Простые механизмы и их применение

Учреждение «ШКОЛА №11 ГОРОДА Белогорск»

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

на тему

«ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ»

Работа ученика 8 класса

Рубанченко Глеба Евгеньевича

Руководитель проекта

Ермоленко Татьяна Ивановна

ПАСПОРТ ПОРЕКТА

Название проекта: «простые механизмы»

Руководитель проекта: Ермоленко Татьяна Ивановна

Автор проекта: Рубанченко Глеб Евгеньевич

Учебная дисциплина: физика

Тип проекта: ?

Цель проекта: узнать о практическом применении простых механизмов в технике

Задачи работы:

-провести анализ литературы по данной теме

-изучить действие простых механизмов

-выяснить какие силы действуют в простых механизмах

-систематизировать материал, полученный из различных источников о применении простых механизмов

Вопрос проекта: как применяются простые механизмы

Содержание
1. Введение
o Актуальность проекта
o Цель и задачи
o Гипотеза
2. Теоретическая часть
o Понятие и виды простых механизмов
▪ Рычаг
▪ Наклонная плоскость
▪ Блок
▪ Ворот
▪ Клин
▪ Винт
o Золотое правило механики
o История и принцип действия катапульт
3. Практическая часть: Создание модели
катапульты
o Выбор типа катапульты
(рычажная/тенсионная)
o Материалы и инструменты
o Пошаговая инструкция по сборке
o Чертежи и схемы модели
o Экспериментальное исследование
o План эксперимента
o Серия 1: Зависимость дальности полета
от угла запуска
o Серия 2: Зависимость дальности полета от силы натяжения (начальной скорости)
o Таблицы измерений и графики
o Анализ результатов и физическое
объяснение
o Заключение и выводы
o Подтверждение гипотезы
o Основные выводы
o Практическое применение знаний о
простых механизмах

Введение
Актуальность: Изучение простых механизмов является фундаментальной
основой всей механики. Эти устройства, известные since antiquity,
позволяют преобразовывать величину и направление приложенной силы,
что делает работу человека более эффективной. Катапульта – это
наглядный и исторически значимый пример сложного устройства, целиком
построенного на комбинации простых механизмов. Исследование ее
работы позволяет не только углубить теоретические знания, но и развить
практические инженерные навыки.
Цель проекта: Исследовать принципы действия простых механизмов на
практике путем создания рабочей модели катапульты и изучения факторов,
влияющих на ее дальность стрельбы.
Задачи:
1. Изучить теоретические основы простых механизмов.
2. Сконструировать и собрать действующую модель рычажной
катапульты из подручных материалов.
3. Провести серию экспериментов для установления зависимости
дальности полета «снаряда» от угла запуска и силы натяжения.
4. Проанализировать результаты экспериментов с точки зрения законов
физики.
5. Сформулировать выводы.
Гипотеза: Можно предположить, что дальность полета снаряда,
выпущенного из самодельной катапульты, будет зависеть от угла запуска и
приложенной силы по закону, аналогичному закону движения тела,
брошенного под углом к горизонту. Максимальная дальность должна
достигаться при угле запуска, близком к 45°.

Теоретическая часть
1. Простые механизмы
Простые механизмы – это устройства, служащие для преобразования силы.
Они не дают выигрыша в работе (согласно Золотому правилу механики), но
позволяют получить выигрыш в силе или расстоянии, изменить
направление действия силы.
• Рычаг – твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной
опоры. Имеет два плеча: длинное и короткое. Выигрыш в силе
определяется отношением длин плеч: F1 / F2 = l2 / l1. В катапульте
рычаг является основным элементом, преобразующим медленное
усилие на коротком плече (где прикладывается сила) в быстрое
движение на длинном плече (где расположена ложка для снаряда).
o Рисунок: схема рычага с обозначением силы, опоры и нагрузки.
• Наклонная плоскость – плоскость, установленная под углом к
горизонтальной поверхности. Позволяет поднять груз с меньшей
силой, но на большее расстояние. Может использоваться в
механизме натяжения катапульты.
• Блок – колесо с желобом, по которому пропускают веревку.
Неподвижный блок выигрыша в силе не дает, но меняет ее
направление. Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза.
• Ворот – два колеса, соединенные вместе и вращающиеся вокруг
одной оси (например, колодец). Дает выигрыш в силе.
• Клин и Винт являются разновидностями наклонной плоскости.

2. Золотое правило механики: Во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз
проигрываем в расстоянии. Совершаемая
работа при этом остается неизменной (если
не учитывать трение): A = F1 * S1 = F2 * S2.
3. Катапульта: Исторически – метательная
машина для разрушения стен или
поражения противника на расстоянии. В
нашем проекте мы
рассматриваем рычажную катапульту
(требушет), где энергия для броска
запасается в поднятом грузе (сила тяжести)
или в упругом деформированном элементе
(эластичный жгут, пружина – это уже более
современный аналог). Основной простой
механизм в ней – рычаг.

