Простейшие машины и механизмы

МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ

МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ, механические устройства, облегчающие труд и повышающие его производительность. Машины могут быть разной степени сложности – от простой одноколесной тачки до лифтов, автомобилей, печатных, текстильных, вычислительных машин. Энергетические машины преобразуют один вид энергии в другой. Например, генераторы гидроэлектростанции преобразуют механическую энергию падающей воды в электрическую энергию. Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию бензина в тепловую, а затем в механическую энергию движения автомобиля (см. также ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ; ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ; ТУРБИНА). Так называемые рабочие машины преобразуют свойства или состояние материалов (металлорежущие станки, транспортные машины) либо информацию (вычислительные машины).

Машины состоят из механизмов (двигательного, передаточного и исполнительного) – многозвенных устройств, передающих и преобразующих силу и движение. Простой механизм, называемый полиспастом (см. БЛОКИ И ПОЛИСПАСТЫ), увеличивает силу, приложенную к грузу, и за счет этого позволяет вручную поднимать тяжелые предметы. Другие механизмы облегчают работу, увеличивая скорость. Так, велосипедная цепь, входящая в зацепление со звездочкой, преобразует медленное вращение педалей в быстрое вращение заднего колеса. Однако механизмы, увеличивающие скорость, делают это за счет уменьшения силы, а увеличивающие силу – за счет уменьшения скорости. Увеличить одновременно и скорость и силу невозможно. Механизмы могут также просто изменять направление силы. Пример – блок на конце флагштока: чтобы поднять флаг, тянут за шнур вниз. Изменение направления может сочетаться с увеличением силы или скорости. Так, тяжелый груз можно приподнять, нажимая на рычаг вниз.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

Основной закон.

Хотя механизмы и позволяют получить выигрыш в силе или скорости, возможности такого выигрыша ограничиваются законом сохранения энергии. В применении к машинам и механизмам он гласит: энергия не может ни возникать, ни исчезать, она может быть лишь преобразована в другие виды энергии или в работу. Поэтому на выходе машины или механизма не может оказаться больше энергии, чем на входе. К тому же в реальных машинах часть энергии теряется из-за трения. Поскольку работа может быть превращена в энергию и наоборот, закон сохранения энергии для машин и механизмов можно записать в виде

Работа на входе = Работа на выходе + Потери на трение.

Отсюда видно, в частности, почему невозможна машина типа вечного двигателя: из-за неизбежных потерь энергии на трение она рано или поздно остановится.

Выигрыш в силе или скорости.

Механизмы, как указывалось выше, могут применяться для увеличения силы или скорости. Идеальный, или теоретический, выигрыш в силе или скорости – это коэффициент увеличения силы или скорости, который был бы возможен в отсутствие потерь энергии, обусловленных трением. Идеальный выигрыш на практике недостижим. Реальный выигрыш, например в силе, равен отношению силы (называемой нагрузкой), которую развивает механизм, к силе (называемой усилием), которая прикладывается к механизму.

Механический КПД.

Коэффициентом полезного действия машины называется процентное отношение работы на ее выходе к работе на ее входе. Для механизма КПД равен отношению реального выигрыша к идеальному. КПД рычага может быть очень высоким – до 90% и даже больше. В то же время КПД полиспаста из-за значительного трения и массы движущихся частей обычно не превышает 50%. КПД домкрата может составлять лишь 25% из-за большой площади контакта между винтом и его корпусом, а следовательно, большого трения. Это приблизительно такой же КПД, как у автомобильного двигателя. См. АВТОМОБИЛЬ ЛЕГКОВОЙ.

КПД можно в известных пределах повысить, уменьшив трение за счет смазки и применения подшипников качения. См. также СМАЗКА.

ПРОСТЕЙШИЕ МЕХАНИЗМЫ

Простейшие механизмы можно найти почти в любых более сложных машинах и механизмах. Их всего шесть: рычаг, блок, дифференциальный ворот, наклонная плоскость, клин и винт. Некоторые авторитетные специалисты утверждают, что на самом деле можно говорить всего лишь о двух простейших механизмах – рычаге и наклонной плоскости, – так как нетрудно показать, что блок и ворот представляют собой варианты рычага, а клин и винт – варианты наклонной плоскости.

Рычаг.

