Юный техник, 2012 № 09
Шрифт:
НАУЧНЫЕ ЗАБАВЫ
«Дайте мне точку опоры, и я переверну земной шар», — сказал однажды древнегреческий мудрец Архимед. И он, похоже, верил в то, что говорил. Ведь это ему принадлежит первое научное исследование рычагов — простейших, но очень эффективных механизмов.
Рычаг — это не только та ручка с круглым набалдашником, которым переключаются скорости
Еще один рычаг можно увидеть на детской площадке — это качели-доска. Акробаты в цирке пользуются подкидной доской — она тоже работает по закону рычага, подбрасывая смельчака под купол цирка.
В давние времена при осаде крепостей пользовались катапультами, в основе которых лежит тот же рычаг, помогающий далеко бросить здоровенный камень. А хитроумный Архимед, говорят, на основе того же рычага придумал машину, которая могла даже опрокидывать корабли римлян.
На основе рычага работают и ножницы, в том числе и те, которыми можно резать железо, и консервный нож, и открывалка для бутылки…
В общем, рычаг, выражаясь научным языком, — тело, которое имеет точку опоры (ось вращения) и точки приложения сил. В зависимости от того, как расположены эти три точки, рычаги делятся на два вида или рода.
Рычаг первого рода — те самые доска-качели или катапульта, у которой точки приложения сил расположены по разным сторонам опоры. В середине — точка опоры, но краям — плечи рычага. В равновесии или равномерном движении эта конструкция может находиться только тогда, когда произведение силы на плечо (перпендикуляр на линию действия силы, опущенный из точки опоры О) правой части FB1О равно произведению силы на плечо левой части рычага QA1O. То есть FB1О = QA1О.
Отсюда вытекает золотое правило механики: приложенная сила F (например, усилие человека) во столько раз меньше веса поднимаемого тела Q, во сколько раз плечо А1О меньше плеча В1О.
То есть, говоря иначе, выигрывая в силе, мы проигрываем в расстоянии: груз будет двигать легче, но дальше. Иногда это целесообразно — если, например, надо выворотить валун из земли или приподнять один конец лежащего на земле бревна.
Рычаг второго рода — это, например, простенькая тачка. У нее точки приложения сил (А и В) находятся по одну сторону точки опоры О: колесо — точка опоры, груз давит вниз, прилагая силу Q в точке А, человек прилагает к рукояткам тачки силу F в точке В. Такой рычаг находится в равновесии или равномерном движении в том случае, если FB1О = QA1О.
То есть для подъема груза в Q килограммов надо приложить силу F, которая во столько раз меньше Q, во сколько раз А1О меньше В1О. То есть чем тяжелее груз, тем меньше должно быть расстояние между ним и колесом и тем длиннее рукоятки тачки.
Разобравшись немного в теории, давайте теперь перейдем к практике. И проиллюстрируем примеры использования рычагов в быту.
Представьте, что вы вдвоем с приятелем несете тяжелый чемодан или сумку, просунув под ручку палку. Кому нести тяжелее — тому, кто держится за короткий конец палки или за длинный? Проверьте ваши рассуждения на практике.
Что получилось?
Правильно, человеку, который держит длинный конец палки, нести груз легче. А его напарнику, держащему короткий конец палки, — тяжелее. Таким образом вы всегда можете перераспределить груз сообразно физической силе каждого. И если силы равны, то и концы палки должны быть одинаковы. То есть чемодан должен висеть ровно посредине.
Для следующего опыта с рычагом вам понадобятся утюг, стул и палка — лучше с крючком на конце или вбитым гвоздем, чтобы утюг не сваливался. Надо повесить утюг ручкой на палку, положить палку на спинку стула. Причем не забудьте придержать сиденье стула коленом или сядьте на него, чтобы стул не перевернулся.
Держа палку-рычаг за свободный от утюга конец, подвигайте ею по спинке стула. И вы убедитесь: чем ближе утюг к спинке стула и дальше рука — тем легче удержать груз. Чем меньше расстояние от руки до точки опоры — тем тяжелее. Ведь утюг давит своей тяжестью на длинное плечо рычага.
Теперь проведем опыт с самодельными весами, именуемыми коромысловыми. Выглядят они весьма просто. К перекладине-коромыслу на концах привязаны нити, на другом конце которых подвешены металлические или пластиковые чашки. На одну чашку кладут взвешиваемый груз, на другую гирьки. Как только чашки будут уравновешены, остается посмотреть, какое количество гирек пришлось положить на чашку. Значит, столько граммов и весит ваш груз.
Так работают лабораторные весы, на которых, например, взвешивают химикаты в лаборатории. Если же надо взвесить большой груз — например, 50-килограммовый мешок картошки, то удобнее использовать весы десятичные. Тогда мешок картошки можно будет уравновесить 5-килограммовой гирей.
Работают такие весы, опять-таки, на основе закона рычага. Проиллюстрировать его действие можно при помощи такого опыта. Возьмите деревянную линейку и разместите ее на опоре (скажем, толстом фломастере, положенном на стол плашмя) так, чтобы длина линейки с одной стороны была в десять раз больше, чем с другой. Например, с одной стороны 9 см, а с другой — 90 см. Еще один сантиметр метровой линейки придется как раз на опору. (Если не найдете длинной линейки, возьмите более короткую, но соблюдайте пропорции размещения плечей рычага над опоре.)
Если теперь вы положите на конец короткой стороны линейки груз в 500 г, то на длинный конец достаточно положить гирьку или иной груз в 50 г, чтобы наши импровизированные весы застыли в равновесии.
Обоснуйте, почему так получается.
И, наконец, еще один опыт мы вам советуем провести уже на улице. Подсуньте нижний конец прочной трубы под камень и попробуйте приподнять его край, двигая верхний длинный конец лома или трубы вверх.
А теперь попробуйте проделать то же самое, подложив под трубу у самого камня кусок твердого дерева или другой камень — поменьше и двигая длинный конец лома вниз.