Под термином "блок" понимается некоторое механическое устройство, представляющее из себя ролик, который закреплен на перпендикулярной оси. Этот ролик или может свободно перемещаться, или напротив – закреплен жестко. Упростим определение - если ось вращения ролика перемещается в пространстве, то блок подвижный. На ролике есть желобок, в который вставляется веревка или трос. Картинка ниже демонстрирует внешний вид блока.
Если ролик закреплен, например, на потолке - это неподвижный блок. Если ролик перемещается вместе с грузом – это подвижный блок. В общем смысле разница только в этом.
Смысл использования подвижного блока – выигрыш в силе при подъеме или перемещении грузов и физических тел. Неподвижный же блок выигрыша не даёт, однако часто сильно упрощает перемещение тела и используется в системах совместно с подвижным блоком.
Применение подвижного и неподвижного блоков
Система блоков встречается повсеместно. Это и подъемные краны, и различные устройства для перемещения грузов в гараже, и даже приводные ремни в современном автомобиле. Часто блок используется даже без четкого понимания того, что это тот самый механизм.
Наверняка на строительных площадках вам встречались подвижные колесики, закрепленные на верхних этажах строящегося дома. Через такое колесо перекинута веревка или цепь и рабочий, закрепляя ведро на первом этаже, поднимает его на верхний этаж, перемещая веревку. Это простой пример использования неподвижного блока. Если же к ведру добавить ещё одно колесико, то получится система блоков - подвижный и неподвижный.
Ещё один более редкий пример использования неподвижного блока. Когда человек вытаскивает из грязи автомобиль, обернув буксировочный трос вокруг ствола дерева. Делается это для большего удобства, поскольку буксировочная лебедка легко зацепится за небольшой конец троса, обернутого вокруг ствола. От самого такого блока выигрыша нет, да и поскольку дерево не вращается вокург своей оси, сила сопротивления увеличивает нагрузку.
Примеров использования этих простых механизмов вокруг нас очень много.
Самое известное устройство, которое работает на принципе блоков - это полиспаст. Оно активно применяется в подъемных механизмах. Система блоков уменьшает силу и общая работа сокращается в 4-8 раз.
Решение задач с подвижным и неподвижным блоками
В задачах по физике часто необходимо определить, какой суммарный выигрыш в силе будет получен при использовании блоков. Ученику предлагается сложная схема, где соединены подряд несколько блоков разного типа.
Ключ к решению
подобных задач лежит в умении разобраться во взаимодействии этих устройств. Каждый блок рассчитывается отдельно, а затем добавляется в общую формулу. Расчётная формула для всей задачи составляется согласно схеме, которую нарисовал ученик, читая условие.
Для лучшего понимания подобных задач следует помнить, что блок – это своеобразный рычаг . Выигранная сила даёт потерю в расстоянии (в случае подвижного блока).
Расчётная формула очень простая.
Для неподвижного блока F=fmg, где F – это сила, f – коэффициент сопротивления блока, m – масса груза, g – гравитационная постоянная. Иными словами, F – это та сила, которую нужно приложить, чтобы поднять, например, ящик с земли с использованием неподвижного блока. Как видите, зависимость прямая и коэффициента нет.
Для подвижного блока мы имеем двукратный выигрыш в силе. Расчётная формулаF=0,5fmg, где буквенные обозначения аналогичны формуле чуть выше. Соответственно, при использовании подвижного блока, такой ящик с массой m будет поднять в два раза легче с блоком, чем с использованием одной лишь только собственной спины.
Обратите внимание, что коэффициент сопротивления – это то противодействие, которое возникает в блоке при перемещении по нему веревки. Обычно эти величины заданы в условии задачи или являются табличной величиной. Иногда в школьных задачах эти коэффициенты вовсе опускаются и не учитываются.
Кроме того, не нужно забывать, что если сила прилагается под углом, то нужно использовать стандартную методику расчёта треугольника сил
. Если в задаче сказано, что человек тянет груз за веревку, которая находится под 30 градусами к линии горизонта, то это безусловно должно быть учтено и обозначено на расчётной схеме.