Это жесткий стержень, который может свободно поворачиваться относительно неподвижной точки, называемой точкой опоры. Примером рычага могут служить лом, молоток с расщепом, тачка, метла.

Рычаги бывают трех родов, различающихся взаимным расположением точек приложения нагрузки и усилия и точки опоры (рис. 1). Идеальный выигрыш в силе рычага равен отношению расстояния D_E от точки приложения усилия до точки опоры к расстоянию D_L от точки приложения нагрузки до точки опоры. Для рычага I рода расстояние D_E обычно больше D_L, а поэтому идеальный выигрыш в силе больше 1. Для рычага II рода идеальный выигрыш в силе тоже больше единицы. Что же касается рычага III рода, то величина D_E для него меньше D_L, а стало быть, больше единицы выигрыш в скорости.

Это колесо с желобом по окружности для каната или цепи. Блоки применяются в грузоподъемных устройствах. Система блоков и тросов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспастом. Одиночный блок может быть либо с закрепленной осью (уравнительным), либо подвижным (рис. 2). Блок с закрепленной осью действует как рычаг I рода с точкой опоры на его оси. Поскольку плечо усилия равно плечу нагрузки (радиус блока), идеальный выигрыш в силе и скорости равен 1. Подвижный же блок действует как рычаг II рода, поскольку нагрузка расположена между точкой опоры и усилием. Плечо нагрузки (радиус блока) вдвое меньше плеча усилия (диаметр блока). Поэтому для подвижного блока идеальный выигрыш в силе равен 2.

Более простой способ определения идеального выигрыша в силе для блока или системы блоков – по числу параллельных концов каната, удерживающих нагрузку, как это нетрудно сообразить, взглянув на рис. 2.

Уравнительные и подвижные блоки можно сочетать по-разному для увеличения выигрыша в силе. В одной обойме можно установить два, три или большее число блоков, а конец троса можно прикрепить либо к неподвижной, либо к подвижной обойме.

Дифференциальный ворот.

Это, в сущности, два колеса, соединенные вместе и вращающиеся вокруг одной оси (рис. 3), например, колодезный ворот с ручкой.

Дифференциальный ворот может давать выигрыш как в силе, так и в скорости. Это зависит от того, где прилагается усилие, а где – нагрузка, поскольку он действует как рычаг I рода. Точка опоры расположена на закрепленной (фиксированной) оси, а поэтому плечи усилия и нагрузки равны радиусам соответствующих колес. Пример такого устройства для выигрыша в силе – отвертка, а для выигрыша в скорости – шлифовальный круг.

Зубчатые колеса.

Система двух находящихся в зацеплении зубчатых колес, сидящих на валах одинакового диаметра (рис. 4), в какой-то мере аналогична дифференциальному вороту (см. также ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА). Скорость вращения колес обратно пропорциональна их диаметру. Если малая ведущая шестерня A (к которой приложено усилие) по диаметру вдвое меньше большого зубчатого колеса B, то она должна вращаться вдвое быстрее. Таким образом, выигрыш в силе такой зубчатой передачи равен 2. Но если точки приложения усилия и нагрузки поменять местами, так что колесо B станет ведущим, то выигрыш в силе будет равен 1/2, а выигрыш в скорости – 2.

Наклонная плоскость.

Наклонная плоскость применяется для перемещения тяжелых предметов на более высокий уровень без их непосредственного поднятия. К таким устройствам относятся пандусы, эскалаторы, обычные лестницы, а также конвейеры (с роликами для уменьшения трения).

Идеальный выигрыш в силе, обеспечиваемый наклонной плоскостью (рис. 5), равен отношению расстояния, на которое перемещается нагрузка, к расстоянию, проходимому точкой приложения усилия. Первое есть длина наклонной плоскости, а второе – высота, на которую поднимается груз. Поскольку гипотенуза больше катета, наклонная плоскость всегда дает выигрыш в силе. Выигрыш тем больше, чем меньше наклон плоскости. Этим объясняется то, что горные автомобильные и железные дороги имеют вид серпантина: чем меньше крутизна дороги, тем легче по ней подниматься.

Идеальный выигрыш в силе, даваемый клином, равен отношению его длины к толщине на тупом конце. Реальный выигрыш клина, в отличие от других простейших механизмов, трудно определить. Сопротивление, встречаемое им, непредсказуемо меняется для разных участков его «щек». Из-за большого трения его КПД столь мал, что идеальный выигрыш не имеет особого значения.

