Лаборатория юного физика - Гальперштейн Леонид Яковлевич
Удвоенная сила тянет вторую нить, перекинутую через подвижной блок (средний из трех) и опять-таки прикрепленную к стойке. Но мы уже знаем, что подвижной блок даже и без неподвижного дает выигрыш в силе в два раза. Значит, здесь сила еще раз удваивается. Таким образом, первоначальная сила увеличилась в четыре раза.
Но на этом дело не кончается. К обойме второго подвижного блока привязана еще одна нить, перекинутая через третий (крайний справа) подвижной блок. Конец этой нити снова прикреплен к стойке, а к обойме подвижного блока подвешен груз.
Третий подвижной блок должен давать выигрыш в силе еще в два раза. Значит, общий выигрыш в силе, даваемый всем механизмом, увеличится до восьми раз.
Это легко проверить, нагрузив механизм. Один грузик весом, скажем, в 10 г действительно уравновешивает целых восемь таких же грузиков, подвешенных к левому подвижному блоку.
Правда, на самом деле выигрыш в силе будет меньше.
К грузику в 10 г нужно еще добавить перегрузок, уравновешивающий вес всех подвижных блоков. На нашем рисунке этот перегрузок имеет вид шарика. Сверху в шарик вставлен крючок, снизу — петелька.
Шарик можно отлить из свинца, вложив внутрь крючок и петельку, согнутые из одного обрезка стальной проволоки (хотя бы от канцелярской скрепки). Вес шарика можно сначала взять с запасом, а потом подогнать, спиливая излишки напильником. Уменьшать вес нужно до тех пор, пока шарик, подвешенный без основного груза в 10 г, перестанет перетягивать вес самого механизма (разумеется, также ненагруженного).
Кстати, попробуем сообразить, какой нужен вес перегрузка? На первый взгляд кажется, что он должен быть равен весу всех трех подвижных блоков вместе. Но это только на первый взгляд. В нашем механизме перегрузок должен уравновесить: 1/2 веса первого подвижного блока, 1/4 веса второго подвижного блока, 1/8 веса третьего подвижного блока, то есть всего 7/8 веса подвижного блока, если вес всех трех блоков одинаков.
Это не так много, как казалось сначала. Тем не менее выигрыш в силе все же уменьшается довольно заметно. А ведь мы пока еще только уравновешивали груз, но не пытались его поднять. Что же будет, если вместо груза и перегрузка зацепить за правый конец нити крюк динамометра?
Потянув динамометр и приведя нижний груз в движение, вы увидите, что динамометр покажет силу, заметно превышающую вес верхнего груза с перегрузком. Ведь здесь, кроме веса блоков, прибавились еще потери на трение.
Значит, в действительности этот «хитрый» механизм дает выигрыш не в восемь раз, а гораздо меньше.
Вообще говоря, наш механизм можно было бы еще усложнить. Каждый добавленный к нему подвижной блок давал бы выигрыш в силе еще в два раза. Но это — только в теории. На самом деле увеличение потерь на трение становилось бы все более заметным. В конце концов при большом числе блоков механизм вообще перестал бы давать какой-либо выигрыш. При дальнейшем же добавлении блоков будет получаться не выигрыш в силе, а проигрыш.
Вот почему на практике обычно не применяют механизмы из блоков, дающие выигрыш более чем в шесть — восемь раз. Механизм, дающий выигрыш в восемь раз, мы с вами только что разобрали. Если убрать один подвижной блок, выигрыш в силе будет только в четыре раза. Но как получить выигрыш в шесть раз?
Для этого служат механизмы, показанные на рисунках 20 и 21.
Рис. 21. Полиспаст.
Первый из них называется талями, второй — полиспастом. Каждый механизм состоит из двух обойм. В верхней закреплены три неподвижных блока, в нижней— три подвижных. Поднимаемый груз подвешен к нижней обойме. Действующий груз прикреплен к концу нити, пропущенной через все блоки последовательно. Что будет, если вытянуть конец нити, скажем, на 60 мм? Нижняя обойма несколько поднимется. При этом все шесть участков нити, на которых обойма висит, укоротятся одинаково, то есть на 10 мм каждый. Значит, и обойма поднимется на 10 мм, иными словами, получится проигрыш в расстоянии в шесть раз. Во столько же раз будет и выигрыш в силе.
