Комитет по образованию города Барнаула
Городской конкурс исследовательских работ младших школьников
«Я – исследователь»
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 51 города Барнаула
Секция: физика
Номинация: «Лучший эксперимент»
Тема: «Знание - сила!»
Автор работы
Ибель Александр,
ученик 4«Б» класса
МБОУ СОШ № 51 г. Барнаула
Руководитель работы
Танкова Татьяна Георгиевна,
учитель начальных классов
Барнаул 2019
Содержание
Введение.............................................................................................................................3
Часть 1. Что такое рычаг? .......................................................................................4-9
1.1. Рычаг- древнейший механизм..................................................................4-5
1.2. Понятие рычага. Его разновидности. ......................................................6-7
1.3. Правило равновесия рычага. …...................................................................8
Часть 2. Применение рычагов в жизни. …..........................................................10-11
Часть 3. Практическая часть. Эксперименты в домашних условиях. …..........12-13
Заключение …..............................................................................................................14-15
Список литературы и источников …..............................................................................16
Введение
Однажды, я смотрел свой любимый мультфильм "Фиксики". В серии "Рычаг" Дим Димыч с помощью хоккейной клюшки поднял диван (См. слайд 1). Мне захотелось узнать, возможно ли это в действительности? Смогу я повторить этот эксперимент? Я спросил у взрослых: «Правда, что простая палка сможет мне помочь поднять диван?» Родители объяснили мне, что в мультфильме клюшку использовали в качестве рычага.
У меня возникли вопросы: что такое рычаг? Как он работает? Где применяется?
Чтобы подробнее исследовать эту тему, я обратился к науке физике.
Я выдвинул гипотезу: возможно, такое приспособление, как рычаг помогает человеку стать сильнее.
Цель работы: выяснить принцип работы рычага.
Задачи:
1. узнать, что такое рычаг;
2. выяснить, где применяется рычаг в жизни людей;
3. провести опыты с рычагом;
4. подготовить электронную презентацию по результатам исследования.
Методы:
- поиск информации в литературе и Интернете,
- наблюдение,
- опытно - экспериментальная работа,
- моделирование.
1. Что такое рычаг?
1.1. Рычаг- древнейший механизм.
Рычаг - простой механизм, который позволял многократно увеличивать физические возможности человека. Сегодня трудно определить место и время, когда рычаг был впервые применен человеком осознанно. Наверное, это была палка, с помощью которой человек выворачивал из земли камни и выдергивал съедобные корни. С помощью палки было легче приподнять тяжелый камень, поддев его снизу. Чем палка длиннее, тем легче передвигать камень. Палка здесь выступает в роли простейшего рычага, принцип действия которого люди понимали уже в те давние времена.
Мотыга и весло были изобретены человеком для уменьшения силы, которую необходимо было прикладывать для выполнения какой - либо работы. (См. слайд 2).
Без рычага было бы невозможно поднять тяжёлые каменные плиты при постройке пирамид в Древнем Египте.
Около 1500 года до нашей эры в Египте и Индии появляется шадуф – прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой. (См. слайд 2)
В России так же использовалось подобное устройство для поднятия воды из колодца и называлось оно «Журавль». До сих пор в деревнях есть эти колодцы. В деревне у бабушки я видел на огороде. Местные жители называют их "копанки".(См. слайд 2)
Таким образом, мы не знаем ни имени автора рычага, ни точной даты его изобретения. Но с полной уверенностью можем утверждать, что древние люди без математических правил и законов физики придумали и широко использовали простые механизмы, опираясь на свою интуицию и опыт.
В III веке до н. э. греческий ученый Архимед дал первое письменное объяснение принципу работы рычага. Закон равновесия, сформулированный им, используется до сих пор и звучит так: «Рычаг находится в равновесии тогда, когда действующие на него силы обратно пропорциональны плечам этих сил». Архимед изложил полную теорию рычага и успешно применял ее на практике.
