Путь к познанию

Рычаг и его удивительные свойства

Введение

Актуальность проблемы

Рычаги окружают нас и дома и в природе. С помощью рычага мы можем во многом облегчить свою жизнь. Они применялись и много лет назад, и сейчас наш мир не представляется без рычага.

Что такое рычаг? Рычаг — простейший механизм, представляющий собой твердое тело, которое может вращаться  вокруг точки опоры. У рычага есть два плеча. Плечо — это расстояние от точки опоры до прямой, вдоль которой на рычаг действует сила.

Человек использует рычаг как простейший механизм еще с тех давних времен, когда взял в руки палку-копалку. Без применения рычагов не могли быть построены огромные здания древних цивилизаций. Ведь, например, для возведения пирамиды Хеопса, имеющей высоту 147 м, было использовано более двух миллионов каменных глыб, самая меньшая из которых имела массу      2,5 т!

Но первое письменное объяснение рычагу дал в III веке до н. э. Архимед, связав понятия силы, груза и плеча. Закон равновесия, сформулированный им, используется до сих пор.

Легенда рассказывает, что построенный Гиероном в подарок египетскому царю Птолемею тяжёлый многопалубный корабль «Сиракузия» никак не удавалось спустить на воду. Архимед соорудил систему рычагов, с помощью которой он смог проделать эту работу одним движением руки. По легенде, Архимед заявил при этом: «Будь в моём распоряжении другая Земля, на которую можно было бы встать, я сдвинул бы с места нашу» (в другом варианте: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир» или «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю»).
          И всё же Архимед преувеличил возможности человека. Если бы Архимед знал, как огромна масса Земного шара, то он, вероятно, воздержался бы от приписываемого ему легендой восклицания. Ведь для перемещения Земли всего на 1 см руке Архимеду пришлось бы проделать путь в 10¹⁸ км. Оказывается, чтобы сдвинуть Землю на миллиметр длинное плечо рычага должно быть больше короткого в 100 000 000 000 трл. раз! Конец этого плеча проделал бы путь в 1 000 000 трл. километров (примерно). А на такую дорогу человеку понадобилось бы много миллионов лет!..

Цель работы: изучить свойства рычагов, придумать новое применение рычагов, доказать, что рычаг очень важен в жизни человека.                      

Задачи: 1. Исследовать различные свойства рычагов.

2. Узнать, как люди используют рычаги.

3. Придумать свое собственное использование рычагов.

4. Выяснить, где я могу встретить рычаг в своей жизни и, как это облегчит мою жизнь.

Объект исследования: рычаг.

Предмет исследования: свойства рычага.

Область исследования: физика.

Гипотеза: рычаг – самый древний механизм, известный людям, но ему можно найти много новых применений. С помощью рычага я могу сделать свою жизнь гораздо проще!

Методы: "мозговой штурм", анализ, наблюдения, лабораторное исследование, самоанализ.

Рычаги в быту

Рычаги распространены в быту. Нам было бы гораздо сложнее открыть туго завинченный водопроводный кран, если бы у него не было ручки в 3-5 см, которая представляет собой маленький, но очень эффективный рычаг.

То же самое относится к гаечному ключу, которым мы откручиваем или закручиваем болт или гайку. Чем длиннее ключ, тем легче нам будет открутить эту гайку, или наоборот, тем туже мы сможем её затянуть.
      При работе с особо крупными и тяжелыми болтами и гайками, например при ремонте различных механизмов, автомобилей, станков, используют гаечные ключи с рукояткой до метра.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        Другой яркий пример рычага в повседневной жизни самая обычная дверь. Попробуйте открыть дверь, толкая её возле крепления петель. Дверь будет поддаваться очень тяжело. Но чем дальше от дверных петель будет располагаться точка приложения усилия, тем легче вам будет открыть дверь.