Резьба винта (рис. 7) – это, в сущности, наклонная плоскость, многократно обернутая вокруг цилиндра. В зависимости от направления подъема наклонной плоскости винтовая резьба может быть левой (A) или правой (B). Сопрягающаяся деталь, естественно, должна иметь резьбу такого же направления. Примеры простых устройств с винтовой резьбой – домкрат, болт с гайкой, микрометр, тиски.

Поскольку резьба – наклонная плоскость, она всегда дает выигрыш в силе. Идеальный выигрыш равен отношению расстояния, проходимого точкой приложения усилия за один оборот винта (длины окружности), к расстоянию, проходимому при этом нагрузкой по оси винта. За один оборот нагрузка перемещается на расстояние между двумя соседними витками резьбы (a и b или b и c на рис. 7), которое называется шагом резьбы. Шаг резьбы обычно значительно меньше ее диаметра, так как иначе слишком велико трение.

КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Комбинированный механизм состоит из двух или большего числа простых. Это не обязательно сложное устройство; многие довольно простые механизмы тоже можно считать комбинированными. Например, в мясорубке имеются ворот (ручка), винт (проталкивающий мясо) и клин (нож-резак). Стрелки наручных часов поворачиваются системой зубчатых колес разного диаметра, находящихся в зацеплении друг с другом. Один из наиболее известных несложных комбинированных механизмов – домкрат.

Домкрат (рис. 8) представляет собой комбинацию винта и ворота. Головка винта подпирает нагрузку, а другой его конец входит в резьбовую опору. Усилие прилагается к рукоятке, закрепленной в головке винта. Таким образом, расстояние усилия равно длине окружности, описываемой концом ручки. Длина окружности дается выражением 2 p r, где p = 3,14159, а r – радиус окружности, т.е. в данном случае длина ручки. Очевидно, что чем длиннее ручка, тем больше идеальный выигрыш в силе. Расстояние, проходимое нагрузкой за один оборот ручки, равно шагу резьбы. В идеале можно получить очень большой выигрыш в силе, если длинную ручку сочетать с малым шагом резьбы. Поэтому несмотря на малый КПД домкрата (около 25%) он дает большой реальный выигрыш в силе.

Выигрыш в силе, создаваемый комбинированным механизмом, равен произведению выигрышей отдельных механизмов, входящих в его состав. Так, идеальный выигрыш в силе (ИВС) для домкрата равен отношению длины окружности, описываемой ручкой, к шагу резьбы. Для входящего в состав домкрата ворота ИВС равен отношению длины окружности, описываемой ручкой (расстояние усилия), к длине окружности винта (расстояние нагрузки). Для винта домкрата ИВС равен отношению длины окружности винта (расстояния усилия) к шагу резьбы винта (расстоянию нагрузки). Перемножая ИВС отдельных механизмов домкрата, получаем для комбинированного механизма

ИВС = (Окружность ручки/Окружность винта) ґ

(Окружность винта/Шаг резьбы) = (Окружность ручки/Шаг резьбы).

Для более сложных комбинированных механизмов вычислить ИВС труднее. Поэтому для них обычно указывают лишь реальный выигрыш. См. также КУЛАЧКОВЫЙ МЕХАНИЗМ; ДИНАМИКА; СТАНКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ; МЕХАНИКА.

Источник

Простые машины: история, характеристики, виды, примеры

Содержание:

В простые машины Это механические устройства, которые изменяют величину или направление силы. В целом их можно определить как наиболее простые аппараты, которые используют механическое преимущество, также называемое рычагом, для увеличения силы.

На протяжении всей истории люди разрабатывали различные устройства для облегчения работы. Самые важные из них известны как шесть типов простых машин: рычаг, колесо и ось, шкив, наклонная плоскость, клин и винт.

Машина может увеличивать количество создаваемой силы за счет пропорционального уменьшения расстояния, на которое перемещается груз. Механическое преимущество называется соотношением между создаваемой силой и приложенной силой.

Простая машина использует одну приложенную силу, которая работает против одной силы нагрузки. Пренебрегая потерями на трение, работа, выполняемая с грузом, равна работе, выполняемой приложенной силой.

