Простые механизмы

Содержание и основные понятия

← Вернуться к оглавлению
Alterna · физика · 4.2
Простые механизмы
Рычаг, момент силы, блоки
Ножницы, щипцы, рычаг весов — все это простые механизмы. Они не создают энергию, но дают выигрыш в силе. Как работает правило рычага?
ФГОС · 7 класс
ФОП · базовый
01
Простые механизмы
Инструменты, которые облегчают работу.
Простые механизмы
Простые механизмы
— приспособления для преобразования силы: дают выигрыш в силе или изменяют направление силы.
Рычаг
— твёрдое тело, вращающееся вокруг точки опоры
Блок
— колесо с жёлобом, по которому проходит верёвка
Наклонная плоскость
— для подъёма грузов на высоту
Клин
— разъединяет или закрепляет
Винт
— наклонная плоскость, свёрнутая в спираль
02
Рычаг. Равновесие сил
Правило рычага: F₁l₁ = F₂l₂.
Рычаг
Рычаг
— твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси (точки опоры).
Плечо силы
— кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы.
Правило равновесия рычага
F₁ · l₁ = F₂ · l₂
Рычаг находится в равновесии, если произведение силы на плечо с одной стороны равно произведению силы на плечо с другой.
⚖
Рычаг — равновесие с анимацией
IV-034 · F₁l₁ = F₂l₂ · Рычаг плавно колеблется и приходит к равновесию
F₁:
10
Н
l₁:
3
дел.
F₂:
15
Н
l₂:
2
дел.
03
Момент силы
Правило моментов: сумма моментов по часовой = сумма против часовой.
Момент силы
Момент силы
— это произведение силы на плечо.
M = F · l
Единица: Н·м (ньютон-метр).
Правило моментов
Рычаг в равновесии, если сумма моментов сил, вращающих по часовой стрелке, равна сумме моментов сил, вращающих против часовой.
ΣM
по час.
= ΣM
против час.
↻
Момент силы — правило (визуализация)
IV-035 · Калькулятор + анимированная шкала моментов
F₁:
10
Н
l₁:
4
м
F₂:
20
Н
l₂:
2
м
04
Блоки
Неподвижный и подвижный блок.
Неподвижный блок
Неподвижный блок
— ось закреплена, блок не перемещается. Не даёт выигрыша в силе, но
изменяет направление
силы.
F = P (выигрыша нет)
Подвижный блок
Подвижный блок
— ось перемещается вместе с грузом. Даёт
выигрыш в силе в 2 раза
.
F = P/2 (но верёвку нужно тянуть в 2 раза больше)
⚙
Блоки — анимация подъёма груза
IV-036 · Выигрыш в силе · Нажми «Тянуть», чтобы поднять груз
Тип:
Масса груза m:
10
кг
05
Рычаги в технике, быту и природе
Где встречаются рычаги?
Рычаги в технике
Ножницы
— два рычага с общей осью. Длинные ручки, короткие лезвия → выигрыш в силе.
Кусачки
— ещё больший выигрыш в силе.
Рычажные весы
— равноплечие рычаги.
Руль автомобиля
— рычаг (руль + колонка).
Рычаги в природе
Рука человека
— рычаг: локоть = опора, бицепс = сила, груз в кисти = нагрузка.
Челюсти
— рычаг для кусания.
Лапы животных
— рычаги для бега и прыжков.
Ц
Что нужно понимать
Результат 1
Объяснять физический смысл темы «Простые механизмы» через модель, а не только через формулу.
Результат 2
Различать и корректно использовать термины: рычаг, плечо, момент силы.
Результат 3
Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.
Т
Термины темы
Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.
рычаг
Твёрдое тело, способное вращаться вокруг опоры и используемое для преобразования силы.
плечо
Кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы.
момент силы
Мера вращательного действия силы относительно оси или точки.
блок
Простое устройство в виде колеса с желобом для нити, изменяющее направление силы или дающее выигрыш в силе.
Ф
Происхождение и вывод формул
Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.
M
=
F
l
M=Fl
M
=
Fl
определение
Момент силы.
Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.
l
=
расстояние от оси до линии действия силы
l=\text{расстояние от оси до линии действия силы}
l
=
расстояние
от
оси
до
линии
действия
силы
Плечо силы определяют как кратчайшее, то есть перпендикулярное, расстояние до линии её действия.
M
=
F
l
M=Fl
M
=
Fl
Момент силы вводят как произведение модуля силы на плечо, чтобы характеризовать её вращательное действие.
Условия:
Плоская задача, в которой ось перпендикулярна плоскости действия силы; F — модуль силы, а l — перпендикулярное расстояние от точки пересечения оси с этой плоскостью до линии действия силы. В общем случае используют проекцию вектора r × F на ось.
Контроль:
Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.
F
1
l
1
=
F
2
l
2
F_1l_1=F_2l_2
F
1
​
l
1
​
=
F
2
​
l
2
​
следствие модели
Равновесие рычага.
Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.
∑
M
=
0
\sum M=0
∑
M
=
0
Для равновесия рычага сумма моментов сил относительно опоры должна быть равна нулю.
M
1
=
F
1
l
1
,
M
2
=
F
2
l
2
M_1=F_1l_1,\qquad M_2=F_2l_2
M
1
​
=
F
1
​
l
1
​
,
M
2
​
=
F
2
​
l
2
​
Силы по разные стороны опоры создают противоположно направленные моменты.
M
1
=
M
2
⇒
F
1
l
1
=
F
2
l
2
M_1=M_2\Rightarrow F_1l_1=F_2l_2
M
1
​
=
M
2
​
⇒
F
1
​
l
1
​
=
F
2
​
l
2
​
Равновесие требует равенства модулей вращающих действий.
Условия:
Жёсткий невесомый рычаг в покое; относительно опоры действуют только два ненулевых противоположных момента F₁l₁ и F₂l₂. Если существенны вес рычага, трение или другие силы, применяют полное уравнение ΣM = 0 с их моментами вместо двухчленного равенства.
Контроль:
Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.
!
Границы модели и типичные ошибки
Ошибка: забыть условие модели
Нельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: Рычаг — твёрдое тело, вращающееся вокруг точки опоры
Как проверить рассуждение
Блок — колесо с жёлобом, по которому проходит верёвка Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.
Σ
Вывод по теме
Простые механизмы
Ножницы, щипцы, рычаг весов — все это простые механизмы. Они не создают энергию, но дают выигрыш в силе. Как работает правило рычага?
Рычаг — твёрдое тело, вращающееся вокруг точки опоры
Блок — колесо с жёлобом, по которому проходит верёвка
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.
Содержание сверено с ФРП по физике ООО/СОО 2025 года и тематикой действующих линий ФПУ: И. М. Пёрышкин и соавторы (7–9), Г. Я. Мякишев и соавторы (10–11); углубления — с линиями «Инженеры будущего» и В. А. Касьянова. Формулировки оригинальные, тексты учебников не воспроизводятся.