Простейшие механизмы Габибов Руслан Анатольевич Класс 10 А

Простейшие механизмы Габибов Руслан Анатольевич Класс 10 «А» ГБОУ СОШ №: 448

Введение Простейшие механизмы — устройства, служащие для преобразования силы. Представляют собой элементы более сложных механизмов. Некоторые из простейших механизмов появились в глубокой древности. Они призваны облегчить проведение работ по перемещению разнообразных грузов, людей, оптимизировать деятельность крупных фабрик, заводов, складов и даже супермаркетов. Они широко применяются и востребованы в наши дни и в тоже время являются частью мировой истории, и одним из самых значимых удобств нашей повседневной жизни. Мы встречаемся с подъемными механизмами каждый день. Вы узнаете где появились первые лифты и как они работали, каким образом можно поднять многотонный груз, и с помощью каких устройств древние люди построили такие архитектурные произведения как: Египетские пирамиды в Гизе, Стоунхендж в Англии, Колизей в Риме и многие другие памятники инженерной мысли.

Цели работы: 1) Ознакомиться с понятием «простые механизмы» и их применением 2)Ознакомится с историей механизмов: В Древнем Мире В Западной Европе В России 3)Ознакомиться с историей лифта его становлением 4) Узнать об истории и конструкции современных грузоподъемных кранов 5) Ознакомиться с полиспастами и их устройством

Простые механизмы Видов простых механизмов очень много. Это и рычаг, и блок, и клин, и многие другие. Простыми механизмами в физике называют приспособления, служащие для преобразования силы. Наклонная плоскость, которая помогает вкатывать или втаскивать тяжелые предметы наверх – это тоже простой механизм. Применение простых механизмов очень распространено как в производстве, так и в быту. Чаще всего простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить в несколько раз силу, действующую на тело. Один из самых простых и распространенных механизмов – рычаг. Рычагом в физике называют твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры. Различают два вида рычагов. У рычага первого рода точка опоры находится между линиями действия приложенных сил. У рычага второго рода точка опоры расположена по одну сторону от них. То есть, если мы пытаемся при помощи лома сдвинуть с места тяжелый предмет, то рычаг первого рода – это ситуация, когда мы подкладываем брусок под лом, надавливая на свободный конец лома вниз. А рычаг второго рода – это когда мы, подсунув край лома под тяжесть, тянем лом вверх, пытаясь таким образом перевернуть предмет. Здесь точка опоры находится в месте упора лома о землю.

Закон равновесия сил на рычаге Используя рычаг, мы можем получить выигрыш в силе и поднять неподъемный голыми руками груз. Расстояние от точки опоры до точки приложения силы называют плечом силы. Причем, можно рассчитать равновесие сил на рычаге по следующей формуле: F 1 / F 2 = l 2 / l 1 где F 1 и F 2 – силы, действующие на рычаг, а l 2 и l 1 – плечи этих сил. Это и есть закон равновесия рычага, который гласит: рычаг находится в равновесии тогда, когда действующие на него силы обратно пропорциональны плечам этих сил. Этот закон был установлен Архимедом еще в третьем веке до нашей эры. Из него следует, что меньшей силой можно уравновесить большую. Для этого необходимо, чтобы плечо меньшей силы было больше плеча большей силы. А выигрыш в силе, получаемый с помощью рычага, определяется отношением плеч приложенных сил. Начав использоваться с глубокой древности, рычаг повсеместно применяется и в наши дни, как на производстве, например, подъемные краны, так и в быту, например, ножницы, весы и так далее.

Блок — простое механическое устройство, позволяющее регулировать силу, ось которого закреплена при подъеме грузов, не поднимается и не опускается. Представляет собой колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Жёлоб предназначен для каната, цепи, ремня и т. п. Ось блока помещается в обоймах, прикреплённых на балке или стене, такой блок называется неподвижным (то есть ось блока закреплена); если же к этим обоймам прикрепляется груз, и блок вместе с ними может двигаться, то такой блок называется подвижным. Неподвижный блок употребляется для подъёма небольших грузов или для изменения направления силы. Условие равновесия блока: F=fmg , где F — прилагаемое внешнее усилие, m — масса груза, g — ускорение свободного падения, f— коэффициент сопротивления в блоке (для цепей примерно 1, 05, а для верёвок — 1, 1). При отсутствии трения для подъема нужна сила, равная весу груза. Подвижный блок имеет свободную ось и предназначен для изменения величины прилагаемых усилий. Если концы веревки, обхватывающей блок, составляют с горизонтом равные между собой углы, то действующая на груз сила относится к его весу, как радиус блока к хорде дуги, обхваченной канатом; отсюда, если веревки параллельны (то есть когда дуга, обхватываемая веревкой, равна полуокружности), то для подъёма груза потребуется сила вдвое меньше, чем вес груза, то есть: F=fmg / 2 При этом груз пройдёт расстояние, вдвое меньшее пройденного точкой приложения силы F, соответственно, выигрыш в силе подвижного блока равен 2.