Опыт 1. Раскалывание ореха с помощью дверей

Как раздавить твердый орех? Однажды я захотел раздавить орех, но силы моих рук оказалось не достаточно. Папа рассказал мне, как в детстве он давил орехи при помощи двери. Я попробовал  раздавить орех таким способом, и оказалось, что достаточно одним пальцем подтолкнуть дверь – и орех раздавлен. Откуда взялась такая сила? Взрослые объяснили мне, что я применил дверь как рычаг. Что такое рычаг и почему он так увеличил мою силу? Какими еще свойствами обладает рычаг? Как используют рычаг люди? Как можно еще применить рычаг? Исследованию этих вопросов мы посвятили свой проект.

Обыкновенная палка стала  для человека рычагом – самым простым механизмом. Недаром  говорят, что, взяв в руки палку, обезьяна превратилась    в человека.

На  обычной палке  очень удобно вдвоем переносить груз.
Пользуясь ею, можно легко поднимать и передвигать тяжести.

Опыт 2. Переноска грузов

Приборы и материалы: палка, груз.

Этапы проведения опыта:

Взять не очень длинную палку, просунуть  ее под веревку и, пригласив на помощь товарища, приподнять вдвоем груз.

Если груз находится точно посередине, то каждый из нас будет нагружен одинаково. Но если сдвинуть груз к одному из концов палки, сразу все изменится. Более легким груз покажется тому, кто держит длинный конец.

Изменились плечи рычага, изменилось и соотношение сил, которые удерживают груз в поднятом положении. Руки каждого из нас являются опорой рычага, и если расстояние до груза будет меньшим, то нагрузка на эту точку опоры будет большей.

Лабораторные исследования

Также Архимед установил, что на тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная силе тяжести вытесненной этим телом жидкости (или газа). Сила называется силой Архимеда.

Опыт 3. Действие выталкивающей силы

Оборудование: рычаг-линейка, штатив, два одинаковых по объему, но разной массы цилиндра, два стакана с водой, нить.

Этапы проведения опыта

1. Уравновесить на рычаге два цилиндра одинакового объема, но разной массы.

2. Оба цилиндра одновременно погрузить в воду. 

3.                Объяснить результат опыта.

Объяснение: Равновесие нарушилось, так как силы Архимеда одинаковы, а плечи их разные.

Опыт 4. Действие выталкивающей силы

Оборудование: рычаг-линейка, штатив, два одинаковые по массе, но разные по объему тела, два стакана с водой, нить.

Этапы проведения опыта

1.                Уравновесить на рычаге два тела равной массы, но разного объема.

2.                Оба тела одновременно погрузить в воду.

1.                Объяснить результат опыта.

Объяснение: Равновесие нарушилось, так как на тела будут действовать разные силы Архимеда в воде, а плечи у них равны.

Опыт 5. Определение массы гайки без весов

Оборудование: рычаг-линейка, штатив, гайка, гиря массой 50 г, нить.

Этапы проведения опыта

1.                Уравновесить на рычаге гайку и гирю.

2.                Измерить плечи сил.

3.                Записать условие равновесия рычага: F₁l₁=F₂l₂ или m₁gl₁ = m₂gl₂, где     m₁g – вес гири,  m₂g – вес гайки.

4.                Рассчитать массу гайки: m₂=m₁l₁/l₂.

 

Тело человека как рычаг

К примеру, скелет и опорно-двигательная система человека или любого животного состоит из десятков и сотен рычагов. Взглянем на локтевой сустав. Лучевая и плечевая кости соединятся вместе хрящом, к ним так же присоединяются мышцы бицепса и трицепса. Вот мы и получаем простейший механизм рычага.

Если вы держите в руке гантель весом в 3 кг, какое усилие при этом развивает ваша мышца? Место соединения кости и мышцы делит кость в соотношении 1 к 8, следовательно, мышца развивает усилие в 24 кг! Получается, мы сильнее самих себя. Но рычажная система нашего скелета не позволяет нам в полной мере использовать нашу силу.

Опыт 6. Сколько силы в пальцах?

Оборудование: две круглые зубочистки.

