Простые механизмы

Первыми техническими приспособлениями, изобретенными древними людьми, были простые механизмы, которые помогали им в работе. И сегодня, в XXI в., мы ежедневно пользуемся этими механизмами.

Люди всегда стремились сделать что-то, что было выше их физических сил, — передвигать огромные камни, рубить деревья, убивать животных для защиты или для еды, поэтому они изобретали приспособления, которые могли бы увеличить их силу. Простейшими механизмами, которые способны сделать это, являются наклонная плоскость, рычаг и блок. Им также помогало колесо, с помощью которого можно было перемещать груз по гладкой поверхности.

Наклонная плоскость

Наклонная плоскость позволяет преодолеть значительное сопротивление, приложив небольшое усилие, но проделав более длинный путь. Древние египтяне почти наверняка использовали наклонную плоскость: для подъема тяжелых камней на вершину пирамиды они строили земляные насыпи. Помимо собственно наклонной плоскости, по которой можно затащить тяжелый груз наверх, существуют еще две важнейшие разновидности этого механизма: клин и винт.

Клин — это кусок дерева, металла или камня, заостренный с одного конца, так что его можно вбить в какой-то предмет или между двумя предметами. Примерами клина являются нож, копье, топор, наконечник стрелы, позволяющие разрезать или раскалывать предмет и проникать в его толщу. Клин остается важным механизмом и сегодня. Мы используем лопату и мотыгу для земляных работ, топор и стамеску для работы по дереву. Гвозди — это тоже своеобразные клинья. Благодаря их острому концу мы можем забить их в дерево.

Винт — это тоже разновидное наклонной плоскости, только накрученной на стержень. Вращая винт сравнительно небольшим усилием руки, мы можем развить огромную силу, например крепко сжать две детали. В шурупе край винтовой поверхности работает еще и как клин, прорезая древесину и прокладывая путь вглубь.

Могучий рычаг

Рычаг — это твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной точки — точки опоры. Рычаги могут применяться для выигрыша в силе или в расстоянии. Чем длиннее рычаг и чем ближе груз к точке опоры, тем больше выигрыш в силе.

Многие предметы, которые мы используем в быту, представляют собой рычаги: дверные ручки, открывалки для бутылок, ножницы и др. Частными случаями рычага являются два других простейших механизма: ворот и блок.

Вероятно, первым, кто математически описал рычаг, был Архимед. Он же указал, что для выигрыша в силе рационально использовать рычаги I и II рода.

Как же определить, какой рычаг необходим? Все зависит от того, где находится точка опоры.

У рычагов I рода точка опоры расположена между грузом и точкой приложения силы. Примерами таких рычагов являются ножницы и дверные ручки.

У рычагов II рода и III рода точка опоры находится с краю. Различие в том, что у рычагов II рода рядом с точкой опоры расположен груз, как у тачки или щипцов для орехов, а у рычагов III рода — точка приложения силы, как у щипцов или пинцета.

Блоки

Блок является разновидностью рычага, у него есть точка опоры. Но рычаг обычно создает толкающее усилие, а блок или система блоков — тянущее. Рычаги, как правило, применяют на небольших расстояниях, а блоки можно использовать удаленно.

Простейшее подъемное устройство, состоящее из одного неподвижного блока и веревки, применялось для подъема бадьи с водой. Такой блок не дает выигрыша в силе, но позволяет изменить ее направление, например тянуть веревку не вверх, а вниз, или вертикальное направление силы изменить на горизонтальное.

Этот метод дает сочетание неподвижных и подвижных блоков. Первые позволяют изменить направление силы, вторые — уменьшить ее. Натяжение веревки одинаково на всех отрезках, поэтому один подвижный блок, а это два отрезка веревки, уменьшит усилие в два раза, а три отрезка веревки (сочетание подвижного и неподвижного блоков) — уже в три раза. Таким образом, усилие, необходимое для поднятия груза, можно снизить до половины, трети, четверти и т.д. от исходного веса груза.