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.
Темы кодификатора ЕГЭ: простые механизмы, КПД механизма.
Механизм
- это приспособление для преобразования силы (её увеличения или уменьшения).
Простые механизмы
- это рычаг и наклонная плоскость.
Рычаг.
Рычаг - это твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси. На рис. 1 ) изображён рычаг с осью вращения . К концам рычага (точкам и ) приложены силы и . Плечи этих сил равны соответственно и .
Условие равновесия рычага даётся правилом моментов: , откуда
 |
| Рис. 1. Рычаг |
Из этого соотношения следует, что рычаг даёт выигрыш в силе или в расстоянии (смотря по тому, с какой целью он используется) во столько раз, во сколько большее плечо длиннее меньшего.
Например, чтобы усилием 100 Н поднять груз весом 700 Н, нужно взять рычаг с отношением плеч 7: 1 и положить груз на короткое плечо. Мы выиграем в силе в 7 раз, но во столько же раз проиграем в расстоянии: конец длинного плеча опишет в 7 раз большую дугу, чем конец короткого плеча (то есть груз).
Примерами рычага, дающего выигрыш в силе, являются лопата, ножницы, плоскогубцы. Весло гребца - это рычаг, дающий выигрыш в расстоянии. А обычные рычажные весы являются равноплечим рычагом, не дающим выигрыша ни в расстоянии, ни в силе (в противном случае их можно использовать для обвешивания покупателей).
Неподвижный блок.
Важной разновидностью рычага является блок - укреплённое в обойме колесо с жёлобом, по которому пропущена верёвка. В большинстве задач верёвка считается невесомой нерастяжимой нитью.
На рис. 2 изображён неподвижный блок, т. е. блок с неподвижной осью вращения (проходящей перпендикулярно плоскости рисунка через точку ).
 |
На правом конце нити в точке закреплён груз весом . Напомним, что вес тела - это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. В данном случае вес прило жен к точке , в которой груз крепится к нити.
К левому концу нити в точке приложена сила .
Плечо силы равно , где - радиус блока. Плечо веса равно . Значит, неподвижный блок является равноплечим рычагом и потому не даёт выигрыша ни в силе, ни в расстоянии: во-первых, имеем равенство , а во-вторых, в процессе движении груза и нити перемещение точки равно перемещению груза.
Зачем же тогда вообще нужен неподвижный блок? Он полезен тем, что позволяет изменить направление усилия. Обычно неподвижный блок используется как часть более сложных механизмов.
Подвижный блок.
На рис. 3 изображён подвижный блок , ось которого перемещается вместе с грузом. Мы тянем за нить с силой , которая приложена в точке и направлена вверх. Блок вращается и при этом также движется вверх, поднимая груз, подвешенный на нити .
 |
В данный момент времени неподвижной точкой является точка , и именно вокруг неё поворачивается блок (он бы "перекатывается" через точку ). Говорят ещё, что через точку проходит мгновенная ось вращения блока (эта ось направлена перпендикулярно плоскости рисунка).
Вес груза приложен в точке крепления груза к нити. Плечо силы равно .
А вот плечо силы , с которой мы тянем за нить, оказывается в два раза больше: оно равно . Соответственно, условием равновесия груза является равенство (что мы и видим на рис. 3 : вектор в два раза короче вектора ).
Следовательно, подвижный блок даёт выигрыш в силе в два раза. При этом, однако, мы в те же два раза проигрываем в расстоянии: чтобы поднять груз на один метр, точку придётся переместить на два метра (то есть вытянуть два метра нити).
У блока на рис. 3 есть один недостаток: тянуть нить вверх (за точку ) - не самая лучшая идея. Согласитесь, что гораздо удобнее тянуть за нить вниз! Вот тут-то нас и выручает неподвижный блок.
 |
На рис. 4 изображён подъёмный механизм, который представляет собой комбинацию подвижного блока с неподвижным. К подвижному блоку подвешен груз, а трос дополнительно перекинут через неподвижный блок, что даёт возможность тянуть за трос вниз для подъёма груза вверх. Внешнее усилие на тросе снова обозначено вектором .
Принципиально данное устройство ничем не отличается от подвижного блока: с его помощью мы также получаем двукратный выигрыш в силе.
Наклонная плоскость.
Как мы знаем, тяжёлую бочку проще вкатить по наклонным мосткам, чем поднимать вертикально. Мостки, таким образом, являются механизмом, который даёт выигрыш в силе.
В механике подобный механизм называется наклонной плоскостью. Наклонная плоскость - это ровная плоская поверхность, расположенная под некоторым углом к горизонту. В таком случае коротко говорят: "наклонная плоскость с углом ".
Найдём силу, которую надо приложить к грузу массы , чтобы равномерно поднять его по гладкой наклонной плоскости с углом . Эта сила , разумеется, направлена вдоль наклонной плоскости (рис. 5 ).
 |
Выберем ось так, как показано на рисунке. Поскольку груз движется без ускорения, действующие на него силы уравновешены:
Проектируем на ось :
Именно такую силу нужно приложить, что двигать груз вверх по наклонной плоскости.
Чтобы равномерно поднимать тот же груз по вертикали, к нему нужно приложить силу, равную . Видно, что , поскольку . Наклонная плоскость действительно даёт выигрыш в силе, и тем больший, чем меньше угол .
Широко применяемыми разновидностями наклонной плоскости являются клин и винт.
Золотое правило механики.
Простой механизм может дать выигрыш в силе или в расстоянии, но не может дать выигрыша в работе.
Например, рычаг с отношением плеч 2: 1 даёт выигрыш в силе в два раза. Чтобы на меньшем плече поднять груз весом , нужно к большему плечу приложить силу . Но для поднятия груза на высоту большее плечо придётся опустить на , и совершённая работа будет равна:
т. е. той же величине, что и без использования рычага.
В случае наклонной плоскости мы выигрываем в силе, так как прикладываем к грузу силу , меньшую силы тяжести. Однако, чтобы поднять груз на высоту над начальным положением, нам нужно пройти путь вдоль наклонной плоскости. При этом мы совершаем работу
т. е. ту же самую, что и при вертикальном поднятии груза.
Данные факты служат проявлениями так называемого золотого правила механики.
Золотое правило механики. Ни один из простых механизмов не даёт выигрыша в работе. Во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии, и наоборот.
Золотое правило механики есть не что иное, как простой вариант закона сохранения энергии.
КПД механизма.
На практике приходится различать полезную работу A
полезн, которую нужно совершить при помощи механизма в идеальных условиях отсутствия каких-либо потерь, и полную работу A
полн,
которая совершается для тех же целей в реальной ситуации.
Полная работа равна сумме:
-полезной работы;
-работы, совершённой против сил трения в различных частях механизма;
-работы, совершённой по перемещению составных элементов механизма.
Так, при подъёме груза рычагом приходится вдобавок совершать работу по преодолению силы трения в оси рычага и по перемещению самого рычага, имеющего некоторый вес.
Полная работа всегда больше полезной. Отношение полезной работы к полной называется коэффициентом полезного действия (КПД) механизма:
=A полезн/А полн.
КПД принято выражать в процентах. КПД реальных механизмов всегда меньше 100%.
Вычислим КПД наклонной плоскости с углом при наличии трения. Коэффициент трения между поверхностью наклонной плоскости и грузом равен .
Пусть груз массы равномерно поднимается вдоль наклонной плоскости под действием силы из точки в точку на высоту (рис. 6 ). В направлении, противоположном перемещению, на груз действует сила трения скольжения .
 |
Ускорения нет, поэтому силы, действующие на груз, уравновешены:
Проектируем на ось X:
. (1)
Проектируем на ось Y:
. (2)
Кроме того,
, (3)
Из (2) имеем:
Тогда из (3) :
Подставляя это в (1) , получаем:
Полная работа равна произведению силы F на путь, пройденный телом вдоль поверхности наклонной плоскости:
A полн=.
Полезная работа, очевидно, равна:
А полезн=.
Для искомого КПД получаем.