Древний мир Устройства для подъема или перемещения грузов были известны в глубокой древности. Подъем и перемещение очень больших по весу грузов при постройках в древнем мире, например, сооружение пирамид Хеопса более чем за 2000 лет до н. э. , гидротехнические сооружения в древнем Китае, в долине Желтой реки, постройки в древнем Риме, были невозможны без простейших грузоподъемных приспособлений.

Воду в странах Востока, Индии и древнем Китае поднимали при помощи рычажных подъёмников. Задолго до н. э. в Китае активно использовались вертикальные и горизонтальные вороты с ручным приводом. Древние греки применяли для подъема грузов приспособление "журавль" (по гречески - "геранос"). "Журавль" обозначает по-немецки "краних", откуда и произошло русское название "кран" для различных грузоподъемных устройств. Подъемник "геранос" с ручным приводом использовался в V в. до н. э. для возведения крепостных стен, а также при театральных зрелищах для подъема по ходу пьесы действующих лиц и театральной бутафории.

Позднее древними греками были введены в практику рудоподъема, транспорта и строительства конные вороты, полиспасты и сложные подъемные установки. Дальнейшее совершенствование этих установок римлянами привело к созданию поворотных подъемных кранов. По описанию Витрувия, относящемуся к I веку до нашей эры, краны эти укреплялись на прочных деревянных брусьях, которые могли поворачиваться на катках в любую сторону. Подъем груза такими кранами мог осуществляться на высоту до 12 м; приводились они в действие с помощью ручных воротов или посредством топчаков. В древнем Риме впервые появились также клетевые подъемники - прототипы современных лифтов.

Россия В конце XVII в. в Московском Кремле был поднят при помощи ручных лебедок (воротов) с использованием противовесов и рычагов Царь-колокол весом более 130 т. Лебедки при этом были размещены на башне. Поднятые заранее небольшие грузы-противовесы были уложены на площадках, подвешенных к канатам, переброшенным через четырехгранные блоки. Применение противовесов значительно уменьшило усилие для подъема груза. На рисунке показано устройство для подъема руды, предложенное в 1752 г. Две грузовые платформы были связаны с воротом таким образом, что груженая рудой платформа под действием составляющей собственного веса платформы и груза перемещалась вниз и поднимала при этом параллельно расположенную пустую платформу. Для регулирования скорости спуска применялся одноколодочный тормоз, колодка которого системой рычагов действовала на большое тормозное колесо, насаженное на вал ворота. Подобные маятниковые скатные устройства нашли применение в горнозаводском деле

Примером применения лебедок, полиспастов и катков для перемещения груза на значительные расстояния может служить доставка гранитного камня весом около 1000 пудов для цоколя памятника Петру I в 1769 г. Камень перемещался по специальному настилу из двух деревянных рам-обойм, имевших продольные желоба, армированные медными листами. В желобах, между верхней и нижней обоймами, помещались бронзовые шары. Обоймы с шарами образовывали подобие шарикового упорного подшипника. По мере продвижения под камень, помещавшийся на верхней деревянной раме-обойме, укладывались новые нижние обоймы с шарами.

С помощью деревянных лесов и деревянных воротов в 1832 г. - в Петербурге были выполнены работы по установке Александровской колонны, вес которой превышал 600 тонн, а перед этим в 1828 -1830 гг. работы по установке колонн двухъярусной колоннады Исаакиевского собора, . Модель лесов, применявшихся для подъёма колонн Были установлены 16 чугунных во ротов-кабестанов, на каждом из которых работало по восемь человек. Колонну обшивали войлоком и циновками, обвязывали корабельными канатами и вкатывали в один из пролётов лесов, а концы канатов через систему блоков закрепляли на кабестанах. Рабочие, вращая во роты, приводили монолит в вертикальное положение. Установка одной 17 -метровой колонны весом 114 тонн занимала около 45 минут. Монферран в своих записях отмечал, что «деревянная конструкция лесов столь совершенна, что при всех сорока восьми установках колонн ни разу не было слышно даже простого скрипа» .