Известно что Архимед построил в порту Сиракуз немало блочно-рычажных механизмов для облегчения подъёма и транспортировки тяжёлых грузов. Винт (шнек) для вычерпывания воды до сих пор применяется в Египте.
Архимед соорудил систему блоков (полиспаст), с помощью которой он смог спустить на воду тяжёлый многопалубный корабль одним движением руки.
Великий ученый создал метательные машины, способные бросать с большой скоростью камни массой около 250 кг и механизмы, бросающие с берега на суда тяжёлые брёвна (См. слайд 3).
Так называемая «Лапа Архимеда» представляла собой уникальную подъемную машину — прообраз современного крана. Это был огромный рычаг, выступающий за городскую стену и оснащённый противовесом (См. слайд 3). Древние историки писали, что, если вражеский корабль пытался пристать к берегу, эта машина, управляемая специально обученным человеком, захватывала нос корабля и переворачивала его.
Оценивая роль Архимеда-механика, можно сказать, что, благодаря его изобретениям, человечество научилось спускать на воду большие корабли, строить боевые машины.
1.2. Понятие рычага. Его разновидности.
Сила человека ограничена, поэтому он часто применяет устройства (или приспособления), позволяющие преобразовать силу человека в силу, существенно большую. Тяжёлый предмет (камень, шкаф, станок), который невозможно передвинуть непосредственно, сдвигают с места при помощи достаточно длинной и прочной палки – рычага.
Рычаг представляет собой твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры (См. слайд 4). У рычага есть два плеча. Плечо — это расстояние от точки опоры до точки приложения силы. (См. Слайд 4 ) В качестве рычага могут быть использованы лом, доска и тому подобные предметы.
Различают два вида рычагов. У рычага 1-го рода неподвижная точка опоры О располагается между линиями действия приложенных сил, а у рычага 2-го рода она располагается по одну сторону от них. (См. слайд 4).
Разновидностями рычага являются два простых механизма: блок и ворот. (См. слайд 5).
Такой механизм, как ворот, состоит из цилиндра (барабана) и прикрепленной к нему рукоятки. Он тоже был изобретен в глубокой древности. Чаще всего его применяли для подъема воды из колодцев. (См. слайд 5)
Более совершенным механизмом является лебёдка. Она представляет собой сочетание ворота с двумя зубчатыми колёсами разного диаметра. Лебедку можно рассматривать как комбинацию двух воротов. (См. слайд 5)
Блок представляет собой устройство, имеющее форму колеса с желобом, по которому пропускают веревку, трос или цепь.
Различают два основных вида блоков — подвижный и неподвижный. (См. слайд 5). У неподвижного блока ось закреплена и при подъеме грузов не поднимается и не опускается, а у подвижного блока ось перемещается вместе с грузом. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе. Его применяют для того, чтобы изменить направление действия силы. Так, например, прикладывая к веревке, перекинутой через такой блок, силу, направленную вниз, мы заставляем груз подниматься вверх.
Иначе обстоит дело с подвижным блоком. Этот блок позволяет небольшой силой уравновесить силу, в 2 раза большую.
На практике часто применяют комбинацию подвижного блока с неподвижным. Это позволяет изменить направление силового воздействия с одновременным двукратным выигрышем в силе.
Для получения большего выигрыша в силе применяют грузоподъемный механизм, называемый полиспастом. Греческое слово «полиспаст» образовано из двух корней: «поли» — много и «спао» — тяну, так что в целом получается «многотяг». (См. слайд 5)
Полиспаст представляет собой комбинацию из двух обойм, одна из которых состоит из трех неподвижных блоков, а другая — из трех подвижных блоков. Поскольку каждый из подвижных блоков удваивает силу тяги, то в целом полиспаст дает шестикратный выигрыш в силе.
Мне посчастливилось видеть этот механизм своими глазами и даже управлять им! На работе у папы есть грузоподъемный механизм — электрическая кран-балка. В основе его действия полиспаст.
Еще я вспомнил, что у меня есть игрушечный подъемный кран, который сломан и пылится на шкафу. Мы с папой его починили. Оказалось, он тоже работает по принципу полиспаста (См. слайд 6).