Блоки относят к простым механизмам. В группу этих устройств, которые служат для преобразования силы, помимо блоков относят рычаг, наклонную плоскость.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Блок - твердое тело, которое имеет возможность вращаться вокруг неподвижной оси.
Изготавливаются блоки в виде дисков (колес, низких цилиндров и т. п.), имеющих желоб, через который пропускают веревку (торс, канат, цепь).
Неподвижным называется блок, с закрепленной осью (рис.1). Он не перемещается при подъеме груза. Неподвижный блок можно рассматривать как рычаг, который имеет равные плечи.
Условием равновесия блока является условие равновесия моментов сил, приложенных к нему:
Блок на рис.1 будет находиться в равновесии, если силы натяжения нитей равны:
так как плечи этих сил одинаковы (ОА=ОВ). Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но он позволяет изменить направление действия силы. Тянуть за веревку, которая идет сверху часто удобнее, чем за веревку, которая идет снизу.
Если масса груза, привязанного к одному из концов веревки, перекинутой через неподвижный блок равна m, то для того, чтобы его поднимать, к другому концу веревки следует прикладывать силу F, равную:
при условии, что силу трения в блоке мы не учитываем. Если необходимо учесть трение в блоке, то вводят коэффициент сопротивления (k), тогда:
Заменой блока может служить гладкая неподвижная опора. Через такую опору перекидывают веревку (канат), которая скользит по опоре, но при этом растет сила трения.
Неподвижный блок выигрыша в работе не дает. Пути, которые проходят точки приложения сил, одинаковы, равны силы, следовательно, равны работы.
Для того чтобы получить выигрыш в силе, применяя неподвижные блоки применяют комбинацию блоков, например, двойной блок. При блоки должны иметь разные диаметры. Их соединяют неподвижно между собой и насаживают на единую ось. К каждому блоку прикрепляется веревка, что она может наматываться на блок или сматываться с него без скольжения. Плечи сил в таком случае будут неравными. Двойной блок действует как рычаг с плечами разной длины. На рис.2 изображена схема двойного блока.
Условие равновесия для рычага на рис.2 станет формула:
Двойной блок может преобразовывать силу. Прикладывая меньшую силу к веревке, намотанной на блок большого радиуса, получают силу, которая действует со стороны веревки, навитой на блок меньшего радиуса.
Подвижным блоком называют блок, ось которого перемещается совместно с грузом. На рис. 2 подвижный блок можно рассматривать как рычаг с плечами разной величины. В этом случае точка О является точкой опоры рычага. OA - плечо силы ; OB - плечо силы . Рассмотрим рис. 3. Плечо силы в два раза больше, чем плечо силы , следовательно, для равновесия необходимо, чтобы величина силы F была в два раза меньше, чем модуль силы P:
Можно сделать вывод о том, что при помощи подвижного блока мы получаем выигрыш в силе в два раза. Условие равновесия подвижного блока без учета силы трения запишем как:
Если попытаться учесть силу трения в блоке, то вводят коэффициент сопротивления блока (k) и получают:
Иногда применяют сочетание подвижного и неподвижного блока. В таком сочетании неподвижный блок используют для удобства. Он не дает выигрыша в силе, но позволяет изменять направление действия силы. Подвижный блок применяют для изменения величины прилагаемого усилия. Если концы веревки, охватывающей блок, составляют с горизонтом одинаковые углы, то отношение силы, оказывающей воздействие на груз к весу тела, равна отношению радиуса блока к хорде дуги, которую охватывает веревка. В случае параллельности веревок, сила необходимая для подъема груза потребуется в два раза меньше, чем вес поднимаемого груза.
Золотое правило механики
Простые механизмы выигрыша в работе не дают. Во сколько мы получаем выигрыш в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Так как работа равна скалярному произведению сила на перемещение, следовательно, она не изменится при использовании подвижного (как и неподвижного) блоков.
В виде формулы «золотое правило№ можно записать так:
где - путь, который проходит точка приложения силы - путь проходимый точкой приложения силы .
