Как сделать неподвижный блок

Обновлено: 08.07.2024

Мы называем рычагом любое твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры. Одной из разновидностей рычага является такой простой механизм как блок.

Блок представляет собой собой колесо (диск) с желобом, укрепленное в обойме.

По желобу блока пропускают трос, цепь или веревку. Если блок — это разновидность рычага, то применим ли к нему закон равновесия ($\frac = \frac$)?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, в данном уроке мы более подробно изучим устройство блока. Блоки бывают двух видов: подвижный и неподвижный. Рассмотрим принцип работы каждого из них.

Неподвижный блок

Неподвижный блок — это блок, ось которого закреплена и при подъеме груза не поднимается и не опускается.

Неподвижный блок изображен на рисунке 1.

Рисунок 1. Неподвижный блок.

Неподвижный блок — это равноплечий рычаг. Плечи рычага в данном случае — отрезки OA и OB. Они равны радиусу колеса блока: $OA = OB = l_1 = r$.

Как вы знаете, такой блок не даст выигрыш в силе: $F_1 = F_2$. Его используют для того, чтобы поменять направление действия силы.

Если поднимать груз без использования блока, мы будем использовать только силу наших мышц. Если мы используем блок, то тогда мы можем тянуть за веревку вниз, использую и силу наших мышц, и вес своего тела. Таким образом поднять груз намного легче.

Подвижный блок

Подвижный блок — это блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом.

Подвижный блок изображен на рисунке 2.

Рисунок 2. Подвижный блок.

В данном случае точка опоры O будет находиться не в центре колеса, а на его окружности. Мы действуем на блок с силой $F_1$, а груз — с силой $F_2$. Плечо силы $F_1$ — отрезок OB ($l_1$), плечо силы $F_2$ — отрезок OA ($l_2$). Из рисунка мы видим, что плечо OB будет в 2 раза больше плеча OA: $OB = 2r = 2OA$ или $l_1 = 2l_2$. Применим правило равновесия рычага:

Выразим силу $F_1$:

При использовании блока для подъема груза, сила $F_2$, с которой груз действует на блок, будет равна его весу $P$. Силу $F_1$ теперь можем обозначить просто $F$ без индекса.

Тогда наше выражение примет следующий вид:

$F = \frac$,

Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза.

Применение комбинаций блоков

На практике часто применяют комбинацию (систему) неподвижного и подвижного блоков (рисунок 3). Такая комбинация называется полиспастом блоков.

Рисунок 3. Комбинации подвижного и неподвижного блоков.

При таком варианте использования блоков мы также получаем выигрыш в силе в 2 раза. Обеспечивает его подвижный блок. С помощью неподвижного блока изменяем направление силы. Он позволяет занять нам более удобное положение — так мы можем поднимать груз, стоя на земле.

На практике полиспаст является частью механизма подъема у подъемных кранов (рисунок 4).

Рисунок 4. Крюковой подвес с полиспастом.

Альпинисты используют систему блоков для натяжения перил и переправ, а также для подъема пострадавших из ущелий, трещин и др. (рисунок 5).

Блоки и системы блоков были известны человечеству с античных времен. Они служили для подъема грузов на высоту или перемещения грузов. Блоки выполняют важную задачу — изменяют направление действия силы и дают выигрыш в силе.

Блок — это простой механизм, который используют для преобразования силы.

Различают подвижный и неподвижный блоки.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Неподвижный блок представляет собой диск, который вращается вокруг своей оси, и имеет желоб по окружности. Желоб предназначен для скольжения в нем цепи, ремня, каната и т.д. У неподвижного блока ось закреплена, и при подъеме грузов не поднимается и не опускается.

Неподвижный блок можно представить в виде равноплечего рычага, у которого плечи сил равны радиусу колеса. Поэтому неподвижный блок не дает выигрыша в силе, а лишь позволяет менять направление действия силы.

Подвижный блок представляет собой диск, ось которого перемещается вместе с грузом. Можно представить в виде рычага с плечами разной длины. Подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза и проигрыш в расстоянии так же в два раза. При использовании подвижного блока, нужно приложить в два раза меньше силы для подъема груза, но нить, к которой подвешен груз, должна быть в два раза длиннее.

Для увеличения эффективности используют системы блоков.

Объединив подвижные и неподвижные блоки в систему можно получить выигрыш в силе в несколько раз, а также изменить направление прикладываемой силы.

Устройство и принцип работы полиспаста

Полиспаст — это система блоков, в которой неподвижные и подвижные блоки соединены попарно и огибаются общей нитью (тросом, веревкой, цепью).

Полиспаст состоит из двух элементов:

Шкив — это блок, металлическое колесо, которое по внешнему краю имеет желоб для нити. Для легкого вращения шкива используют роликовые подшипники.
Гибкая связь — это нить (трос, цепь), которая огибает шкивы.

Как работает простая конструкция блоков

Принцип действия полиспаста основан на правиле рычага.