Из конструктора "Лего" мы сделали модель полиспаста. Конечно, тяжелый груз наш механизм не поднимет. Но, благодаря этой игрушке, я изучил конструкцию и принцип действия полиспаста (См. слайд 6). И с удовольствием поиграл!
1. 3.Правило равновесия рычага
Использование рычага позволяет получить выигрыш в силе. Для расчета выигрыша в силе, получаемого с помощью рычага, следует знать, открытое Архимедом еще в III в. до н. э., правило равновесия рычага: «Рычаг находится в равновесии тогда, когда действующие на него силы обратно пропорциональны плечам этих сил» (См. слайд 7). Помогает понять это правило опыт "Бегемот и птичка", который я встретил в литературе (См. слайд 7).
«Возьми два предмета разного веса. Я брал фарфоровую фигурку бегемота и гораздо более легкую деревянную птичку. Посади их на концы линейки, положенной серединой на круглый карандаш. Кто перетянет? Ясно, что бегемот. Он ведь тяжелее.
Ну, а если сдвинуть карандаш поближе к бегемоту? Еще, еще ближе! Смотри-ка: птичка и бегемот уравновесились! А подвинь карандаш еще ближе к бегемоту — и птичка перевесит!
Что же понадобилось легкой птичке для того, чтобы перетянуть тяжелого бегемота? Приспособление, состоящее из линейки и карандаша. Линейка опирается на карандаш. Место, в котором она опирается, называют точкой опоры. Длинную палку с точкой опоры называют рычагом.
Дело, конечно, в том, что концы рычага имеют разную длину. Мы ведь подвигали карандаш совсем близко к бегемоту. И тогда только птичке удавалось этого бегемота поднять. Еще бы, она ведь опускалась с большой высоты, чтобы приподнять неподатливого бегемота едва на какой-нибудь сантиметр!
Птичка может поднять бегемота, только ухватившись за длинный конец рычага. Но при этом ей нужно пройти большой путь. А бегемот сдвигается совсем немного.
Оказывается, сила птички увеличивается во столько раз, во сколько ее конец рычага длиннее. Собственно, не конец, а вся часть рычага от точки опоры до конца, до того места, где сидит птичка. Эта часть рычага называется плечом. Так вот, если одно плечо длиннее другого вдвое — и сила увеличивается тоже вдвое. Плечо длиннее в десять раз — и сила удесятерится!” 1
Из проделанного опыта следует вывод: для того чтобы уравновесить меньшей силой большую силу, необходимо, чтобы ее плечо превышало плечо большей силы.
Многовековая практика доказала, что ни один из механизмов не даёт выигрыша в работе. Применяют же их для того, чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или пути. Уже древним учёным было известно правило: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Это правило назвали «золотым правилом» механики. Его автором является древнегреческий учёный Герон Александрийский, живший в I веке н.э. (См. Слайд 7).
Таким образом, в большинстве случаев рычаг применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить силу, действующую на тело, в несколько раз.
_________________
1. Гальперштейн Л.Я. Здравствуй, физика!-М.:Детская литература, 1967.- 210 с.-с. 18-21.
2. Применение рычагов в жизни.
В нашем современном мире рычаги находят широкое применение как в природе, так и в рукотворном мире, созданном человеком. Практически любой механизм, преобразующий механическое движение, в том или ином виде использует рычаги.
Рычаги встречаются в разных частях тела человека и животных. Это, например, конечности, челюсти. Много рычагов можно увидеть в теле насекомых и птиц (См. слайд 8).
Рычаги так же распространены и в быту, это и водопроводный кран, и дверь, и различные кухонные приборы. (См. слайд 8).
Рычаги используются в различных инструментах - это рукоятки тисков и верстаков, рычаги станков, плотницкие инструменты, инструменты спасателей и другие (См. слайд 8).