Элементные блоки

Простые машины повсюду, они используются каждый день для выполнения простых задач. Они также использовались с самых первых дней существования человека.

Простые машины можно рассматривать как элементарные блоки, из которых состоят все более сложные машины, называемые составными машинами.

Однако, хотя они по-прежнему считаются очень важными в механике и прикладной науке, современная механика превзошла представление о простых машинах как элементарных блоках, из которых состоят все машины.

История

Начальные идеи

Примерно в 3 веке до нашей эры. Идея простой машины возникла у К. у греческого философа Архимеда, который изучал следующие простые машины: рычажный, шкив и винт.

Он обнаружил в рычаге принцип механического преимущества. Его знаменитый комментарий относительно рычага: «Дайте мне место, где я могу опереться, и я переверну Землю», выражает его понимание того, что нет предела увеличению силы, которое может быть достигнуто с использованием механического преимущества.

Позднее греческие философы определили пять классических простых машин и смогли вычислить механическое преимущество, которое они имели.

Например, на работе МеханикаГерон Александрийский (10-75 г. н.э.) перечисляет пять устройств, которые могут приводить в движение груз: шкив, колесо и ось, рычаг, винт и клин, с подробным описанием их изготовления и использования.

Однако знания греков ограничивались статикой простых машин (балансом сил), не включая динамику, концепцию работы или компромисс между силой и расстоянием.

Период Возрождения

Динамику механических сил, как назывались простые машины, начали изучать в эпоху Возрождения с точки зрения того, как далеко можно поднять груз, в дополнение к приложенной силе, что в конечном итоге привело к новой концепции. механических работ.

Механическое преимущество наклонной плоскости было выведено фламандским инженером Саймоном Стевином в 1586 году. Оно было включено вместе с другими простыми машинами.

Итальянский ученый Галилео Галилей разработал в 1600 году полную динамическую теорию простых машин в своей работе. Le Meccaniche, где было выявлено основное математическое сходство усилителей мощности этих машин. Он был первым, кто объяснил, что простые машины не создают энергию, а только преобразуют ее.

Леонардо да Винчи открыл классические правила трения скольжения в машинах, но они не были опубликованы или задокументированы в его учебнике. В 1699 году Гийом Амонтон заново открыл эти правила, а в 1785 году их разработал Шарль-Огюстен де Кулон.

характеристики

Движение и сила

Движение и сила в простой машине неразделимы. Они всегда находятся в обратной зависимости.

Сила, создаваемая рычагом, больше силы, приложенной к нему, но создаваемое движение меньше приложенного. То есть прирост силы сопровождается потерей в движении.

Работа

Например, чтобы поднять объект, необходимо выполнить работу, превышающую силу тяжести и, таким образом, уметь перемещать объект вверх.

Чтобы поднять объект вдвое тяжелее, требуется в два раза больше работы, чтобы поднять его на такое же расстояние. Также потребуется вдвое больше работы, чтобы поднять тот же объект вдвое дальше.

Эта концепция работы является фундаментальной для определения механической функции в простых машинах с точки зрения силы и движения, подчеркивая неразделимость силы и движения.

Механическое преимущество

Это соотношение между силой, выполняющей работу, по отношению к приложенной силе. Следовательно, это эффективность увеличения силы простой машины.

Механическое преимущество простых машин означает, что для перемещения объекта можно использовать меньшую силу, но его нужно перемещать на большее расстояние.

Часто задача кажется сложной, потому что она требует больших усилий. Компромисс между расстоянием и силой может значительно облегчить выполнение задачи.

Для чего нужны простые машины?

Простые машины облегчают работу, выполняя одну или несколько из следующих функций:

— Перенести силы из одного места в другое.

— Измените направление силы.

— Увеличьте величину силы.

— Увеличьте дистанцию ​​силы.

Хотя простые машины имеют множество различных форм, они бывают шести основных типов:

— Клин: устройство для разделения вещей.

— Колесо и ось: используются для уменьшения трения и как усилитель.

— Рычаг: перемещается вокруг точки опоры для увеличения или уменьшения механического преимущества.

— Наклонная плоскость: поднимайте предметы при подъеме по склону.

— Винт: устройство, которое может поднимать или удерживать предметы вместе.

— Шкив: изменяет направление силы.