Неподвижный блок в полиспасте крепится к опоре и изменяет направление приложения силы, подвижный блок находится на стороне груза и дает выигрыш в силе. Массу груза поднимают, прилагая силу к нити, длина которой прямо пропорциональна выигрышу в силе.

Виды полиспастов

По предназначению полиспасты делятся на:

Силовые полиспасты — дают максимальный выигрыш в силе. Но выигрыш в силе дает проигрыш в расстоянии. Например, чтобы поднять груз и выиграть в силе в 6 раз, на каждый метр поднятия груза, нужно натянуть 6 метров веревки. Это замедляет действие системы, потеря в скорости также будет в 6 раз.
Скоростные полиспасты — инвертируемые силовые. Груз крепится к неподвижному блоку, а силу прилагают к подвижному. Затрачивается больше силы, и пропорционально увеличивается скорость поднятия груза.

На рисунке а) силовой полиспаст, б) скоростной.

В зависимости от сложности механизма, различаются:

Простой полиспаст — представляет собой систему последовательно соединенных роликов. Все подвижные и неподвижные блоки, а также сам груз объединяются одной нитью.
Сложный полиспаст — является системой полиспастов. Последовательно соединяются не отдельные блоки, а целые комбинации, которые вполне могут использоваться сами по себе. В этом случае один механизм приводит в движение другой подобный поочередно.
Отличительная черта комплексного полиспаста — независимые ролики, движущиеся навстречу грузу. В состав комплексной модели могут входить как простые, так и сложные полиспасты.

Что влияет на эффективность подъемника

Главной характеристикой эффективности полиспаста считается его кратность.

Кратность показывает на сколько ветвей нити распределена тяжесть груза, и указывает какой выигрыш в силе дает полиспаст.

Кратность делится на:

Силовую — рассчитывается с учетом преодоления нитью силы трения и не идеальным КПД роликов.
Кинетическую — равна количеству перегибов нити.

На эффективность полиспаста влияет:

количество блоков;
материал и вес нити;
диаметр и длина нити;
угол между канатом и средней плоскостью ролика;
тип подшипников;
отсутствие дефектов нити;
скольжение всех элементов.

Как можно увеличить КПД, формула в физике

Расчет полиспаста

При расчете полиспаста нужно учитывать, что на механизм действуют силы трения, а нить не является идеальной, и имеет жесткость.

Для расчета выводят уравнение моментов для блока относительно оси:

S_сбег — усилие со стороны сбегающей нити;
S_набег — усилие со стороны набегающей нити;
q S_набег — усилие для сгибания нити с учетом жесткости q;
Nf — сила трения в блоке, с учетом коэффициента трения f.

Для определения момента все силы умножаются на плече (R или r):

Вычисляя воздействие на ось блока, часто пренебрегают силой разгибания блока. Формула получает вид:

N — воздействие на ось блока;
α — угол отклонения от оси.

Подставив это соотношение в вышеприведенное определение моментов получим:

D — диаметр блока;
d — диаметр оси блока.

Вычисление КПД полиспаста

Коэффициент полезного действия блока (КПД блока) — это отношение полезной работы к полной работе с учетом потерь на трение и жесткости нити.

D — диаметр блока;
d — диаметр оси блока;
q — коэффициент жесткости нити;
f — коэффициент трения;
α — угол отклонения от оси.

КПД полиспаста определяется по формуле: $\eta б\;=\;\frac>a\times\eta^t $ Где:

У человека, работающего за компьютером, за день глаза 15-20 тыс. раз перефокусируются с экрана на бумагу и клавиатуру.

-->СТАТИСТИКА -->

-->МЫ ВКОНТАКТЕ -->

-->НЕМНОГО РЕКЛАМЫ -->

Наши спонсоры

Описание устройства

Блок - простой механизм, представляющий собой колесо с желобом по окружности для каната или цепи, способное свободно вращаться вокруг своей оси. Тем не менее, верёвка, переброшенная через древесную ветку тоже в какой-то степени является блоком.

Зачем же нужны блоки?

В зависимости от своей конструкции блоки могут позволить изменять направление приложенной силы (например, для того, чтобы поднять некий груз, подвешенный на верёвке, переброшенной через древесную ветку, необходимо тянуть другой конец верёвки вниз. или в сторону). При этом, данный блок не даст выигрыша в силе. Такие блоки называются неподвижными, так как ось вращения блока жёстко закреплена (конечно, если ветка не сломается). Такие блоки применяются для удобства. Например, при поднятии груза на высоту гораздо легче тянуть веревку с грузом перекинутую через блок вниз , прикладывая к ней вес своего тела, чем стоять наверху и подтягивать к себе груз с веревкой.

Кроме этого, существуют блоки, которые позволяют не только изменять направление приложенной силы, но и дают выигрыш в силе. Такой блок называется подвижным и он работает с точностью до наоборот нежели подвижный блок.