Конечно же, рычаги различного вида распространены в технике. Самые простые примеры их применения – это рычаг переключения коробки передач в автомобиле, педали автомобиля или трактора, ручной тормоз велосипеда. Ручка швейной машины и клавиши пианино – это тоже рычаги.
Даже в спорте применяются рычаги. Прыжки в высоту с шестом очень наглядный пример. При помощи рычага длинной около трех метров и правильного приложения усилия, спортсмен взлетает на головокружительную высоту до шести метров. Кроме этого, рычагами снабжены многие спортивные снаряды. (См. Слайд 8).
На любой строительной площадке работают экскаваторы и башенные подъемные краны - это сочетание рычагов, блоков, воротов. В зависимости от «специальности» краны имеют различные конструкции и характеристики. (См. слайд 8).
Широкое применение рычаги нашли и в сельском хозяйстве – трактора, комбайны, сеялки и другие механизмы. (См. слайд 8).
Посмотрев все примеры, я убедился, что такой простой механизм, как рычаг, широко используется в конструкциях различной сложности. Даже сама природа подсказывает нам законы физики.
3. Эксперименты в домашних условиях.
Опыт №1 " Монетки":
По описанию опыта "Бегемот и птичка", изложенного выше, я провел свой эксперимент с монетками. На концы линейки, положенной на фломастер, я поставил три пятирублевых монетки и одну. Три монетки перевесили (См. слайд 9 фото 1). Потихоньку я двигал фломастер в сторону трех монеток. Мне удалось уравновесить монеты, сократив расстояние от фломастера (См. слайд 9 фото 2). Подвинув еще чуть-чуть фломастер в сторону трех монет, одна монетка перевесила (См. слайд 9 фото 3). Я наглядно убедился в том, что для того чтобы уравновесить меньшей силой большую силу, необходимо, чтобы ее плечо превышало плечо большей силы.
Опыт № 2 "Качели"
Чтобы провести следующий опыт, пришлось немного подготовиться. Я очистил качели от снега. Моим ассистентом стала младшая сестренка Настя. Мы провели взвешивание. Узнали, что мой вес 26 килограмм, а Настин 14. Я легко перевесил Настю, поскольку я тяжелее на 12 килограмм (См. слайд 9 фото № 1).
Мне уже известно, что для того чтобы уравновесить меньшей силой большую силу, необходимо, чтобы ее плечо превышало плечо большей силы. То есть, чтобы качели пришли в равновесие, мне нужно укоротить плечо рычага с моей стороны. Я сел примерно на середину (См. слайд 9 фото № 2). Потом пересел еще ближе к стойке качели (к точке опоры) и Настя перевесила меня (См. слайд 9 фото № 3).
Опыт № 3 «Портфель»
Обыкновенная палка стала для человека рычагом - самым простым механизмом. На обычной палке очень удобно вдвоем переносить груз. Пользуясь ею, можно легко поднимать и передвигать тяжести.
Я взял швабру, просунул ее под ручку портфеля. Пригласил на помощь своего друга Льва. Мы приподняли вдвоем портфель. Если он находится точно посередине, то каждый из нас нагружен одинаково (См. слайд 10 фото 1). Когда мы сдвинули портфель к одному из концов швабры, всё изменилось (См. слайд 10 фото 2, 3). Более легким груз стал для того, кто держит длинный конец. Изменились плечи рычага, изменилось и соотношение сил, которые удерживают груз в поднятом положении. Руки каждого из нас являются опорой рычага, и если расстояние до груза будет меньшим, то нагрузка на эту точку опоры будет большей.
Опыт №4 "Рюкзак"
Я взял палку и повесил на нее рюкзак. Мое плечо, в данном случае, - точка опоры рычага. Меняя положение рюкзака на палке, я проверял в каком положении легче его нести. Выяснилось: чем больше расстояние от рюкзака до плеча, тем тяжелее удержать груз. Рюкзак показался мне легким, когда я его перевесил близко к плечу. Мне пришлось приложить меньше усилий, чтобы его удержать (См. слайд 10).