Увеличьте прилагаемую силу

Простые машины помогают людям увеличивать силу, прикладываемую к объекту. Они обеспечивают механическое преимущество, помогая перемещать объекты.

Например, вы хотите поднять объект весом 10 кг на 2 метра от земли. К объекту можно приложить 10 кг силы в направлении вверх на расстоянии 2 метра, таким образом выполняя работу в 20 ньютонов.

Если бы использовался 3-метровый рычаг, поместив объект на одном конце и поместив точку опоры 10 см под перекладину на расстоянии 1 метра от объекта, тогда, чтобы поднять объект, вам нужно было бы надавить на другой конец с помощью сила всего 5 килограммов.

Однако конец рычага нужно опустить на 4 метра, чтобы поднять объект всего на 2 метра.

Есть компромисс. Опускание рычага удваивает предыдущее расстояние, но снижает требуемое усилие вдвое, выполняя тот же объем работы.

Типы

Рычаг

Это своего рода жесткий стержень, который поддерживается фиксированной точкой опоры. Он состоит из груза, который представляет собой объект, который нужно переместить или поднять, точки опоры, которая является стержнем, и усилия, которое представляет собой силу, необходимую для перемещения или подъема груза.

Приложение силы к одному концу рычага создает большую силу на другом конце. Приложенная сила будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от расстояния от точки опоры до нагрузки и напряжения.

Колесо и ось

Он состоит из колеса, прикрепленного к меньшей оси, так что эти две части вращаются вместе, где сила передается от одной к другой. Шарнир поддерживает вал, позволяя вращаться.

Облегчает работу по перемещению предметов на расстояния. Колесо с круглым концом вращается вместе с цилиндрической осью, вызывая движение.

Он также может увеличить силу. Небольшая сила, приложенная к окружности большого колеса, может переместить больший груз, прикрепленный к оси.

Шкив

Он предназначен для поддержки движения и изменения направления натянутой веревки. Веревка наматывается на колесо. При вращении колеса веревка движется в любом направлении.

Если к веревке присоединен крюк, вращение колеса можно использовать для подъема и опускания предметов, облегчая работу.

Наклонная плоскость

Это плоская поверхность с одним концом выше другого, используемая в качестве опоры для подъема или опускания груза. Они широко используются для перемещения тяжелых грузов через вертикальные препятствия.

Для перемещения объекта вверх по наклонной плоскости требуется меньше усилий, чем для прямого подъема, за счет увеличения пройденного расстояния.

Механическое преимущество наклонной плоскости равно отношению длины наклонной поверхности к высоте, которую она покрывает.

Колыбель

Это инструмент треугольной формы. Его можно использовать для разделения двух объектов, удаления частей объекта, поднятия его или удержания объекта на месте.

Он работает путем преобразования силы, приложенной к его тупому концу, в силы, перпендикулярные его наклонной поверхности.

Механическое преимущество обеспечивается соотношением между длиной откоса и шириной.

Винт

Его наиболее распространенная форма представляет собой цилиндрический вал со спиральными канавками, называемыми резьбой, вдоль внешней стороны.

Винт проходит через отверстие в другом объекте или среде с внутренней резьбой, которая совпадает с резьбой винта.

Примеры

Рычаги

Некоторыми примерами рычагов являются дверные ручки, когти молотка для удаления гвоздей, железные рычаги, переключатели света, открывалки для бутылок и петли.

Колеса и оси

Они встречаются там, где вещи вращаются по кругу, например, электрический вентилятор, двигатель, вращающаяся дверь, карусель и любое колесо, будь то в машине, на скейтборде или на велосипеде.

Шкивы

Они используются в шторах и жалюзи, чтобы двигать их вверх и вниз или вперед и назад.

Они могут поднять что-нибудь с земли, например флаг на шесте. Веревка опущена, но флаг поднимается.

Они также используются в промышленности для подъема и опускания тяжелых грузов, на судах для подъема и опускания парусов или в кранах, которые используются для перемещения строительного оборудования.

Лифты также используют шкивы для перемещения автомобиля вниз и вверх с этажа на этаж.

Наклонные самолеты

Они используются в парках для скутеров, на пандусах для инвалидных колясок, а также для переноски тяжелого оборудования в кузов грузовика и обратно.