Грузоподъёмный кран Кран грузоподъёмный — общее название для подкласса грузоподъёмных машин, предназначенных для пространственного перемещения грузов, временное зацепление которых осуществляется с применением различных грузозахватных приспособлений: крюковых подвесок, грузозахватных органов специального конструктивного исполнения. . В XI-XII веках, с развитием торговли и мореплавания, стали появляться первые варианты современных кранов. Они обладали ручным приводом, либо приводом от топчаковых колёс. Конструкции кранов вначале выполнялись из дерева, а крюки и оси делали из стали. Подобный кран, сохранившийся до наших дней, был спроектирован и изготовлен в 1330 году. Он обладал возможностью поворота и приводился в движение от топчаковых колёс

Первый прототип современных башенных кранов появился в 1913 году: кран, созданный Юлиусом Вольфом, обладал поворотной платформой, расположенной в верхней части башни. Ещё через 15 лет появляется первый башенный кран с балочной стрелой, а в 1952 году — с подъёмной. Все башенные краны имеют башню, что подразумевается уже самим их названием, и стрелу; эти башни и стрелы бывают самыми разнообразными. Башня крана – как бы его остов, который служит для поддержания стрелы на определенной высоте, а также для передачи нагрузок со стрелы на ходовую раму и крановые пути. Башню изготовляют из металлических уголков или труб, иногда бывают башни, выполненные в виде сплошной трубы. Даже в такой сложной совокупности механизмов как кран, повсеместно используются принципы рычагов.

Полиспаст Полиспа ст (др. -греч. πολύσπαστον от πολύσπαστος — натягиваемый многими верёвками или канатами) таль, грузоподъёмное устройство, состоящее из собранных в подвижную и неподвижную обоймы блоков, последовательно огибаемых канатом или цепью, и предназначенное для выигрыша в силе (силовой полиспаст) или в скорости (скоростной полиспаст). F=Fгруза/ 2(N-1) где N-число подвижных блоков

Силовые полиспасты В силовом полиспасте груз подвешивается к подвижной обойме, а тяговое усилие прикладывается к ветви каната, сбегающей с последнего из последовательно огибаемых канатом блоков. Сила натяжения каната (без учёта потерь на трение) определяется как частное от деления массы груза на кратность полиспаста (под кратностью полиспаста понимается число ветвей каната, на которые распределяется груз). Силовой семикратный полиспаст: 1 — кольцо для подвески груза; 2 — подвижная обойма; 3 — сбегающая на лебёдку ветвь каната; 4 — неподвижная обойма; 5 — серьга для подвески полиспаста

Лифт и его история Впервые о лифте писал римский архитектор Витрувий, ссылавшийся в свою очередь на Архимеда, который построил подъёмный аппарат, вероятно, ещё в 236 году до н. э. Более поздние упоминания о лифтах датируются серединой VI века (лифты Монастыря Святой Екатерины в Египте), первой четвертью XVIII века (во Франции) и XVII века (лифт Виндзорского замка в Великобритании, «Летающий стул» Велайера в одном из парижских дворцов). В XVIII веке пассажирские лифты начали применяться в Российской империи (лифты дворцовых построек Царского Села, подмосковной усадьбы Кусково, подъёмные стол и кресло в петродворцовском Эрмитаже). В 1795 году И. П. Кулибин разработал конструкцию винтового пассажирского лифта (подъёмных и спускных кресел) для Зимнего дворца. В 1816 году лифт был установлен в главном доме подмосковной усадьбы Архангельское.