Экспериментальное исследование
План эксперимента:
1. Используем снаряды постоянной массы (например, шарики из
скомканной бумаги или пластилина одинакового веса).
2. Серия 1: Фиксируем силу натяжения (оттягиваем рычаг на
одинаковое расстояние, например, на 90° к основанию). Меняем угол
установки ложки (а значит, и угол вылета снаряда). Замеряем
дальность полета (S) для углов 30°, 45°, 60°, 75°.
3. Серия 2: Фиксируем угол запуска (например, 45°). Меняем силу
натяжения (оттягиваем рычаг на разные углы: 45°, 90°, 135°).
Замеряем дальность полета.
4. Каждый опыт повторяем 3 раза для усреднения результата.

средняя дальность Sср.
Анализ результатов:
• Из Графика 1 видно, что максимальная дальность полета
достигается при угле, близком к 45°. Это полностью
согласуется с теорией движения тела, брошенного под углом
к горизонту, где максимальная дальность полета
действительно достигается при α=45° (в безвоздушном
пространстве). Небольшие отклонения могут быть
объяснены сопротивлением воздуха и погрешностями
эксперимента.
• График 2 показывает, что с увеличением угла натяжения (а
значит, и силы натяжения резинового жгута, которая
сообщает снаряду начальную скорость v₀) дальность полета
увеличивается. Это также соответствует физической формуле
зависимости дальности от начальной скорости: S = (v₀² *
sin(2α)) / g. Дальность полета
пропорциональна квадрату начальной скорости.

Наклонная плоскость как простой механизм

С точки зрения физики, наклонная плоскость позволяет поднимать грузы с приложением меньшей силы, чем если бы мы поднимали его вертикально. Однако за это приходится «платить» тем, что действовать этой силой нужно на большем расстоянии.

• Принцип работы: Чтобы поднять груз на высоту h, мы можем использовать силу, меньшую, чем вес груза (F < P), но пройти при этом путь L, который длиннее, чем высота h (L > h).

• Выигрыш в силе: Чем меньше угол наклона тем меньше усилия для подъёма груза

Историческая справка: В Египте все пирамиды строились с помощью рабов а огромные кирпичи затаскивали на высоту с помощью наклонной поверхности.

Неподвижный блок

• Устройство: Ось блока закреплена жёстко (например, на балке или потолке). Блок вращается, но не движется в пространстве.

• Принцип действия: Он не даёт выигрыша в силе. Сила, которую вы прикладываете (F), равна весу груза (P), то есть F = P.

• Зачем нужен? Неподвижный блок меняет направление действия силы. Удобнее тянуть верёвку вниз, чтобы поднять груз вверх, чем тянуть верёвку вверх.

Классический пример: Поднимает флаг

• Историческая справка: Римляне, будучи великими инженерами, усовершенствовали применение блоков в строительстве (краны для возведения акведуков, храмов и амфитеатров) и в военном деле (осадные машины, катапульты).

Рычаг

Рычаг — это твёрдое тело (балка, доска, стержень), которое может вращаться вокруг неподвижной точки опоры.

Главная задача рычага — получить выигрыш в силе. С его помощью можно небольшой силой поднять или сдвинуть очень тяжелый предмет. Классический пример — палка, помогающая приподнять тяжелый камень.

Где используется рычаг: Лом или гвоздодер, качели, плоскозубцы, ножницы.

Историческая справка: Древняя Греция и Рим

Строительство храмов, акведуков, амфитеатров: Греки и римляне использовали более сложные краны, работавшие на принципе рычага.

Заключение и выводы
В ходе выполнения проекта была достигнута поставленная цель: путем
создания и исследования модели катапульты были изучены принципы
действия простых механизмов.
Выводы:
1. Катапульта является комбинированным устройством, основным
элементом которого является рычаг.
2. Резиновый жгут в конструкции служит для накопления и передачи
энергии рычагу, что является аналогом действия силы упругости.
3. Проведенные эксперименты подтвердили гипотезу:
o Дальность полета снаряда зависит от угла запуска и достигает
максимума при угле, близком к 45°.
o Дальность полета напрямую зависит от приложенной силы
(силы натяжения жгута): чем больше сила, тем больше
начальная скорость и, следовательно, дальность.
4. Результаты экспериментов качественно согласуются с теоретическими
законами механики: кинематикой движения тела, брошенного под
углом к горизонту.
Практическое применение: Знания о простых механизмах используются
повсеместно: от простейших инструментов (ножницы, плоскогубцы, тачка)
до сложных инженерных систем (краны, лифты, трансмиссии
автомобилей). Данный проект наглядно показывает, как теоретические
знания по физике могут быть применены для создания работающих
механизмов и предсказания их поведения.

Список литературы

1. Перышкин А.В. «Физика. 7 класс». – М.: Дрофа, 2019. – §§ 55-62.

2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. «Физика: Учебник для 9 класса». – М.: Просвещение.

3. Элементарный учебник физики / Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 1. – М.: Физматлит.

4. Интернет-ресурс: «Как работает катапульта» – Википедия.

5. Интернет-ресурс: «Simple Machines» – Khan Academy.