Модифицированные версии пандусов можно найти на лестницах, эскалаторах, пешеходных дорожках и даже на горках, используемых для бросания почты в почтовый ящик, вплоть до поезда, поднимающегося по склону.

Колыбель

Клинья также могут удерживать предметы вместе, как в случае скоб, булавок, кнопок, гвоздей или дверных ограничителей.

Винт

Некоторые примеры относятся к дрели, крышке банки, лампочке, болту, крышкам для бутылок, смесителям и ручкам.

Ссылки

Теория сложной мысли Эдгара Морина

Аэробное дыхание: характеристики, стадии и организмы

Источник

Научно-исследовательская работа «Простые машины и механизмы»

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Изучить основные принципы работы машин и механизмов

Основные методы работы:

2.Теоретические (сравнение, систематизация)
3.Практические (самостоятельное проведение опытов).

. Основные источники для написания работы:

научно- популярная литература

Хотя механизмы и позволяют получить выигрыш в силе или скорости, возможности такого выигрыша ограничиваются законом сохранения энергии.

Обобщив, собранный материал, полученные знания сделали следующие выводы : энергия не может ни возникать, ни исчезать, она может быть лишь преобразована в другие виды энергии или в работу. Поэтому на выходе машины или механизма не может оказаться больше энергии, чем на входе. К тому же в реальных машинах часть энергии теряется из-за трения. Поскольку работа может быть превращена в энергию и наоборот, закон сохранения энергии для машин и механизмов можно записать в виде

Работа на входе = Работа на выходе + Потери на трение.

Изучить основные принципы работы машин и механизмов

Основные методы работы:

2.Теоретические (сравнение, системаптизация)
3.Практические (самостоятельное проведение опытов, иллюстрирующих действие законов физики )

Основные источники для написания работы:

научно- популярная литература

Хотя механизмы и позволяют получить выигрыш в силе или скорости, возможности такого выигрыша ограничиваются законом сохранения энергии.

Основной закон механики.

Темой данной работы является: «Простые машины и механизмы».

Нами была определена цель: изучить основные принципы работы машин и механизмов

Для выполнения данной цели были поставлены следующая задача:

I Простые механизмы

II . ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

Хотя механизмы и позволяют получить выигрыш в силе или скорости, возможности такого выигрыша ограничиваются законом сохранения энергии. В применении к машинам и механизмам он гласит: энергия не может ни возникать, ни исчезать, она может быть лишь преобразована в другие виды энергии или в работу. Поэтому на выходе машины или механизма не может оказаться больше энергии, чем на входе. К тому же в реальных машинах часть энергии теряется из-за трения. Поскольку работа может быть превращена в энергию и наоборот, закон сохранения энергии для машин и механизмов можно записать в виде

Работа на входе = Работа на выходе + Потери на трение.

Отсюда видно, в частности, почему невозможна машина типа вечного двигателя: из-за неизбежных потерь энергии на трение она рано или поздно остановится.

Выигрыш в силе или скорости . Механизмы, как указывалось выше, могут применяться для увеличения силы или скорости. Идеальный, или теоретический, выигрыш в силе или скорости – это коэффициент увеличения силы или скорости, который был бы возможен в отсутствие потерь энергии, обусловленных трением. Идеальный выигрыш на практике недостижим. Реальный выигрыш, например в силе, равен отношению силы (называемой нагрузкой), которую развивает механизм, к силе (называемой усилием), которая прикладывается к механизму.

Механический КПД . Коэффициентом полезного действия машины называется процентное отношение работы на ее выходе к работе на ее входе. Для механизма КПД равен отношению реального выигрыша к идеальному. КПД рычага может быть очень высоким – до 90% и даже больше. В то же время КПД полиспаста из-за значительного трения и массы движущихся частей обычно не превышает 50%. КПД домкрата может составлять лишь 25% из-за большой площади контакта между винтом и его корпусом, а следовательно, большого трения. Это приблизительно такой же КПД, как у автомобильного двигателя.

КПД можно в известных пределах повысить, уменьшив трение за счет смазки и применения подшипников качения.

III . Простейшие механизмы

Простейшие механизмы можно найти почти в любых более сложных машинах и механизмах. Их всего шесть: рычаг, блок, дифференциальный ворот, наклонная плоскость, клин и винт. Некоторые авторитетные специалисты утверждают, что на самом деле можно говорить всего лишь о двух простейших механизмах – рычаге и наклонной плоскости, – так как нетрудно показать, что блок и ворот представляют собой варианты рычага, а клин и винт – варианты наклонной плоскости.