На выставке достижений науки и техники, проходившей в Нью-Йорке в 1854 году, Элиша Грейвс Отис смонтировал свой лифт, нагрузил на платформу тяжелые бочки и сейфы и стал на нее сам. Поднявшись на 10 м, он дал сигнал помощнику. Тот перерубил тросы, толпа ахнула, но страховочный механизм сработал надежно: кабина остановилась, как вкопанная. Отис несколько раз поклонился публике, повторяя: «Все безопасно, господа, все безопасно. » В 1859 году фирма Отиса поставила в отеле «Пятая авеню» винтовой лифт. От подвала до чердака здание пронизывал огромный металлический винт, а кабина ходила по нему как гайка. Винт вращался через шкив ремнём от паровой машины, стоявшей в подвале. Когда винт вращался вправо, кабина шла вверх, влево — вниз. Чтобы кабина не вращалась вместе с винтом, вдоль одного её угла в шахте лифта проходил рельс -ограничитель. В этот период лифты, как правило, приводились в движение паровой машиной по направляющим, подъёмные канаты наматывались и сматывались с барабана.

Лифт впервые стал таким, каким мы его знаем — электрическим, впервые в 1904 году. Общие принципы его работы с тех пор не меняются. Второе же его назначение – показывать насколько современно и функционально здание, в котором вы находитесь, актуально и по сей день. Наиболее ярко это проявилось именно в тех зданиях, которые не могли бы быть построены без изобретения лифта – небоскребах.

Интересные факты 1. Существуют лифты и для судов. Они были построены (и некоторые действуют до сих пор) в Канаде, Германии, Франции и России. 2. С начала XXI века ведётся разработка проектов по созданию космического лифта, который бы позволил поднимать грузы на околоземную орбиту. 3. Речь, используемая для представления новых проектов, называется «презентацией для лифта» . Считается, что такая презентация должна быть достаточно краткой, чтобы её можно было полностью рассказать за время поездки в лифте. 4. Самый высокий небоскрёб США ( «Уиллис-тауэр» в Чикаго) имеет 106 лифтов, 16 из которых — двухэтажные, то есть принимают и высаживают пассажиров сразу с двух этажей. Два экспресс-лифта для посетителей смотровой площадки на крыше преодолевают 412 метров за минуту и несколько секунд. 5. Самые скоростные лифты установлены в здании Taipei 101 - 16, 83 м/с. 6. Николас Вайт — сотрудник журнала Business. Week, офис которого находится в здании Mc. Graw-Hill building, 15 октября 1999 года в результате скачка напряжения застрял в лифте на 41 час. 7. Самый высотный лифт находится в Шамони (Франция), он прорублен в скале и поднимает туристов с высоты 3777 метров на высоту 3842 метра. 8. Самыми мощными в мире являются 2 крана, установленные на полупогруженном корабле «Микопери-7000» (190 м в длину, 89 м в ширину). Краны принадлежат компании «Оффичине мекканиче реджане» (Италия), спроектированы американской фирмой «Херст энд Деррик» , построены итальянской компанией «Монфалконе» и введены в строй 15 декабря 1986 г. Каждый имеет грузоподъёмность 6895 т. Вместе они могут поднять 14 тыс. т. груза. В первые 6 месяцев работы один из них поднял рекордный груз в 5700 тонн [1].

Интересные факты 1. Существуют лифты и для судов. Они были построены (и некоторые действуют до сих пор) в Канаде, Германии, Франции и России. 2. С начала XXI века ведётся разработка проектов по созданию космического лифта, который бы позволил поднимать грузы на околоземную орбиту. 3. Речь, используемая для представления новых проектов, называется «презентацией для лифта» . Считается, что такая презентация должна быть достаточно краткой, чтобы её можно было полностью рассказать за время поездки в лифте. 4. Самый высокий небоскрёб США ( «Уиллис-тауэр» в Чикаго) имеет 106 лифтов, 16 из которых — двухэтажные, то есть принимают и высаживают пассажиров сразу с двух этажей. Два экспресс-лифта для посетителей смотровой площадки на крыше преодолевают 412 метров за минуту и несколько секунд. 5. Самые скоростные лифты установлены в здании Taipei 101 - 16, 83 м/с 6. Николас Вайт — сотрудник журнала Business. Week, офис которого находится в здании Mc. Graw-Hill building, 15 октября 1999 года в результате скачка напряжения застрял в лифте на 41 час. 7. Самый высотный лифт находится в Шамони (Франция), он прорублен в скале и поднимает туристов с высоты 3777 метров на высоту 3842 метра. 8. Самыми мощными в мире являются 2 крана, установленные на полупогруженном корабле «Микопери-7000» (190 м в длину, 89 м в ширину). Краны принадлежат компании «Оффичине мекканиче реджане» (Италия), спроектированы американской фирмой «Херст энд Деррик» , построены итальянской компанией «Монфалконе» и введены в строй 15 декабря 1986 г. Каждый имеет грузоподъёмность 6895 т. Вместе они могут поднять 14 тыс. т. груза. В первые 6 месяцев работы один из них поднял рекордный груз в 5700 тонн [1].