Тали и полиспасты можно наращивать и дальше, увеличивая число блоков в обоймах. При этом будут получаться выигрыши в силе, равные числу участков нити между обоймами. Но сила трения «съедает» получаемое преимущество.
Сделать оба механизма несложно. Блок — точеный или из щечек от катушки. Их изготовление было описано в предыдущей статье. Если делаете тали, все шесть блоков нужны одинакового диаметра. Для полиспаста нужны три пары блоков разного диаметра. Их можно, например, сделать из трех пар разных катушек: малых (от шелковых ниток), обычных и больших (от самых толстых ниток).
Изготовление обойм понятно из рисунка 19 и предыдущей статьи. Как делать перегрузки, сказано выше.
Интересно, что такие механизмы до сих пор применяются в технике. С помощью талей и полиспастов в парусном флоте поднимали и опускали паруса. На судах с механическим двигателем тали применяются для подъема и спуска на воду спасательных шлюпок.
На рисунке 22 показано применение блоков для натяжения контактных проводов электрической железной дороги.
Рис. 22. Натягивание проводов с помощью блоков.
Прибор для определения коэффициента трения
Прибор, который мы построим, позволит определять коэффициенты трения скольжения и трения качения.
Основные части прибора — доска с кронштейнами и блоками и грузовая площадка. Понадобятся еще гири весом от 100 г до 2 кг.
Если гирь у вас нет, можете изготовить их сами; форма гири значения не имеет, важен только ее вес. Поэтому можете сделать гири из свинца, стали, меди, чугуна, даже из кусков кирпича. После того как отольете, отпилите или отобьете такую «гирю», взвесьте ее на весах и напишите вес прочной краской. Если хотите, чтобы вес выражался круглой цифрой (скажем 200 г, а не 214,5 г.), спилите излишек «гири» напильником. Самодельные гири запрещено применять в торговле и в технике. Но для лаборатории юного физика они вполне подойдут.
Размеры доски прибора: длина 40–50 см, ширина 120–150 мм, толщина 15–20 мм.
С боков подстрогайте доску под углом, чтобы она расширялась кверху. Всю доску чисто обстрогайте и отшлифуйте шкуркой. Красить и лакировать ее не нужно.
Для того чтобы определять коэффициенты трения по стали, меди, латуни, алюминию, подберите листы из этих материалов и сделайте из них «чехлы» на доску. «Чехлы» должны надвигаться со свободного конца, пока не упрутся в кронштейны. Загнутые края «чехлов» будут охватывать бока доски, сужающиеся книзу. Это не даст им отставать от доски. Кронштейны не дадут «чехлам» съехать вперед.
Грузовая площадка — это просто кусок доски размером 50x100 мм. С одной стороны гладко обстрогайте ее и отшлифуйте шкуркой, с другой — обейте гладкой листовой сталью. Шляпки гвоздей ни в коем случае не должны торчать снизу. Лучше края стального листа загнуть и прибить к площадке с боков. Переворачивая площадку, сможете определять коэффициенты трения для дерева и для стали.
В серединах короткой и длинной сторон площадки вбейте по петельке для закрепления нитки. После этого взвесьте площадку и напишите на ней ее вес.
Кронштейны для роликов расчертите по рисунку 23 на листке жести или латуни толщиной 0,5–0,8 мм и вырежьте по контуру.
Рис. 23. Прибор для определения коэффициента трения.
Сложите заготовки вместе, зажмите в тиски и опилите по контуру. Затем просверлите отверстия для осей роликов через обе заготовки сразу. Снова точно совместив заготовки, убедитесь, что отверстия совпадают. В таком положении еще раз зажмите их в тиски и молотком отогните нижние полки в противоположные стороны. Отверстия в полках под гвоздики, крепящие кронштейны к доске, можете сверлить но отдельности; здесь совмещение не требуется.
