Наклонная плоскость как простой механизм
⚡ Физика · 7 класс
Как наклонная плоскость даёт выигрыш в силе и при чём здесь золотое правило механики.
Наклонная плоскость как простой механизм
Наклонная плоскость — это простой механизм в виде гладкой поверхности, расположенной под углом к горизонту. По ней груз поднимают не вертикально, а вкатывая или втаскивая вдоль наклона. Знакомые примеры — пандус, доска, по которой закатывают бочку, лестница, винт и клин.
Почему наклонная плоскость даёт выигрыш в силе
Поднять тяжёлый груз прямо вверх трудно — приходится преодолевать весь его вес. Если же тащить груз по пологому наклону, нужная сила оказывается меньше веса. Выигрыш в силе тем больше, чем длиннее и положе наклонная плоскость.
Чем длиннее наклонная плоскость при той же высоте, тем меньшую силу нужно приложить для подъёма груза, но тем больший путь придётся пройти.
Золотое правило и наклонная плоскость
Наклонная плоскость подчиняется золотому правилу механики: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в пути. Если высота подъёма равна h, а длина наклона — l, то идеальный выигрыш в силе равен отношению l / h.
Длина наклона l, м | Высота h, м | Выигрыш в силе l / h |
|---|---|---|
| 2 | 1 | 2 раза |
| 4 | 1 | 4 раза |
| 6 | 2 | 3 раза |
Разобранный пример
Бочку весом 600 Н закатывают по доске длиной 3 м на высоту 1 м. Какую силу нужно приложить, если трением пренебречь?
F = P · h / l = 600 Н · 1 м / 3 м = 200 Н
Вместо 600 Н достаточно 200 Н, но катить бочку придётся по пути в 3 м вместо подъёма на 1 м.
Роль трения и КПД
В реальности часть работы тратится на преодоление трения, поэтому настоящая сила больше расчётной, а коэффициент полезного действия наклонной плоскости меньше 100 процентов. Чем глаже поверхность, тем выше её КПД.
Частые ошибки. Думают, что наклонная плоскость уменьшает работу — нет, работа примерно та же, уменьшается только сила. Забывают, что выигрыш в силе сопровождается равным проигрышем в пути.
Разновидности наклонной плоскости
Многие привычные инструменты — это «спрятанные» наклонные плоскости. Клин (топор, нож, гвоздь) представляет собой две наклонные плоскости, сложенные вместе: он раздвигает или разрезает материал с большой силой. Винт — это наклонная плоскость, навёрнутая на цилиндр; чем чаще витки резьбы, тем больше выигрыш в силе. Поэтому шуруп или болт способен прочно стягивать детали, хотя руками их закручивают с небольшим усилием.
| Инструмент | Где скрыта наклонная плоскость |
|---|---|
| Пандус, доска | сама поверхность под углом |
| Топор, нож, гвоздь | клин — две наклонные плоскости |
| Шуруп, болт, винт | наклонная плоскость на цилиндре |
| Лестница, серпантин дороги | длинный пологий подъём |
Почему дороги в горах делают серпантином
В горах дороги не идут прямо вверх, а вьются длинными петлями. Это та же наклонная плоскость: удлиняя путь, делают подъём более пологим. Тогда машине нужна меньшая сила тяги, чтобы подняться на ту же высоту, а двигатель не перегружается. Так знание о наклонной плоскости помогает в строительстве дорог и подъёмных путей.
Кратко о главном
- Наклонная плоскость даёт выигрыш в силе при подъёме груза.
- Выигрыш равен отношению длины наклона к высоте:
l / h. - Во сколько раз выигрываем в силе, во столько проигрываем в пути.
- Из-за трения реальный КПД меньше 100 процентов.