Для того, чтобы получить выигрыш в силе необходимо жёстко закрепить один конец верёвки (например привязать её к ветке). Далее на верёвку устанавливается колесо с желобом к которому и подвешивается груз (это необходимо сделать таким образом, чтобы колесо с грузом могло свободно ездить по нашей верёвке). Теперь, потянув за свободный конец верёвки вверх, мы увидим, что блок с грузом также начали подниматься.

Усилия, которые нам необходимо будет затратить для подъёма груза таким образом будут примерно в 2 раза меньше нежели вес груза вместе с блоком. К сожалений данный вид блока не позволяет изменять направление силы в широких пределах, поэтому его часто используют в паре с неподвижным (жёстко закреплённым) блоком.

Описание опыта

Вначале на видео происходит демонстрация принципа работы неподвижного блока: к жёстко закреплённому блоку подвешиваются грузы одинаковой массы, при этом блок находится в равновесии. Но стоит лишь подвесить один лишний грузик, как сразу же начинается перевес в большую сторону.

Далее, используя систему из подвижного и неподвижного блоков, мы пытаемся добиться состояния равновесия, подбирая оптимальное количество грузиков, подвешенных с обеих сторон. В итоге блок уравновешивается,когда количество грузиков, подвешенных к подвижному блоку, становиться в два раза больше, чем грузиков, подвешенных к свободному концу нити.

Таким образом можно сделать вывод, что подвижный блок даёт двукратный выигрыш в силе.

Это интересно

А вы знаете, что подвижные и неподвижные блоки широко используются в передаточных механизмах автомобилей? Кроме этого, блоки используются строителями для подъёма больших и малых грузов (ну или самих себя. Например, при ремонте внешних фасадов зданий, строители часто работают в люльке, которая может перемещаться между этажами. По завершении работы на этаже, рабочие достаточно быстро могут передвинуть люльку на этаж выше, используя при этом лишь собственную силу). Блоки получили такое широкое распространение из-за простоты их сборки и удобства работы с ними.

Блок состоит из закреплённого на оси диска, по окружности которого имеется жёлоб для скольжения в нём, к примеру, верёвки.

У неподвижного блока ось диска закреплена, в связи с чем во время подъёма груза диск только крутится вокруг своей оси. Выигрыш в силе (экономия силы) при таком виде блока отсутствует, но такой блок позволяет изменить направление действия силы, что часто необходимо для удобства.

У подвижного блока диск перемещается вместе с грузом, в связи с чем достигается двукратная экономия силы.

При решении задач можно выполнять рисунок схематически, не показывая подвешенное тело, указывая только действующие силы. При этом вес тела можно обозначить буквой P , а силу тяги — F .

Если груз весит $100$ Н, то для его подъёма при помощи неподвижного блока потребуется сила в $100$ Н, в свою же очередь, при помощи подвижного блока потребуется сила всего в $50$ Н.

Несмотря на то, что подвижный блок даёт экономию силы, которая необходима для подъёма груза, в целом для подъёма груза необходимо совершить такую же работу, как и в случае неподвижного блока!

Если объединить неподвижный и подвижный блоки , можно достичь не только изменения направления прилагаемой силы, но и экономии силы.

Формирование у учащихся знаний о подвижном и неподвижном блоках и их применении.

Подвижный и неподвижный блоки.

Блоки подразделяют на подвижные и неподвижные.

У неподвижного блока ось закреплена, при подъеме или опускании груза она не поднимается и не опускается. Вес груза, который поднимаем, обозначим P, прикладываемую силу обозначим F, точку опоры – O.

Плечом силы P будет отрезок OA (плечо силы l 1 ), плечом силы F отрезок OB (плечо силы l 2 ) . Эти отрезки являются радиусами колеса, тогда плечи равны радиусу . Если плечи равны, то вес груза и сила, которую мы прикладываем для подъёма, численно равны .

Такой блок не дает выигрыша в силе . Из этого можно сделать вывод, что неподвижный блок применять целесообразно для удобства подъема, проще поднимать груз вверх, применяя силу, которая направлена вниз.

Устройство, в котором ось может подниматься и опускаться вместе с грузом. Действие аналогично действию рычага.

Для работы этого блока один конец веревки закрепляется, ко второму концу приложим силу F, чтобы поднять груз весом P, груз прикреплен к точке A. Точкой опоры при вращении будет точка О, потому что в каждый момент движения блок поворачивается и точка O служит точкой опоры.

Значения плеча силы F составляет два радиуса .

Значение плеча силы P составляет один радиус .

Плечи сил отличаются в два раза, по правилу равновесия рычага, силы отличаются в два раза. Сила, которая необходима, чтобы поднять груз весом P, будет в два раза меньше, чем вес груза . Подвижный блок дает преимущество в силе в два раза.

На практике применяют комбинации блоков для изменения направления действия применяемой силы для подъема и ее уменьшения в два раза .

Читайте также: