Рухомий блок

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. Рухомий блок лежить у канатній передачі й тримається на канаті. Кожна з двох частин каната, які охоплюють рухомий блок, бере на себе 50 % сили.

Рухомий блок - важлива частина поліспастів. Завдяки рухомому блоку зменшується модуль сили, яку треба прикласти. У побуті поліспасти можна побачити насамперед у будівельних кранах і лебідках.

Інша інформація (1/2)

Попередні знання

Учні мають володіти попередніми знаннями про рухомий блок.

Принцип

Треба дослідити, які переваги дає рухомий 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 рухомий блок.

Завдання

Завдання цього досліду полягає в тому, щоб учні виміряли, записали й порівняли силу тяжіння , потрібну для виконання роботи піднімання силу , а також пройдені шляхи (динамометр) і (тримач для тягарців) та відкрили зв'язок між силами і шляхами.

Правила безпеки

Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.

Теорія

Рухомий блок лежить у канатній передачі й тримається на канаті. Рухомим блоком зменшують модуль сили, яку треба прикласти, бо сила з боку вантажу розподіляється на два канати:

Натомість шлях тяги збільшується вдвічі:

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	Гачок на магнітному тримачі	02151-03	1
4	Торсійний динамометр, 2 Н/4 Н	03069-03	2
5	Масштабна лінійка для демонстраційної дошки	02153-00	1
6	Стрілка для демонстраційної дошки, 4 шт.	02154-01	1
7	Тримач для прорізних тягарців	02204-01	1
8	Прорізний тягарець, сріблясте бронзування, 50 г	02206-03	1
9	Прорізний тягарець, сріблясте бронзування, 50 г	02206-03	1
10	Блок рухомий, d = 65 мм, з вантажним гаком	02262-00	1
11	Блок, рухомий, d=40 мм, з гаком	03970-00	1
12	Стрижень для блоку	02263-00	1
13	Волосінь на котушці, d = 0,5 мм, 100 м	02090-00	1
14	Лабораторний маркер, змивний, чорний	46402-01	1
15	Струбцина	02014-01	2

Складання та виконання

Складання 1

Постав динамометр на демонстраційну дошку і виміряй силу тяжіння для тримача, навантаженого трьома прорізними тягарцями 50 г, разом із блоком d = 65 мм, і запиши .
Постав так само й другий динамометр, зроби шнур завдовжки близько 60 см із двома петлями і склади установку відповідно до рис. 2.

Рис. 2

Виконання 1

Виміряй і запиши сили .
Порівняй з .

Рис. 3

Складання 2

Розмісти гачок на магнітному тримачі біля верхнього краю демонстраційної дошки і склади установку відповідно до рис. 4 так, щоб навантажений тримач для тягарців трохи виступав за нижній край дошки, а динамометр стояв якомога нижче.
Познач червоною стрілкою положення гачка тримача для тягарців, а синьою стрілкою - положення гачка на тяговому шнурі динамометра.

Рис. 4

Виконання 2

Повільно й рівномірно рухай динамометр вертикально вгору якомога вище; стеж при цьому за відхиленням динамометра і виміряй силу , потрібну для виконання роботи піднімання; запиши .
Познач стрілками відповідних кольорів теперішнє положення гачка тримача для тягарців і гачка на динамометрі.
Виміряй і запиши пройдені шляхи (динамометр) і (тримач для тягарців).

Рис. 5

Складання 3

Доповни установку досліду 2: постав муфту на магнітному тримачі на демонстраційну дошку, проведи шнур через блок d = 40 мм і тримай цей блок стрижнем у муфті (рис.6)

Рис. 6

Виконання 3

Кілька разів рівномірно рухай динамометр униз і вимірюй при цьому силу тяги ; запиши .
Рухай динамометр і в інших напрямках; стеж при цьому за і запиши спостереження.

Рис. 7

Протокол

Спостереження та опрацювання результатів 1

Спостереження 1

; ;

Опрацювання результатів 1

На рухомому блоці рівновага настає, коли сила тяги удвічі менша за силу - силу тяжіння для блока і підвішеного на ньому вантажу

Адже сила, потрібна для піднімання вантажу, розподіляється на 2 відрізки каната.

Спостереження та опрацювання результатів 2 (1/3)

Спостереження 2

; ;

Опрацювання результатів 2

Порівняння шляхів дає:

Під час виконання роботи за допомогою рухомого блока шлях 51', який проходить точка прикладання сили тяги , удвічі більший за шлях s2, на який при цьому переміщується вантаж.

Для механічної роботи справджується:

Спостереження та опрацювання результатів 2 (2/3)

витрачена робота:

виконана робота

Витрачена робота трохи більша за виконану. Це спричинено силою тертя, яка виникає на осі рухомого блока під час руху.

З доброю точністю, особливо коли блок закріплено так, що тертя мале, справджується:

або

тобто

Застосування рухомого блока має ту перевагу, що для виконання механічної роботи потрібна лише половина сили. Натомість доводиться змиритися з удвічі більшим шляхом сили. Це окремий випадок золотого правила механіки: виконана робота = витрачена робота, яке з доброю точністю справджується для процесів із малим тертям.

Спостереження та опрацювання результатів 2 (3/3)

тобто

Спостереження та опрацювання результатів 3

Спостереження 3

Спостереження: завжди однакова, байдуже, у якому напрямку тягнуть.

Опрацювання результатів 3

Тепер під час виконання роботи піднімання треба долати ще й силу тертя на другому блоці. Тому робота, яку треба витратити, ще трохи більша, ніж у досліді 2. Проте додатково приладнаний нерухомий блок дає істотну на практиці перевагу: роботу піднімання з рухомим блоком можна виконувати зручніше.

Зауваження

Дослід 3 не потрібен для опрацювання законів, які справджуються для рухомого блока. Але він наближає дослідження застосування рухомого блока до практики.

Він також придатний як перехід до розгляду поліспастів.

Завдання

Питання

На кресленні (рис. 8 ) зображено поліспаст.

Яку силу треба прикласти, щоб підняти відро з водою, вага якого P = 50Н?

15 N
30 N
25 N