Рычаг. Это жесткий стержень, который может свободно поворачиваться относительно неподвижной точки, называемой точкой опоры. Примером рычага могут служить лом, молоток с расщепом, тачка, метла.

Рычаги бывают трех родов, различающихся взаимным расположением точек приложения нагрузки и усилия и точки опоры (рис. 1). Идеальный выигрыш в силе рычага равен отношению расстояния D_E от точки приложения усилия до точки опоры к расстоянию D_L от точки приложения нагрузки до точки опоры. Для рычага I рода расстояние D_E обычно больше D_L, а поэтому идеальный выигрыш в силе больше 1. Для рычага II рода идеальный выигрыш в силе тоже больше единицы. Что же касается рычага III рода, то величина D_E для него меньше D_L, а стало быть, больше единицы выигрыш в скорости.

Блок. Это колесо с желобом по окружности для каната или цепи. Блоки применяются в грузоподъемных устройствах. Система блоков и тросов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспастом. Одиночный блок может быть либо с закрепленной осью (уравнительным), либо подвижным (рис. 2).

Блок с закрепленной осью действует как рычаг I рода с точкой опоры на его оси. Поскольку плечо усилия равно плечу нагрузки (радиус блока), идеальный выигрыш в силе и скорости равен 1. Подвижный же блок действует как рычаг II рода, поскольку нагрузка расположена между точкой опоры и усилием. Плечо нагрузки (радиус блока) вдвое меньше плеча усилия (диаметр блока). Поэтому для подвижного блока идеальный выигрыш в силе равен 2.

Более простой способ определения идеального выигрыша в силе для блока или системы блоков – по числу параллельных концов каната, удерживающих нагрузку, как это нетрудно сообразить, взглянув на рис. 2.

Уравнительные и подвижные блоки можно сочетать по-разному для увеличения выигрыша в силе. В одной обойме можно установить два, три или большее число блоков, а конец троса можно прикрепить либо к неподвижной, либо к подвижной обойме.

Дифференциальный ворот. Это, в сущности, два колеса, соединенные вместе и вращающиеся вокруг одной оси (рис. 3), например, колодезный ворот с ручкой.

Дифференциальный ворот может давать выигрыш как в силе, так и в скорости. Это зависит от того, где прилагается усилие, а где – нагрузка, поскольку он действует как рычаг I рода. Точка опоры расположена на закрепленной (фиксированной) оси, а поэтому плечи усилия и нагрузки равны радиусам соответствующих колес. Пример такого устройства для выигрыша в силе – отвертка, а для выигрыша в скорости – шлифовальный круг.

Рис. 4. Зубчатые колеса, действующие в принципе так же, как и ворот, могут давать как выигрыш в силе, так и выигрыш в скорости.

Наклонная плоскость . Наклонная плоскость применяется для перемещения тяжелых предметов на более высокий уровень без их непосредственного поднятия. К таким устройствам относятся пандусы, эскалаторы, обычные лестницы, а также конвейеры (с роликами для уменьшения трения).

Идеальный выигрыш в силе, обеспечиваемый наклонной плоскостью (рис. 5), равен отношению расстояния, на которое перемещается нагрузка, к расстоянию, проходимому точкой приложения усилия. Первое есть длина наклонной плоскости, а второе – высота, на которую поднимается груз. Поскольку гипотенуза больше катета, наклонная плоскость всегда дает выигрыш в силе. Выигрыш тем больше, чем меньше наклон плоскости. Этим объясняется то, что горные автомобильные и железные дороги имеют вид серпантина: чем меньше крутизна дороги, тем легче по ней подниматься.

Рис. 5. Наклонная плоскость дает выигрыш в силе, равный (в идеале) отношению длины к высоте.

Рис. 6. Клин – как бы сдвоенная наклонная плоскость. Идеальный выигрыш в силе равен отношению длины клина к толщине на тупом конце.

Идеальный выигрыш в силе, даваемый клином, равен отношению его длины к толщине на тупом конце. Реальный выигрыш клина, в отличие от других простейших механизмов, трудно определить. Сопротивление, встречаемое им, непредсказуемо меняется для разных участков его «щек». Из-за большого трения его КПД столь мал, что идеальный выигрыш не имеет особого значения.

