Загальна інформація
Застосування
Поліспаст - це машина, яка зменшує модуль сили, потрібної, наприклад, для переміщення вантажів. Поліспаст складається з нерухомих і рухомих блоків та каната.
Поліспаст здатний істотно зменшити модуль потрібної сили, тому його часто вживають як частину більшого механізму, наприклад крана.
Рис. 1: схема досліду
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учням потрібні попередні знання про поліспаст. Необхідно, щоб учні вже були знайомі з основами нерухомих і рухомих блоків.
Принцип
Треба дослідити, які переваги дає поліспаст під час виконання механічної роботи і які зв'язки існують між силами і шляхами залежно від кількості несучих відрізків каната.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
У цьому досліді учні мають на прикладі зрозуміти принцип і роботу поліспаста. Учні мають зрозуміти, чому застосування поліспастів істотно зменшує потрібну силу.
Завдання
Учні мають виміряти, записати й порівняти силу тяжіння , силу тяги , шлях тяги і шлях вантажу . Насамкінець учні можуть зробити висновок про зв'язки між силами і шляхами залежно від кількості несучих відрізків каната.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія (1/2)
Поліспаст - це машина, яка зменшує модуль сили, потрібної, наприклад, для переміщення вантажів. Поліспаст складається з нерухомих і рухомих блоків та каната.
Існує закон поліспаста:
1.
2.
3. Для поліспастів, як і для всіх пристроїв, що перетворюють силу, справджується золоте правило механіки: що виграєш у силі, те програєш у шляху.
Теорія (2/2)
= сила тяги; ( F_L \) = сила з боку вантажу
= шлях тяги; ( s_L \) = шлях вантажу
= робота, яку треба витратити; = робота над вантажем
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 | Стрижень для блоку | 02263-00 | 1 |
| 10 | Поліспаст із 4 блоками | 02265-00 | 1 |
| 11 | Лабораторний маркер, змивний, чорний | 46402-01 | 1 |
| 12 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
Складання та виконання
Складання та виконання (1/2)
- Навантаж тримач для тягарців трьома прорізними тягарцями 50 г.
- Постав динамометр на демонстраційну дошку і визнач силу тяжіння для навантаженого тримача разом з обоймою з 2 блоками; запиши F2 (1)
- Постав муфту на магнітному тримачі зі стрижнем для блока на демонстраційну дошку вгорі ліворуч.
- Перекинь шнур для поліспаста через блоки і склади установку відповідно до рис. 2 (довжина шнура з двома петлями - близько 160 см); порівняй з (2)
Рис. 2: схема досліду
Складання та виконання (2/2)
- Познач стрілками різних кольорів положення тримача для тягарців (найвища точка гачка) і динамометра (гачок тягового шнура - пор. рис. 2).
- Повільно й рівномірно рухай динамометр у напрямку правого нижнього кута демонстраційної дошки; виміряй і запиши силу. (3)
- Познач стрілками відповідних кольорів теперішнє положення гачка тримача для тягарців і гачка на тяговому шнурі.
- Накресли на демонстраційній дошці шлях (висоту піднімання) для вантажу і шлях сили ; виміряй і запиши і (3)
- Піднімай динамометр кілька разів і виконуй роботу піднімання силами різного напрямку; стеж при цьому за динамометром і запиши спостереження. (4)
Протокол
Спостереження
(1)
(2)
(3)
(4) завжди має те саме значення 0,47 Н.
Опрацювання результатів (1/3)
На поліспасті з 4 блоками рівновага настає, коли сила тяги становить 1/4 сили тяжіння для вантажу:
.
Адже сила тяжіння для вантажу розподіляється на 4 несучі відрізки каната, бо поліспаст має 2 рухомі блоки.
Для одного рухомого блока умову рівноваги
.
уже знайдено. За 3 використаних рухомих блоків
.
Опрацювання результатів (2/3)
справджувалося б, а за n рухомих блоків
.
У поліспасті все залежить від кількості несучих відрізків каната!
Під час виконання механічної роботи (у досліді - роботи піднімання) має бути більшою, ніж потрібно для рівноваги, бо під час руху сила тяги має ще й компенсувати сили тертя, які завжди виникають в опорах блоків.
Вимірювання дають, крім того:
.
Опрацювання результатів (3/3)
Для роботи справджується:
витрачена робота ,
виконана робота .
Витрачена робота W1 трохи більша за виконану роботу .
Якщо силу тертя вдається зробити знехтовно малою порівняно з рештою, справджується:
або
Підсумовуючи, для поліспаста з 2 рухомими блоками справджується: потрібна сила тяги становить 1/4 сили тяжіння для вантажу; натомість шлях сили вчетверо більший за шлях вантажу (висоту піднімання). Поліспастом не можна заощадити роботу, але можна істотно полегшити виконання механічної роботи, тим паче що байдуже, у якому напрямку діє сила тяги.
Зауваження
Рис. 3
Треба чітко наголосити, що для сили, яку треба прикласти на поліспасті, вирішальною є не кількість блоків, а кількість несучих відрізків каната. На рис. 3 показано, як це можна - за потреби й дослідно - унаочнити далі: на тому самому поліспасті може справджуватися або чи - залежно від того, чи обрано запасування каната за випадком a), b) чи c).
Якщо є поліспаст із 6 блоками (артикул 02264-00), то можна додатково продемонструвати, що за 3 рухомих блоків із 6 несучими канатами справджується .
Завдання
Рис. 4
Питання
Дано .
Скільки тут рухомих блоків (n)? Чи можеш ти ще й обчислити ?
Питання