Прості механізми навколо нас - спиш у Антошки
Важіль - один з найбільш поширених і простих типів механізмів в світі, присутній як в природі, так і в створеному людиною світі. Важелем називають тверде тіло, яке може обертатися навколо деякої осі. Важіль - це необов'язково довгий і тонкий предмет.
Тіло людини як важіль
Погляньмо на ліктьовий суглоб. Променева і плечова кістки з'єднаються разом хрящем, до них так само приєднуються м'язи біцепса і трицепса. Ось ми і отримуємо найпростіший механізм важеля.
Якщо ви тримаєте в руці гантель вагою в 3 кг, яке зусилля при цьому розвиває ваша м'яз? Місце з'єднання кістки і м'язи ділить кістку в співвідношенні 1 до 8, отже, м'яз розвиває зусилля в 24 кг! Виходить, ми сильніше самих себе. Але важеля нашого скелета не дозволяє нам повною мірою використовувати нашу силу.
Наочний приклад більш вдалого застосування переваг важеля в скелетно-м'язової системи організму зворотні задні коліна у багатьох тварин (всі види кішок, коні, і т.д.).
Їх кістки довше наших, а особливий пристрій їх задніх ніг дозволяє їм набагато ефективніше використовувати силу своїх м'язів. Так, безсумнівно, їх м'язи набагато сильніше ніж у нас, але і вага їх більше на порядок.
Середньо-статистична кінь важить близько 450 кг, і при цьому може легко стрибнути на висоту близько двох метрів. Нам же з вами, щоб виконати такий стрибок, треба бути майстрами спорту зі стрибків у висоту, хоча ми важимо в 8-9 разів менше, ніж кінь.
Раз вже ми згадали про стрибки в висоту, розглянемо варіанти застосування важеля, які придуманий людиною. Стрибки у висоту з жердиною дуже наочний приклад.
За допомогою важеля довжиною близько трьох метрів (довжина жердини для стрибків у висоту близько п'яти метрів, отже, довше плече важеля, що починається в місці перегину жердини в момент стрибка, становить близько трьох метрів) і правильного прикладання зусилля, спортсмен злітає на запаморочливу висоту до шести метрів.
Візьміть ручку, пишіть що-небудь або малюйте і спостерігайте за ручкою і рухом пальців. Скоро ви виявите, що ручка - це важіль. Знайдіть точку опори, оцініть плечі і переконайтеся, що і в цьому випадку ви програєте в силі, але виграєте в швидкості і відстані. Власне при листі сила тертя грифеля про папір невелика, так що м'язи пальців не дуже напружуються. Але є такі види робіт, коли пальці повинні працювати на повну, долаючи значні сили, і при цьому здійснювати рухи виняткової точності: пальці хірурга, музиканта.
Те ж саме відноситься до гайковий ключ, яким ви відкручує або закручуєте болт або гайку. Чим довше ключ, тим легше вам буде відкрутити цю гайку, або навпаки, тим тугіше ви зможете її затягнути.
При роботі з особливо великими і важкими болтами і гайками, наприклад при ремонті різних механізмів, автомобілів, верстатів, використовують гайкові ключі з рукояткою до метра.
Інший яскравий приклад важеля в повсякденному житті звичайнісінька двері. Спробуйте відкрити двері, штовхаючи її біля кріплення петель. Двері буде піддаватися дуже важко. Але чим далі від дверних петель буде розташовуватися точка докладання зусиль, тим легше вам буде відкрити двері.
У рослинах важільні елементи зустрічаються рідше, що пояснюється малою рухливістю рослинного організму. Типовий важіль - стовбур дерева і коріння. Що глибоко йде в землю коріння сосни або дуба мають величезний опір, тому сосни і дуби майже ніколи не вивертаються з коренем. Навпаки, їли, що мають часто поверхневу кореневу систему, перекидаються дуже легко.
«Колючі знаряддя» багатьох тварин і рослин - кігті, роги, зуби і колючки - за формою нагадують клин (видозмінена похила площина); клину подібна і загострена форма голови швидкохідних риб. Багато з цих клинів мають дуже гладкі тверді поверхні, чим і досягається їх велика гострота.
Важелі в техніці
Природно, важелі так само повсюдно поширені і в техніці.
Простий механізм "важіль" має два різновиди: блок і воріт.
За допомогою важеля можна маленької силою зрівноважити велику силу. Розглянемо, наприклад, підйом відра з колодязя. Важелем є криничний воріт - колода з прикріпленою до нього зігнутою ручкою, або колесом.
Вісь обертання ворота проходить крізь колоду. Меншою силою служить сила руки людини, а більшою силою - сила, з якою відро і звисає частина ланцюга тягне вниз
Ще до нашої Ери люди почали застосовувати важелі в будівельній справі.
При користуванні важелем довший його кінець проходить більший шлях. Таким чином, отримавши виграш в силі, ми отримуємо програш в відстані. Це означає, що, піднімаючи маленької силою вантаж великої ваги, ми змушені здійснювати велику переміщення.
Найбільш очевидний приклад важіль перемикання коробки передач в автомобілі. Коротке плече важеля та його частина, що ви бачите в салоні.
Довге плече важеля приховано під днищем автомобіля, і довше короткого приблизно в два рази. Коли ви переставляєте важіль з одного положення в інше, довге плече в коробці передач перемикає відповідні механізми.
Тут так само дуже наочно можна побачити, як довжина плеча важеля, діапазон його ходу і сила, необхідна для його зсуву, співвідносяться один з одним.
Наприклад, в спортивних автомобілях, для більш швидкого перемикання передач, важіль зазвичай встановлюють короткий, і діапазон його ходу так само роблять коротким.
Однак, в цьому випадку водієві необхідно докладати більше зусиль, щоб переключити передачу. Навпаки, в великовантажних автомобілях, де механізми самі по собі важче, важіль роблять довшими, і діапазон його ходу так само довше, ніж в легковому автомобілі.
Простий механізм «похила площина» і її два різновиди - клин і гвинт
Похила площина застосовується для переміщення важких предметів на більш високий рівень без їх безпосереднього підняття. Якщо потрібно підняти вантаж на висоту, завжди легше скористатися пологим підйомом, ніж крутим. Причому, чим положе ухил, тим легше виконати цю роботу.
Тіло на похилій площині утримується силою, яка. за величиною в стільки разів менше ваги цього тіла, у скільки разів довжина похилій площині більше її висоти.
Клин, вбивається в поліно, діє на нього зверху вниз. При цьому він розсовує утворюються половинки вліво і вправо. Тобто клин змінює напрямок дії сили.
Таким чином, ми можемо переконатися в тому, що механізм важеля дуже широко поширений як в природі, так і в нашому повсякденному побуті, і в різних механізмах.
Крім того, сила, з якою він розсовує половинки колоди, набагато більше сили, з якою молот впливає на клин. Отже, клин змінює і числове значення прикладеної сили.
Деревообробні і садові інструменти представляли клин - це струг, тесла, струганки, лопата, мотика. Землю обробляли сохою, бороною. Прибирали урожай за допомогою граблів, кіс, серпів.
Гвинт - це вид похилій площині. З його допомогою можна отримати значний виграш в силі.
Повертаючи гайку, надіти на болт, ми піднімаємо її по похилій площині і виграємо в силі.
Повертаючи рукоятку штопора за годинниковою стрілкою, ми викликаємо просування гвинта штопора вниз. Відбувається перетворення руху: обертальний рух штопора призводить до його поступального руху.