Этапы проведения опыта

1.                Положить зубочистку серединой на средний палец (ближе к ногтю), а на концы — указательный и безымянный.
2. Попытаться  сломать зубочистку, надавив на нее указательным и безымянным пальцами.

3.                Передвинуть зубочистку на середину пальца.

4.                Снова попытаться сломать зубочистку.

5.                Объяснить результаты опыта.

Объяснение: Когда зубочистка находилась на кончиках пальцев, сломать ее было почти невозможно. Почему? Наши пальцы выполнили роль рычага второго рода, похожего на щипцы для колки орехов. Точка опоры находится там, где начинаются пальцы. Чем дальше от точки опоры находится зубочистка, тем больше силы нужно приложить.

Таким образом, мы можем убедиться в том, что механизм рычага очень широко распространен как в природе, так и в нашем повседневном быту, и в различных механизмах.

Рычаги в технике

Естественно, рычаги так же повсеместно распространены и в технике. Самый очевидный пример – рычаг переключения коробки передач в автомобиле. Короткое плечо рычага – та его часть, что мы видим в салоне.

Длинное плечо рычага скрыто под днищем автомобиля, и длиннее короткого примерно в два раза. Когда переставлять рычаг из одного положения в другое, длинное плечо в коробке передач переключает соответствующие механизмы.

Здесь так же очень наглядно можно увидеть, как длина плеча рычага, диапазон его хода и сила, необходимая для его сдвига, соотносятся друг с другом.
Например, в легковых автомобилях, для более быстрого переключения передач, рычаг обычно устанавливают короткий, и диапазон его хода так же делают коротким.

Однако, в этом случае водителю необходимо прилагать больше усилий, чтобы переключить передачу. Напротив, в большегрузных автомобилях, где механизмы сами по себе тяжелее, рычаг делают длиннее, и диапазон его хода так же длиннее, чем в легковом автомобиле.

       

Таким образом, мы можем убедиться в том, что механизм рычага очень широко распространен как в природе, так и в нашем повседневном быту, и в  различных механизмах.

Выводы

·                   Рычаг – это простейший механизм, с помощью которого можно преобразовывать силу и перемещение.

·                   Рычаг работает даже в нашем организме, например, рука это рычаг.

·                   После работы над проектом я теперь знаю, где можно применить рычаг и как лучше его применять.

·                   Рычаги можно рассчитать математически. Даже если человеку объяснить, что такое рычаг, он эти знания применяет не всегда. Нужен опыт и привычка. Изобретателям нужно самим предусмотреть применение рычагов, чтобы людям не нужно было об этом задумываться.
      Существует множество других простых механизмов: блок, ворот. В перспективе нам хотелось бы исследовать их свойства тоже. 

Литература:

1. Занимательная физика/ Я.И.Перельман. – М.: АСТ: Астрель, 2005. – 473, [7] с.: ил.

2. Книга для чтения по физике: учебное пособие для учащихся 6-7 классов средней школы / Составитель И.Г.Кириллова. – 2-е изд., переработанное – М.: Просвещение, 1986. – 207 с., ил.

3. Фізіка : падручнік для 7-га класа агульнаадукацыйных устаноў з беларускай мовай навучання / Л.А. Ісачанкава, Ю.Дз. Ляшчынскі; пад рэд. Л.А.Ісачанкавай; пер. З рус. Мовы Т.Р. Сяржант. – Мінск: Нар. асвета, 2009. – 181 с.: іл.

4. Опыты и экспериментальные задачи по физике: 7-8 классы: Пособие для учащихся общеобразовательных школ / Л.А.Исаченкова, В.В.Дорофейчик, А.В.Федотенко, А.Л.Валевич. – Мн.: «Аверсэв», 2002. – 95 с. – (Школьникам, абитуриентам, учащимся).

5. Календарь юного физика 2007–2008 / авторы-составители Е.Н.Володько [и др.]. – Минск: Белорусская ассоциация «Конкурс», 2007. – 128 с.: ил.

6. http:// ru.wikipedia.org/wiki/