Урок 7 Прості машини та механізми
email: voronenko@54.edu.ks.ua
Розвиток людського суспільства тісно пов’язаний з використанням та удосконаленням механізмів: від простого важеля на зорі цивілізації до надскладних механічних систем сьогодення.
Механізм є основою будь-якої машини. Коротко можна означити так: Механізм - це пристрій для перетворення механічного руху твердих тіл.
Машина - механізм або поєднання механізмів для перетворення енергії з одного виду в інший.
Хоча механізми дозволяють отримати виграш у силі чи швидкості, можливості такого виграшу обмежуються законом збереження енергії. У застосуванні до машин і механізмів він говорить: енергія неспроможна ні виникати, ні зникати, може бути лише перетворена на інші види енергії чи роботу. Тому на виході машини або механізму не може бути більше енергії, ніж на вході. До того ж у реальних машинах частина енергії втрачається через тертя.
Найпростіші механізми можна знайти майже в будь-яких складніших машинах та механізмах.
Чому механізми "прості"?
Механізми, про які йтиметься в уроці, називають « простими ». Їх винайшли ще в давнину і продовжують користуватися досі.
1.Важіль
Важіль - це жорсткий стрижень, який може вільно повертатися щодо нерухомої точки, яка називається точкою опори.
Приклади такого механізму кожному знайомий: коли тато сідає на гойдалку ближче до центру, а ви далі і таким чином його врівноважуєте, то використовуєте принцип важеля. У гойдалки є точка, яка залишається нерухомою і навколо якої вони обертаються. Ця точка називається точкою опори.
Цей принцип також використовується в ножицях, дверній ручці і лопаті. Для лопати точкою опори буде точка О, ножиць – гвинтик.
Властивості важеля ми використовуємо, коли штовхаємо двері далі від петель, щоб її відкрити; коли беремо лопату ближче до кінця черешка.
2.Похила поверхня
Людські можливості обмежені: навантажену тачку навряд можна підняти вертикально вгору. А ось заштовхувати її по похилій поверхні з невеликим нахилом набагато легше.
Похила поверхня дозволяє підняти вантаж, прикладаючи меншу силу. І що менше нахил, то менше знадобиться сила.
Поміркуйте, який ще вид простого механізму був використаний на малюнку в конструкції тачки. Результат спостережень запишіть в зошит.
3.Гвинт
Якщо згорнути похилу поверхню, то вийде її окремий випадок – гвинт!
Прикладом гвинта як простого механізму є і болт з гайкою, який забезпечує виграш у силі під час загвинчування.
Архимедів гвинт
Або інакше кажучи, гвинтовий насос. Це простий пристрій, який використовувався для підйому води. Він складається із спірального гвинта та циліндричного корпусу. Він обертався за допомогою сили рук.
При обертанні гвинтова поверхня вала переміщала воду по трубі до її верхнього кінця. Потім вода виливалася з гвинтового корпусу.
Таким чином, помістивши один кінець циліндра у воду, а інший розташувавши вище під кутом і обертаючи вал, подавали рідину наверх.
Застосовувалася подібна спіраль архімедова для підйому води при зрошенні територій і для осушення шахт, трюмів кораблів, низин і заболочених місць.
Дослідіть такий пристрій, як побутова м'ясорубка. Що в ній є спільного з гвинтом Архимеда. Результат спостережень запишіть в зошит.
4.Блок
Нерухомий блок
Рухомий блок
Блок - це колесо з жолобом по колу для каната чи ланцюга. Блоки застосовуються у вантажопідйомних пристроях.
Використовувати цей механізм можна двома способами:
1. Можна закріпити колесо посередині, одного кінця мотузки прив'язати вантаж, за інший – тягнути. Такий блок називають нерухомим.
2. Другий спосіб застосування блоку – закріпити один кінець мотузки, другий – тягнути, а вантаж прив'язати до центру блоку. Такий блок називається рухомим , тому що він рухатиметься разом із вантажем.
За всю довгу історію свого існування людина не раз стикався із завданням підняття і переміщення в просторі важких предметів. Наприклад, знайомі всім єгипетські піраміди складаються з масивних кам’яних блоків, які не під силу підняти нікому. Тому одним з найбільших досягнень людства є винахід вантажопідйомного крана, який дозволив істотно спростити завдання по переміщенню важких вантажів і прискорити будівництво будинків та інших об’єктів.
В основі принципу роботи підйомного крана лежить фізика простих механізмів. Найпростіший варіант крана є палицю, розташовану на точці опори таким чином, що вільні кінці мають різну довжину. Тепер якщо до короткого важеля підвісити вантаж, то для його підняття потрібно менше зусиль. Найбільш поширена конструкція, в якій використовується крім важелів ще й система блоків.
Підйомний кран - це вантажопідіймальна машина для підіймання і переміщення вантажів у вертикальному і горизонтальному напрямках.
В його конструкції задіяні такі прості механізми:
блок;
важіль.
