Загальна інформація
Застосування
Коловорот - проста механічна машина. Він є перетворювачем сили. Коловороти складаються з вала й закріпленого на ньому колеса. Коловоротом за допомогою тягових елементів можна піднімати важкі вантажі.
Раніше коловороти часто застосовували, щоб піднімати воду з колодязів на поверхню або підіймати важкі вантажі кранами.
Рис. 1: установка досліду
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учням потрібні попередні знання про «коловороти». Учні мають знати, за яких умов на коловороті настає рівновага.
Принцип
Слід дослідити, за яких умов на коловороті настає рівновага. Крім того, слід дослідити, які зв'язки існують між силами, шляхами і радіусами на коловороті.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
На цьому досліді учні мають на прикладі зрозуміти, як побудований і як працює коловорот.
Завдання
Учні мають виміряти, записати й порівняти силу тяжіння , силу тяги , радіуси малого колеса () і великого колеса (), шлях тяги () і шлях вантажу (). Наприкінці учні мають виявити зв'язки між силами, шляхами і радіусами на коловороті.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Коловорот - проста механічна машина. Він є перетворювачем сили. Коловороти складаються з вала й закріпленого на ньому колеса. Коловоротом за допомогою тягових елементів можна піднімати важкі вантажі.
Умова рівноваги для коловорота має вигляд:
= радіус великого колеса ; = радіус малого колеса
= сила тяги великого колеса ; = сила тяги малого колеса
Так виглядає умова рівноваги для коловорота з двома прикладеними силами, коли сили і спричиняють обертання у протилежних напрямках.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Вал на магнітному тримачі | 02151-04 | 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 | Ступінчасте колесо | 02360-00 | 1 |
| 10 | Волосінь на котушці, d = 0,5 мм, 100 м | 02090-00 | 1 |
| 11 | Лабораторний маркер, змивний, чорний | 46402-01 | 1 |
| 12 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
Складання та виконання
Складання
Рис. 2
- Зроби на двох шнурах завдовжки приблизно 50 см і 40 см петлі й заведи їх по обводу великого та малого колеса коловорота (ступінчастого колеса).
- Насади вал на магнітний тримач у верхній частині демонстраційної дошки.
- Викрути вал із різьбового отвору, насади обидва шківи й знову міцно закрути вал; потім міцно з'єднай корбою обидва шківи в одне ступінчасте колесо.
- Навантаж тримач тягарців трьома прорізними тягарцями по 50 г.
Виконання (1/2)
Рис. 3
- Постав динамометр на демонстраційну дошку й виміряй силу тяжіння для навантаженого тримача тягарців; запиши (1)
- Склади установку відповідно до рис. 2; підвісь тримач тягарців на шнур, намотаний на мале колесо.
- Виміряй силу , потрібну для рівноваги на коловороті; запиши і під (2)
- Виміряй плечі сил і , що відповідають і (або повідом їх), і теж внеси їх до протоколу.
- Познач положення тримача тягарців і гачка тягового шнура динамометра стрілками різного кольору.
Виконання (2/2)
Рис. 4
- Повільно й рівномірно переміщуй динамометр навскіс униз (наприклад, на 45 см); стеж при цьому за відхиленням динамометра й запиши потрібну силу тяги , а також під (3).
- Познач теперішнє положення тримача тягарців і гачка тягового шнура динамометра стрілками відповідних кольорів.
- Накресли й виміряй на демонстраційній дошці шлях (висоту підіймання) вантажу, а також шлях сили і запиши виміряні значення під (3)
Протокол
Спостереження (1/2)
| мале колесо | велике колесо |
1.
2. Таблиця 1
3. Таблиця 2
Таблиця 1
Спостереження (2/2)
| мале колесо | велике колесо |
Табл. 2
Опрацювання результатів (1/2)
На коловороті настає рівновага, коли обертальний момент за годинниковою стрілкою і момент проти годинникової стрілки однакові за величиною (пор. таблицю 1, останній рядок):
.
або ж сили відносяться обернено до радіусів:
Якщо за допомогою коловорота виконують механічну роботу, то сила, яку треба прикласти, менша за силу, яку треба подолати, у стільки разів, у скільки радіуси відрізняються один від одного - у досліді це сила тяжіння вантажу, над яким виконують роботу підіймання.
Опрацювання результатів (2/2)
З (3) видно, що витрачена робота дещо більша за виконану роботу . Причина - тертя в підшипнику ролика, яке на практиці завжди виникає під час руху.
Якщо тертя вдається зробити знехтувано малим, справджується:
Коловоротом - як і іншими пристроями, що перетворюють силу, - роботи не заощадиш; але виконувати роботу коловорот на практиці істотно полегшує.
Зауваження
У літературі коловорот називають також ступінчастим роликом або ступінчастим колесом. Застосування коловорота раніше часто можна було спостерігати в побуті: у сільських колодязях, на поромах, у різного роду лебідках ланцюги або троси намотують на вал, обертаючи маховик, діаметр якого значно більший за діаметр вала.
Розглядаючи коловорот, не можна забувати, що учні мають труднощі в навчанні через однакову одиницю моменту сили й роботи (Нм або Нсм). Це варто врахувати, плануючи урок.
Завдання
Питання
Питання
Рис. 5