Номер 5, страница 110 - гдз по физике 7 класс учебник Пурышева, Важеевская

5. Приведите примеры механизмов, в которых происходит преобразование силы.

Преобразование силы — это изменение ее величины и/или направления с помощью различных устройств, называемых механизмами. В основе их работы лежит «золотое правило механики»: выигрывая в силе, мы проигрываем в расстоянии (и наоборот), при этом совершаемая работа в идеальных условиях остается постоянной. Ниже приведены примеры таких механизмов.

Рычаг

Это твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной точки опоры. Прикладывая силу к длинному плечу рычага, можно поднять тяжелый груз, приложенный к короткому плечу. Выигрыш в силе определяется отношением длин плеч рычага (расстояний от точки опоры до точек приложения сил). Условие равновесия рычага описывается формулой $F_1 \cdot l_1 = F_2 \cdot l_2$, где $F_1$ и $F_2$ — силы, а $l_1$ и $l_2$ — их плечи. Таким образом, выигрыш в силе равен $F_2/F_1 = l_1/l_2$. Примерами являются лом, качели, ножницы, тачка.

Ответ: Рычаг преобразует силу за счет разницы в длине плеч, к которым приложены силы.

Блок

Это колесо с желобом, вращающееся вокруг оси.

Неподвижный блок закреплен и не перемещается. Он не дает выигрыша в силе, но позволяет изменить ее направление, что часто бывает удобно (например, поднимать груз, таща веревку вниз).

Подвижный блок перемещается вместе с грузом. Он дает двукратный выигрыш в силе ($F = P/2$), так как вес груза $P$ распределяется на два участка веревки.

Полиспаст — это система из нескольких подвижных и неподвижных блоков. Он дает значительный выигрыш в силе, равный (в идеале) числу участков веревки, удерживающих груз. Блоки и полиспасты используются в подъемных кранах, лифтах, альпинистском снаряжении.

Ответ: Блоки и полиспасты преобразуют силу, распределяя вес груза на несколько участков троса или изменяя направление приложения усилия.

Наклонная плоскость

Это любая плоская поверхность, расположенная под углом к горизонтали. Она позволяет перемещать тяжелые предметы вверх, прилагая силу, которая меньше веса предмета. Выигрыш в силе достигается за счет увеличения пути. Чем меньше угол наклона плоскости, тем меньше требуемая сила, но тем длиннее путь. Сила, необходимая для перемещения груза (без учета трения), равна $F = P \cdot (h/l)$, где $P$ — вес груза, $h$ — высота, а $l$ — длина наклонной плоскости. Примеры: пандусы, эстакады, горные дороги (серпантины).

Ответ: Наклонная плоскость уменьшает требуемую для подъема силу за счет увеличения проходимого расстояния.

Клин и винт

Эти механизмы являются разновидностями наклонной плоскости.

Клин (топор, нож, зубило) преобразует силу, приложенную к его тупому концу, в две большие силы, действующие перпендикулярно его скошенным поверхностям, что позволяет раскалывать или разрезать материалы.

Винт (болт, шуруп, винтовой домкрат) — это наклонная плоскость, обернутая вокруг цилиндра. Он преобразует вращательное движение в поступательное, создавая при этом очень большую осевую силу.

Ответ: Клин преобразует продольную силу в большие поперечные силы, а винт преобразует малое вращательное усилие в большую поступательную силу.

Гидравлический пресс

Работа этого механизма основана на законе Паскаля. Он состоит из двух соединенных сосудов с поршнями разной площади ($S_1$ и $S_2$), заполненных жидкостью. Сила $F_1$, приложенная к малому поршню, создает давление, которое передается по всей жидкости и действует на большой поршень, создавая на нем силу $F_2$. Выигрыш в силе равен отношению площадей поршней: $F_2/F_1 = S_2/S_1$. Гидравлические системы применяются в тормозах автомобилей, домкратах, промышленных прессах.

Ответ: Гидравлический пресс увеличивает силу пропорционально отношению площадей поршней за счет передачи давления через несжимаемую жидкость.

Зубчатая передача

Это механизм, состоящий из сцепленных зубчатых колес, который передает и преобразует вращательное движение и крутящий момент. Соотношение крутящих моментов на ведомом ($M_2$) и ведущем ($M_1$) колесах обратно пропорционально соотношению их скоростей и прямо пропорционально соотношению их радиусов или числа зубьев ($z_1$ и $z_2$): $M_2/M_1 = z_2/z_1$. Таким образом, соединяя малое ведущее колесо с большим ведомым, можно увеличить крутящий момент (силу), проиграв в скорости вращения. Примеры: коробка передач автомобиля, редукторы в станках, механические часы.

Ответ: Зубчатая передача преобразует крутящий момент и скорость вращения в соответствии с соотношением размеров зубчатых колес.