Опыт № 5 "Гвоздодер"
Молотком я забил гвоздь в доску. Попытался вытащить его руками (См. слайд 11 фото 1). У меня ничего не получилось, как я ни старался. Попробовал пассатижами. Тоже трудновато! (См. Слайд11фото 2) Тогда я взял гвоздодер и легко с его помощью вытащил гвоздь. Гвоздодер в моем случае действует как рычаг, который является простым аппаратом, используемым для преодоления сопротивления во второй точке, путем применения силы. (См. слайд11)
Опыт № 6 "Силач"
Наконец, я приготовился к эксперименту, который меня заинтересовал в начале моего исследования. Мне хотелось проверить опыт, который провели Фиксики.
Сначала я попытался поднять кресло руками. Я оторвал его от пола на несколько сантиметров. Мне было неудобно в таком положении поднимать, да и удерживать тяжело.(См. слайд 11) И тогда я воспользовался полученными знаниями! Для этого я взял швабру, она будет служить рычагом, и подставил ее под кресло. Для опоры я использовал деревянный брусок. Я нажал на конец швабры и с легкостью поднял кресло достаточно высоко. (См. слайд 11) Причем удерживать его таким способом было легче, чем просто руками. Это действительно возможно!
Заключение
В результате проведенной работы я узнал об истории рычага, о его первооткрывателе, о принципе действия и разновидностях.
Я подтвердил свою гипотезу, что рычаг помогает стать сильнее. Но это не значит, что человек приобретает физическую силу. Это означает, что с помощью простых механизмов мы получаем выигрыш в силе. То есть, используя рычаг, сила, действующая на тело, увеличивается в несколько раз. Таким образом мы можем облегчить работу.
При этом не стоит забывать о «золотом правиле» механики, который упрощенно выглядит так: выигрыш в силе — проигрыш в пути. Иногда, стоит пожертвовать более коротким путем, чтобы выиграть в силе. Работа все равно будет одна и та же, но сделать ее легче потому, что увеличению пути соответствует и увеличение времени. А за больший промежуток времени работу сделать легче!
Я провел опыты и убедился, что рычаг и его разновидности действительно дают человеку выигрыш в силе или в расстоянии, или применяются для удобства.
В заключение следует сказать, мы живем в век сложной техники: электронной, электрической, ну, или снабжённой каким-нибудь двигателем. Вокруг нас компьютеры, телевизоры, автомобили, подъёмные краны и многое другое. А ведь именно простейшая техника позволила людям возводить грандиозные архитектурные сооружения и рыть каналы, строить корабли, да просто доставать воду из колодца и делать множество других полезных дел.
Я убедился, что в каждодневных бытовых делах очень часто простая палка может стать незаменимым помощником. Но, главное иметь знания, которые помогут тебе правильно воспользоваться этой палкой и преодолеть трудности.
Я вспомнил сказку Владимира Сутеева «Палочка – выручалочка», которую раньше мне читала мама. Где мудрый Ёжик сказал Зайцу: «Палку всегда найти можно, а вот выручалочку, — а выручалочка-то вот она где!» (См. слайд 12)
Можно сделать вывод, что наша сила-это наши знания! Я уверен, что становлюсь сильнее не только благодаря занятиям спортом, но и, получая и применяя новые знания. Поэтому я и дал название своей работе «Знание-сила»!
Список литературы и источников:
Физика. 7 класс/ Громов С.В., Родина Н.А. – М.: Просвещение, 2000.
Физика.7 класс/ Пёрышкин А.В. – М.:Дрофа, 2013.
Гальперштейн Л. Я. Здравствуй, физика! — М.: Детская литература, 1967.
Д. Зыков «Тяжесть не в тягость с рычагом и блоком»// Наука и жизнь- №7, 2008
http://altpp.ru/izobretenie-izmenivshie-istoriyu-chelovechestva/rychag.html
http://www.radostmoya.ru/project/akademiya_zanimatelnyh_nauk_fizika/video/? watch=rychag_zolotoe_pravilo_mehaniki
