Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: схема досліду
Блок - це перетворювач сили і машинний елемент, що складається з колеса, закріпленого на осі з якомога меншим тертям. Нерухомий блок закріплений в одній точці і слугує для того, щоб піднімати й переміщувати вантаж.
Нерухомий блок застосовують у різних галузях, наприклад у гірськолижному підйомнику. Там канат бугельного підйомника тягнуть через нерухомо закріплений блок; на будівництвах, наприклад, повні відра частково піднімають через нерухомий блок.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учням потрібні попередні знання про «нерухомі блоки».
Принцип
Треба дослідити, які переваги дає нерухомий блок під час виконання механічної роботи і який зв'язок при цьому існує між силами і шляхами.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
У цьому досліді учні мають на прикладі зрозуміти, як працює нерухомий блок.
Завдання
Завдання цього досліду полягає в тому, щоб учні записали й порівняли силу тяжіння , виміряну динамометром силу , шлях тяги і шлях вантажу та відкрили зв'язок між силами і шляхами.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Нерухомий блок закріплений у нерухомій точці і слугує для того, щоб піднімати або переміщувати вантаж.
Нерухомим блоком змінюють лише напрямок цієї сили, тому його називають ще напрямним роликом. Потрібна сила тяги така сама, як і сила з боку вантажу:
А шлях тяги і шлях вантажу однакові:
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Муфта на магнітному тримачі | 02151-01 | 1 |
| 3 | Торсійний динамометр, 2 Н/4 Н | 03069-03 | 1 |
| 4 | Масштабна лінійка для демонстраційної дошки | 02153-00 | 1 |
| 5 | Стрілка для демонстраційної дошки, 4 шт. | 02154-01 | 1 |
| 6 | Тримач для прорізних тягарців | 02204-01 | 1 |
| 7 | Прорізний тягарець, сріблясте бронзування, 50 г | 02206-03 | 1 |
| 8 | Прорізний тягарець, сріблясте бронзування, 50 г | 02206-03 | 1 |
| 9 | Блок рухомий, d = 65 мм, з вантажним гаком | 02262-00 | 1 |
| 10 | Стрижень для блоку | 02263-00 | 1 |
| 11 | Волосінь на котушці, d = 0,5 мм, 100 м | 02090-00 | 1 |
| 12 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
Складання та виконання
Складання
Рис. 2: схема досліду
Поклади на демонстраційну дошку ліворуч масштабну лінійку і постав поряд, біля верхнього краю, муфту на магнітному тримачі зі стрижнем і блоком (рис.2).
Виконання (1/2)
- Приладнай динамометр під блоком, у нижній частині демонстраційної дошки, підвісь тримач для тягарців, навантажений трьома прорізними тягарцями 50 г, і виміряй для навантаженого тримача; запиши значення (1)
- Повільно й рівномірно рухай динамометр угору (у положення, як на рис. 2) і виміряй силу F, потрібну для виконання роботи піднімання тримача з тягарцями; запиши F (2)
- Перекинь через блок шнур завдовжки близько 50 см із петлями на кінцях, зачепи в петлі навантажений тримач для тягарців і тяговий шнур динамометра (пор. рис. 2); запиши силу , потрібну для рівноваги блока, і висновок про це (3)
- Познач положення тримача для тягарців стрілкою і поклади другу стрілку того самого кольору трохи вище, наприклад на 25 см.
Виконання (2/2)
- Познач положення гачка на тяговому шнурі динамометра однією зі стрілок іншого кольору.
- Рівномірно посувай динамометр униз доти, доки тримач для тягарців не підніметься на передбачену висоту ; стеж при цьому за динамометром і виміряй силу , потрібну під час виконання роботи піднімання; запиши і , а також (4)
- Познач теперішнє положення гачка на тяговому шнурі динамометра четвертою стрілкою (на рис. 2 накреслена штриховою лінією); виміряй і запиши шлях , пройдений із застосуванням сили (4)
- Опусти й знову підніми тримач для тягарців, але дай при цьому діяти в зміненому напрямку (пор. позначений напрямок на рис. 2) і стеж за динамометром; за потреби повтори дію кілька разів і запиши спостереження (5)
Протокол
Спостереження
1.
2.
Рівновага настає, коли
3.
4.
5. завжди має те саме значення, байдуже, у якому напрямку діє сила .
Опрацювання результатів (1/2)
Нерухомий блок перебуває в рівновазі, коли , тобто коли сила тяги дорівнює силі тяжіння для вантажу.
Якщо роботу піднімання тіла виконують без блока, то сила тяги дорівнює силі тяжіння для тіла. Якщо роботу піднімання виконують за допомогою нерухомого блока, то для цього потрібна трохи більша сила. Причина - тертя, що виникає на осі блока, який обертається.
Із результатів вимірювань для шляхів, пройдених із застосуванням сили F1, дістаємо:
для витраченої роботи:
Опрацювання результатів (2/2)
для виконаної роботи:
Якби добрим закріпленням блока зробити тертя знехтовно малим, то справджувалося б:
,
тобто витрачена робота дорівнює виконаній роботі, у цьому випадку - роботі піднімання.
Отже, нерухомим блоком не можна заощадити роботу і не можна зменшити модуль сили, яку треба прикласти; треба навіть докласти трохи більше, щоб подолати тертя, яке завжди виникає під час руху. Але нерухомим блоком можна змінити напрямок сили, що на практиці часто дає неабияку перевагу під час виконання механічної роботи.
Зауваження
Рис. 3
Умову рівноваги для нерухомого блока, , можна - якщо момент сили вже розглядали - одразу зробити зрозумілою за допомогою рис. 3: плечі сил для і однакової довжини (дорівнюють радіусу дотику ліній дії, що йдуть по дотичній до кола), тож і та однакові за модулем.
Завдання
Рис. 4
Питання
Рисунок 4 унаочнює відхилення сили через блок.
Яку силу треба прикласти, щоб підняти відро з водою, вага якого P = 50Н?
Питання