Незважаючи на те що існує безліч варіацій підйомних механізмів, класичний підйомний кран складається з наступних частин:
Стріла, із закріпленим на її кінці блоком. Залежно від її довжини, визначається висота, на яку можна підняти вантаж.
Платформа. До неї кріпиться стріла і противагу. Є основною частиною крана і піддається значним навантаженням. Тому при виготовленні платформи, важливо особливу увагу приділяти її міцності.
Противага. Служить для стійкості крана. Визначає максимальну вагу вантажу, який кран може підняти. Існують варіанти набраних противаг для забезпечення максимальної стійкості.
Розтяжка, що з’єднує стрілу і противагу. Дозволяє регулювати нахил стріли і переміщати вантаж як у вертикальній, так і в горизонтальній площині.
Лебідка з тросом. Є самим підйомним механізмом. Від потужності лебідки залежить те, яку вагу здатний підняти кран.
Стійка з поворотним механізмом. Вона необхідна для повороту крана в сторони.
Опорний хрест, який є підставою крана. Задає стійкість всієї конструкції. При його виготовленні також слід приділяти увагу його міцності.
Дослідіть рух велосипеду. Які прості механізми використані для приведення колеса до руху. Результат спостережень запишіть в зошит.
ПРАКТИЧНА РОБОТА ЗА КОМП'ЮТЕРОМ
В сервісі Canva створіть презентацію-дослідження простих механізмів (важіль, блок, похила поверхня, гвинт)
ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ
1. Проаналізувати і вивчити весь матеріал до уроку.
2. Виконати роботу в зошиті та практичну роботу і надіслати результат на електронну пошту вчителя voronenko@54.edu.ks.ua
3. Пройти тест https://onlinetestpad.com/icojgpa24vpe6
4. По можливості виконати проєкт "Важкий підйом".
ПРОЕКТ "Важкий підйом". Виготовлення підйомного крану.
Крок 1. Ось деякі з матеріалів, які ви можете використовувати
картонна коробка (розмір коробки для взуття або більше)
скріпки
паперовий стаканчик
3 олівці (1 заточений для проколювання дірок у картоні)
ножиці
струна (волосінь або шнурок для повітряного змія)
3 смужки гофрованого картону (5 x 28 см) (гофрокартон має пази посередині, як картонна коробка для транспортування)
стрічка
гирі (кульки, копійки або шайби)
дерев'яна котушка
Крок 2. Готуйтеся заздалегідь
Приготуйте папір і олівець, щоб записувати ідеї та ескізи під час проектування.
Існує багато кроків, щоб побудувати кран, тому ви можете попросити дорослого допомогти вам виконати деякі кроки.
Подумайте про журавлів. Що таке кран? Де ви їх бачили? Як вони піднімають важкі вантажі?
ПОРАДА: Крани — це величезні машини, які використовуються для переміщення важких вантажів. Вони мають довгу руку, яка тримає міцний дріт або мотузку, звану тросом , з гачком на кінці.
Крок 3. Подумайте про виклик
Чому люди використовують крани? (Переміщати важкі матеріали чи предмети, піднімати предмети на висоту)
Як астронавти можуть використовувати кран на Місяці? (Робати корисні копалини, піднімати лід)
Підйомний кран повинен подолати силу тяжіння . Як ви розробите свій кран, щоб справлятися зі силою тяжіння?
ПОРАДА: Величезні крани використовуються для копання, переміщення та переміщення великих об’єктів. Незалежно від того, чи кран знаходиться на Землі, космічній станції чи Місяці, він має бути міцним, щоб піднімати важкі вантажі без руйнування.
ПОРАДА. Гравітація — це сила, яка діє як магніт, притягуючи один об’єкт до іншого. Сила тяжіння притягне об’єкт до землі, наприклад трос і важіль крана.
Крок 4. Подумайте і запишіть свої ідеї
Якої довжини ви будете робити стрілу крана?
Як уберегти стрілу крана від поломки, коли він піднімає важкий вантаж?
Як зупинити важкий вантаж від тяги руки вліво або вправо?
Як ви будете кріпити руку до крана?
Як ви будете повертати стрілу крана?
ПОРАДА: кран має подолати силу тяжіння. Рука та будь-які додаткові опори, такі як мотузка або додаткові шматки картону, допоможуть рівномірно розподілити силу. Якщо всі сили врівноважують одна одну, рука не рухатиметься.
ПОРАДА: Кран може працювати з рукояткою або без неї. Але мати рукоятку корисно, оскільки вона полегшує змотування кабелю.
Крок 5. Подивіться на матеріали
З яких матеріалів потрібно побудувати корпус? Стрілу крана?
Які міцні матеріали ви будете використовувати як трос, що піднімає та опускає вантаж?
З яких матеріалів вам потрібно зробити котушку для намотування кабелю?
ПОРАДА: Перші ідеї винахідників та інженерів рідко вирішують проблему. Вони обдумують ідеї, пробують різні ідеї, вчаться на помилках і пробують знову – це частина процесу проектування .
