Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 4.

В основе почти любого «классического» механизма лежит рычаг или блок. Самый простой рычаг — это обычная палка, лежащая на опоре. У рычага есть два плеча — длинное и короткое. Плечо — это расстояние от точки опоры рычага до точки приложения силы. Если быть совсем точным — до линии приложения силы (рис.1).

Замечательное свойство рычага заключается в том, что если к его короткому плечу приложить силу, повесить, например, груз, то, чтобы поднять его или удержать рычаг в равновесии, к длинному плечу придётся приложить силу во столько раз меньше веса груза, во сколько длинное плечо больше короткого. Произведение величины силы, приложенной к рычагу, на величину длины плеча этой силы в механике называется моментом силы. Размерность его — Ньютон×метр (Нм). Рычаг находится в равновесии, когда момент силы, приложенной к длинному плечу, равен моменту на коротком плече и направлен в противоположную сторону.

Этим свойством рычага люди научились пользоваться очень давно. Если нужно поднять тяжёлый камень, достаточно засунуть под него длинную крепкую палку или металлический лом, подложить под этот рычаг камешек поменьше или полено и нажать на длинный конец. Таким же образом можно поднять шкаф или холодильник (рис. 2). Между прочим, именно с использованием свойств рычага делают тележки для перевозки мебели в магазинах.

Не менее интересен блок. Это всего-навсего насаженный на прочную ось небольшой ролик с перекинутой через него верёвкой. Если ролик закрепить на высокой опоре, то будет удобно поднимать на верёвке небольшие грузы, например ведро с краской. Но никакого заметного облегчения в работе так не получить. А вот если взять два ролика, то можно здорово выиграть в силе.

Давайте посмотрим на схему (рис.3А). Представим, что верёвка двумя концами неподвижно закреплена на потолке, а внизу на ней висит ролик с приделанным к его оси крючком. На крючке висит груз. Верёвка — штука гибкая и способна сопротивляться только растяжению. Как говорят про такие предметы — на изгиб и сжатие они не работают. И в самом деле, гнуть, вязать и комкать верёвку можно сколько угодно, а порвать (если, конечно, она хорошая) сложно. Так вот, верёвка передаёт усилие от веса груза на точки подвески, причём каждая её ветвь ровно половину.

Теперь заменим одно из креплений верёвки на блок, прицепим его ось крепко к потолку, а ролику обеспечим возможность свободно вращаться (рис.3Б). Если верёвку не удерживать, то груз, понятно, грохнется на пол. А если придерживать? А если придерживать, то вы с удивлением заметите, что груз не падает, хотя сила, приложенная к верёвке, вдвое меньше веса груза! Ещё бы, посмотрите на схему: чтобы сохранить систему в равновесии, требуется именно такая сила! Попробуйте теперь поднять груз. Окажется, что сделать это намного легче, чем на верёвке, просто перекинутой через блок. Правда, времени подъём займёт больше. А почему? Да потому, что, выигрывая вдвое в силе, мы проигрываем во столько же раз в расстоянии. И это тоже отлично видно на схеме.

Если вместо одной пары блоков взять две, то выигрыш в силе ещё раз удвоится, а если три — то выигрыш возрастёт в шесть раз (рис.4). Такая конструкция из нескольких блоков называется полиспастом. Их используют в подъёмных кранах, лифтах, на парусниках для подъёма парусов. Из нескольких блоков можно сделать небольшую, но очень удобную и полезную в хозяйстве ручную лебёдку.

Подписи к иллюстрациям

Рис. 1. Плечо рычага — это расстояние от точки опоры (она обозначена буквой А) до линии приложения силы F. Величину плеча на рисунке легко определить, построив из точки опоры перпендикуляр к линии действия силы и измерив его длину. Это и будет плечо. Заметим: длина рычага (обозначена буквой L) всегда больше (или в крайнем случае равна) величины плеча. Рычаг находится в равновесии, если моменты сил, приложенных к его плечам, равны друг другу и направлены в противоположные стороны.

Рис. 2. Конструкция тележки для перевозки мебели основана на свойствах рычага. Момент от веса груза: М₁ = F₁h₁. Чтобы груз приподнять, нужно приложить в горизонтальном направлении силу . Когда тележка наклонится, удержать её позволит сила . Заметим, что F'₂>F₂ из-за того, что по мере «заваливания» тележки плечо h₁ увеличивается, а плечо h₂ — наоборот, уменьшается.

Рис. 3. Вес груза, подвешенного на перекинутой через блок верёвке, передаётся к точкам подвески каждой её ветвью поровну. В нашем случае натяжение каждой ветви составляет 1 кг (вес груза и блока 2 кг). Чтобы уравновесить подвешенный на блоке груз, нужен противовес, имеющий вдвое меньшую массу.

Рис. 4. Пара блоков, один из которых закреплён на неподвижной оси, а другой — на свободной, называется полиспастом. Если блоков два — это простой полиспаст, если четыре (то есть две пары) — это двукратный полиспаст, если восемь — четырёхкратный. Сколько блоков в полиспасте, во столько раз при подъёме можно выиграть в силе и ровно во столько же раз проиграть в расстоянии.

№7, 2008