространённая проблема современного человека, вызванная малоподвижным образом жизни, длительной работой за компьютером и использованием гаджетов. Неправильная осанка не только портит внешний вид, но и приводит к болям в спине, шее, головным болям и нарушению работы внутренних органов. Одним из наиболее эффективных способов борьбы с этой проблемой является укрепление мышечного корсета с помощью специальных упражнений. Рычажные тренажёры играют в этом процессе ключевую роль, так как они позволяют целенаправленно и безопасно прорабатывать мышцы, отвечающие за поддержание правильного положения позвоночника.

Принцип действия рычажных тренажёров

В основе работы любого рычажного тренажёра лежит физический принцип рычага. Рычаг — это твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры (точки опоры). В контексте биомеханики человеческого тела кости выступают в роли рычагов, суставы — в роли точек опоры, а мышцы создают усилие для перемещения этих рычагов.

Рычажные тренажёры используют эту концепцию, создавая внешнюю систему рычагов, которая направляет движение и создаёт сопротивление. Это позволяет изолировать и проработать конкретные группы мышц. Условие равновесия рычага описывается формулой $F_1 \cdot d_1 = F_2 \cdot d_2$, где $F_1$ и $F_2$ — приложенные силы, а $d_1$ и $d_2$ — их плечи (расстояния от точки опоры до точки приложения силы). В тренажёрах сила $F_1$ — это усилие, создаваемое пользователем, а сила $F_2$ — это сила сопротивления, создаваемая весом отягощения. Изменяя вес или точки приложения сил, можно регулировать нагрузку. Такая конструкция обеспечивает контролируемую и анатомически правильную траекторию движения, что минимизирует риск травм и максимизирует эффективность тренировки для исправления осанки.

Основные виды рычажных тренажёров для исправления осанки

Для коррекции осанки используются тренажёры, направленные на укрепление мышц спины, плечевого пояса и пресса. Ключевыми являются:

• Гиперэкстензия (Римский стул). Этот тренажёр предназначен для укрепления мышц-разгибателей спины (erector spinae), ягодичных мышц и бицепсов бедра. Таз пользователя зафиксирован на подушке (точка опоры), а туловище совершает наклоны вниз и подъёмы вверх, работая против силы тяжести. Сильная поясница — основа здорового позвоночника и правильной осанки.
• Тренажёр для горизонтальной тяги (Seated Row). Упражнение имитирует гребные движения. Оно направлено на укрепление ромбовидных мышц, широчайших и трапециевидных мышц спины. Эти мышцы отвечают за сведение лопаток, что напрямую противодействует сутулости и помогает "раскрыть" грудную клетку. Рукоятки тренажёра являются рычагами, передающими усилие на весовой стек.
• Тренажёр для вертикальной тяги (Lat Pulldown). Упражнение на этом тренажёре (тяга верхнего блока к груди или за голову) развивает широчайшие мышцы спины. Сильные широчайшие мышцы стабилизируют позвоночник и формируют мощный мышечный корсет, поддерживающий осанку.
• Тренажёр "Бабочка" (Pec-Deck) с функцией обратного разведения. Хотя основная функция этого тренажёра — проработка грудных мышц, многие модели позволяют выполнять обратное движение — разведение рук. Это упражнение (Reverse Fly) является одним из лучших для исправления сутулости, так как оно целенаправленно прорабатывает задние дельтовидные мышцы и мышцы между лопатками, которые "оттягивают" плечи назад.

Заключение

Регулярные и технически правильные занятия на рычажных тренажёрах являются мощным инструментом для исправления осанки. Они позволяют безопасно и эффективно укрепить мышечный корсет, развить "мышечную память" правильного положения тела и предотвратить множество проблем со здоровьем, связанных с искривлением позвоночника. Важно помнить, что перед началом тренировок, особенно при наличии болей в спине, необходима консультация с врачом или квалифицированным фитнес-тренером для составления индивидуальной и безопасной программы занятий.

Ответ: Рычажные тренажёры, такие как гиперэкстензия, тренажёры для горизонтальной и вертикальной тяги, а также тренажёры с функцией обратного разведения, являются эффективным средством для исправления осанки. Они работают по принципу рычага, позволяя целенаправленно и безопасно укреплять мышцы спины, плечевого пояса и кора, которые отвечают за поддержание правильного положения позвоночника.