Крок 6. Спроектуйте та побудуйте руку (стрілу крану)
Використовуйте ящик як корпус крана.
Вирішіть, які матеріали ви будете використовувати для виготовлення руки.
Вирішіть, якої довжини ви будете робити руку. Скільки частин матиме рука?
Виберіть матеріали та створіть руку.
Крок 7. Прикріпіть руку
Вирішіть, під яким кутом ви хочете, щоб рука звисала з корпусу крана.
Подумайте, як зробити так, щоб рука сиділа на тілі під кутом.
Прикріпіть руку до тулуба.
ПОРАДА: кінець плеча має бути достатньо далеко від тіла, щоб кабель міг плавно рухатися вгору та вниз, не торкаючись краю тіла.
ПОРАДА: якщо стріла крана недостатньо міцна, вона може зламатись, коли піднімає важкий вантаж. Міцно закріпіть руку на тілі додатковою стрічкою. Або виріжте прорізи в коробці, просуньте руку в прорізи та міцно закріпіть скотчем.
ПОРАДА. Якщо ваша кранова стріла занадто тонка, вона може зігнутися від великого вантажу. Ви можете спробувати додати додаткові шматки картону зверху, знизу та поруч із рукою для додаткової підтримки.
Крок 8. Спроектуйте та створіть приймальну котушку
Вирішіть, як зробити приймальну котушку , яка дозволить вам вкорочувати та подовжувати трос.
Подумайте про те, навколо чого буде обертатися трос, коли ви його намотуєте.
Подумайте, як ви будете змотувати трос.
Крок 9. Прикріпіть приймальну котушку
Вирішіть, як ви будете кріпити приймальну котушку до крана.
Змініть кузов крана, щоб розмістити приймальну котушку.
Прикріпіть приймальну котушку до корпусу.
ПОРАДА: якщо важко утримати котушку на місці на крані, спробуйте вирізати та зігнути клапани у верхній частині коробки; потім проткніть олівцем крізь клапани. Або використовуйте шматки картону, щоб створити тримач і прикріпити його до верхньої частини коробки.
ПОРАДА. Прикріпіть приймальну котушку в місці на корпусі, яке дозволить кабелю тягнути по щільній прямій лінії, коли він піднімає вантаж.
Крок 10. Підготуйте трос
Подумайте, як ви закріпите трос на приймальній котушці.
Закріпіть трос і намотайте його на котушку.
ПОРАДА. Закріпіть кінець тросу на приймальній бобіні, щоб його було легко намотати та щоб він не відривався від котушки під час розмотування.
Крок 11. Підготуйте трос (продовження)
Вирішіть, як рука буде тримати трос під час намотування та розмотування.
Змініть важіль і протягніть кабель по всій його довжині.
ПОРАДА. Якщо кабель продовжує ковзати з одного боку на інший, спробуйте додати стрічку з обох боків олівця та залиште чисту ділянку посередині, щоб кабель міг проходити, не ковзаючи з боку в бік.
Крок 12. Підготуйте трос (продовження)
Вирішіть, як кран підчепить вантаж, щоб він міг його підняти.
Додайте гачок, який захопить вантаж.
Перевірте кабель.
ПОРАДА. Ви можете перевірити дизайн на різних етапах процесу створення. Під час тестування ви знайдете способи покращити свій дизайн. Удосконалення конструкції на основі тестування є частиною процесу інженерного проектування .
Крок 13. Спроектуйте та побудуйте відро
Вирішіть, які матеріали ви будете використовувати для відра для утримання вантажу.
Подумайте, як відро буде ковзати на гак троса.
Виберіть матеріали та побудуйте ручку відра.
Крок 14. Приєднайте відро до крана
Прикріпіть відро до гака крана.
ПОРАДА: якщо відро ковзає з боку на бік на гаку, спробуйте обмотати тонкою стрічкою з обох боків гачок на ручці. Це утримує відро та вагу вантажу посередині.
ПОРАДА. Ви щойно створили прототип , який є ранньою версією продукту. Прототипи допомагають інженерам зрозуміти сильні та слабкі сторони продукту та те, як продукт можна вдосконалити.
Крок 15. Перевірте свій кран
Додайте ваги до свого відра.
Завести кран.
За потреби перепроектуйте. Потім повторіть перевірку.
ПОРАДА: якщо вантаж відриває руку від коробки, спробуйте зміцнити місце її кріплення, додавши картонні опори.
ПОРАДА. Якщо рука зім’ється, спробуйте почати з міцного шматка або кількох шматків картону.
ПОРАДА. Якщо рука хитається під великим навантаженням, переконайтеся, що кабель знаходиться в центрі руки. Або спробуйте підтримати руку шнурками або смужками картону. Якщо ви покладете картонну смужку довжиною вбік, більша частина картону буде протистояти тязі вантажу вниз. Це найсильніший спосіб позиціонування смуги.