Золотое правило является самой простой формулировкой закона сохранения энергии. Это правило распространяется на случаи, равномерного или почти равномерного движения механизмов. Расстояния поступательного движения концов веревок связаны с радиусами блоков ( и ) как:
Получим, что для выполнения «золотого правила» для двойного блока необходимо, чтобы:
Если силы и уравновешены, то блок покоится или движется равномерно.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Используя систему из двух подвижных и двух неподвижных блоков, рабочие поднимают строительные балки, при этом прикладывают силу равную 200 Н. Чему равна масса (m) балок? Трение в блоках не учитывайте. |
| Решение | Сделаем рисунок.
Вес груза, приложенный к системе грузов, будет равен силе тяжести, которая приложена к поднимаемому телу (балке):
Неподвижные блоки выигрыша в силе не дают. Каждый подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза, следовательно, при наших условиях мы получим выигрыш в силе в четыре раза. Это значит, что можно записать:
Получаем, что масса балки равна: Вычислим массу балки, примем :
|
| Ответ | m=80 кг |
ПРИМЕР 2
| Задание | Пусть высота, на которую поднимают балки рабочие, в первом примере равна м. Чему равна работа, которую совершают рабочие? Какова работа груза по перемещению на заданную высоту? |
| Решение | В соответствии с «золотым правилом» механики, если мы, используя имеющуюся систему блоков, получили выигрыш в силе в четыре раза, то проигрыш в перемещении составит тоже четыре. В нашем примере это означает, что длина веревки (l) которую рабочим следует выбрать составит длину в четыре раза большую, чем расстояние, которое пройдет груз, то есть: |
Ось которого закреплена при подъеме грузов, не поднимается и не опускается. Представляет собой колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Жёлоб предназначен для каната , цепи , ремня и т. п. Если ось блока помещается в обоймах, прикреплённых на балке или стене, такой блок называется неподвижным (то есть ось блока закреплена); если же к этим обоймам прикрепляется груз, и блок вместе с ними может двигаться, то такой блок называется подвижным.
Неподвижный блок употребляется для подъёма небольших грузов или для изменения направления силы.
Условие равновесия блока:
F = f m g {\displaystyle ~F=fmg} , где
F {\displaystyle F} - прилагаемое внешнее усилие, m {\displaystyle m} - масса груза, g {\displaystyle g} - ускорение свободного падения, f {\displaystyle f} - коэффициент сопротивления в блоке (для цепей примерно 1,05, а для верёвок - 1,1).
При отсутствии трения для подъема нужна сила, равная весу груза.
Подвижный блок имеет свободную ось и предназначен для изменения величины прилагаемых усилий. Если концы веревки, обхватывающей блок, составляют с горизонтом равные между собой углы, то действующая на груз сила относится к его весу, как радиус блока к хорде дуги, обхваченной канатом; отсюда, если веревки параллельны (то есть когда дуга, обхватываемая веревкой, равна полуокружности), то для подъёма груза потребуется сила вдвое меньше, чем вес груза, то есть:
F = 1 2 f m g {\displaystyle ~F={1 \over {2}}fmg}
При этом груз пройдёт расстояние, вдвое меньшее пройденного точкой приложения силы F, соответственно, выигрыш в силе подвижного блока равен 2.
Фактически, любой блок представляет собой рычаг , в случае неподвижного блока - равноплечий, в случае подвижного - с соотношением плеч 1 к 2. Как и для всякого другого рычага, для блока справедливо правило: Во сколько раз выигрываем в усилии, во столько же раз проигрываем в расстоянии . Иными словами, работа , совершаемая при перемещении груза на какое-либо расстояние без использования блока, равна работе, затрачиваемой при перемещении груза на то же самое расстояние с применением блока при условии отсутствия трения. В реальном блоке всегда присутствуют некоторые потери.
Также используется система, состоящая из комбинации нескольких подвижных и неподвижных блоков. Такая система называется полиспаст . Простейшая такая система изображена на рисунке и даёт выигрыш в силе в 2 раза.
В отличие от шкива , блок вращается на оси свободно и обеспечивает исключительно изменение направления движения ремня или каната, не передавая усилия с оси на ремень или с ремня на ось.