Винт. Резьба винта (рис. 7) – это, в сущности, наклонная плоскость, многократно обернутая вокруг цилиндра. В зависимости от направления подъема наклонной плоскости винтовая резьба может быть левой (A) или правой (B). Сопрягающаяся деталь, естественно, должна иметь резьбу такого же направления. Примеры простых устройств с

винтовой резьбой – домкрат, болт с гайкой, микрометр, тиски.

Рис. 7. Винт с прямоугольной резьбой – по существу, наклонная плоскость, многократно обернутая вокруг цилиндра. A – левая, B – правая резьба.

Поскольку резьба – наклонная плоскость, она всегда дает выигрыш в силе. Идеальный выигрыш равен отношению расстояния, проходимого точкой приложения усилия за один оборот винта (длины окружности), к расстоянию, проходимому при этом нагрузкой по оси винта. За один оборот нагрузка перемещается на расстояние между двумя соседними витками резьбы (a и b или b и c на рис. 7), которое называется шагом резьбы. Шаг резьбы обычно значительно меньше ее диаметра, так как иначе слишком велико трение.

IY . Комбинированные механизмы

Комбинированный механизм состоит из двух или большего числа простых. Это не обязательно сложное устройство; многие довольно простые механизмы тоже можно считать комбинированными. Например, в мясорубке имеются ворот (ручка), винт (проталкивающий мясо) и клин (нож-резак). Стрелки наручных часов поворачиваются системой зубчатых колес разного диаметра, находящихся в зацеплении друг с другом. Один из наиболее известных несложных комбинированных механизмов – домкрат.

Домкрат (рис. 8) представляет собой комбинацию винта и ворота. Головка винта подпирает нагрузку, а другой его конец входит в резьбовую опору. Усилие прилагается к рукоятке, закрепленной в головке винта. Таким образом, расстояние усилия равно длине окружности, описываемой концом ручки. Длина окружности дается выражением 2r, где = 3,14159, а r – радиус окружности, т.е. в данном случае длина ручки. Очевидно, что чем длиннее ручка, тем больше идеальный выигрыш в силе. Расстояние, проходимое нагрузкой за один оборот ручки, равно шагу резьбы. В идеале можно получить очень большой выигрыш в силе, если длинную ручку сочетать с малым шагом резьбы. Поэтому несмотря на малый КПД домкрата (около 25%) он дает большой реальный выигрыш в силе.

Рис. 8. Домкрат – пример несложного комбинированного механизма (сочетание винта и ворота).

Выигрыш в силе, создаваемый комбинированным механизмом, равен произведению выигрышей отдельных механизмов, входящих в его состав. Так, идеальный выигрыш в силе (ИВС) для домкрата равен отношению длины окружности, описываемой ручкой, к шагу резьбы. Для входящего в состав домкрата ворота ИВС равен отношению длины окружности, описываемой ручкой (расстояние усилия), к длине окружности винта (расстояние нагрузки). Для винта домкрата ИВС равен отношению длины окружности винта (расстояния усилия) к шагу резьбы винта (расстоянию нагрузки). Перемножая ИВС отдельных механизмов домкрата, получаем для комбинированного механизма

ИВС = (Окружность ручки/Окружность винта) ×

(Окружность винта/Шаг резьбы) = (Окружность ручки/Шаг резьбы).

Закончив исследование можно сделать следующие выводы:

Хотя механизмы и позволяют получить выигрыш в силе или скорости, возможности такого выигрыша ограничиваются законом сохранения энергии. В применении к машинам и механизмам он гласит: энергия не может ни возникать, ни исчезать, она может быть лишь преобразована в другие виды энергии или в работу. Поэтому на выходе машины или механизма не может оказаться больше энергии, чем на входе.

В реальных машинах часть энергии теряется из-за трения. Поскольку работа может быть превращена в энергию и наоборот, закон сохранения энергии для машин и механизмов можно записать в виде Работа на входе = Работа на выходе + Потери на трение. Отсюда видно, в частности, почему невозможна машина типа вечного двигателя: из-за неизбежных потерь энергии на трение она рано или поздно остановится.

Источник