Интересные факты 1. Существуют лифты и для судов. Они были построены (и некоторые действуют до сих пор) в Канаде, Германии, Франции и России. 2. С начала XXI века ведётся разработка проектов по созданию космического лифта, который бы позволил поднимать грузы на околоземную орбиту. 3. Речь, используемая для представления новых проектов, называется «презентацией для лифта» . Считается, что такая презентация должна быть достаточно краткой, чтобы её можно было полностью рассказать за время поездки в лифте. 4. Самый высокий небоскрёб США ( «Уиллис-тауэр» в Чикаго) имеет 106 лифтов, 16 из которых — двухэтажные, то есть принимают и высаживают пассажиров сразу с двух этажей. Два экспресс-лифта для посетителей смотровой площадки на крыше преодолевают 412 метров за минуту и несколько секунд. 5. Самые скоростные лифты установлены в здании Taipei 101 - 16, 83 м/с. 6. Николас Вайт — сотрудник журнала Business. Week, офис которого находится в здании Mc. Graw-Hill building, 15 октября 1999 года в результате скачка напряжения застрял в лифте на 41 час. 7. Самый высотный лифт находится в Шамони (Франция), он прорублен в скале и поднимает туристов с высоты 3777 метров на высоту 3842 метра. 8. Самыми мощными в мире являются 2 крана, установленные на полупогруженном корабле «Микопери-7000» (190 м в длину, 89 м в ширину). Краны принадлежат компании «Оффичине мекканиче реджане» (Италия), спроектированы американской фирмой «Херст энд Деррик» , построены итальянской компанией «Монфалконе» и введены в строй 15 декабря 1986 г. Каждый имеет грузоподъёмность 6895 т. Вместе они могут поднять 14 тыс. т. груза. В первые 6 месяцев работы один из них поднял рекордный груз в 5700 тонн [1].

Интересные факты 1. Существуют лифты и для судов. Они были построены (и некоторые действуют до сих пор) в Канаде, Германии, Франции и России. 2. С начала XXI века ведётся разработка проектов по созданию космического лифта, который бы позволил поднимать грузы на околоземную орбиту. 3. Речь, используемая для представления новых проектов, называется «презентацией для лифта» . Считается, что такая презентация должна быть достаточно краткой, чтобы её можно было полностью рассказать за время поездки в лифте. 4. Самый высокий небоскрёб США ( «Уиллис-тауэр» в Чикаго) имеет 106 лифтов, 16 из которых — двухэтажные, то есть принимают и высаживают пассажиров сразу с двух этажей. Два экспресс-лифта для посетителей смотровой площадки на крыше преодолевают 412 метров за минуту и несколько секунд. 5. Самые скоростные лифты установлены в здании Taipei 101 - 16, 83 м/с (Тайбэй, Тайвань) 6. Николас Вайт — сотрудник журнала Business. Week, офис которого находится в здании Mc. Graw-Hill building, 15 октября 1999 года в результате скачка напряжения застрял в лифте на 41 час. 7. Самый высотный лифт находится в Шамони (Франция), он прорублен в скале и поднимает туристов с высоты 3777 метров на высоту 3842 метра. 8. Самыми мощными в мире являются 2 крана, установленные на полупогруженном корабле «Микопери-7000» (190 м в длину, 89 м в ширину). Краны принадлежат компании «Оффичине мекканиче реджане» (Италия), спроектированы американской фирмой «Херст энд Деррик» , построены итальянской компанией «Монфалконе» и введены в строй 15 декабря 1986 г. Каждый имеет грузоподъёмность 6895 т. Вместе они могут поднять 14 тыс. т. груза. В первые 6 месяцев работы один из них поднял рекордный груз в 5700 тонн [1].

Интересные факты 1. Существуют лифты и для судов. Они были построены (и некоторые действуют до сих пор) в Канаде, Германии, Франции и России. 2. С начала XXI века ведётся разработка проектов по созданию космического лифта, который бы позволил поднимать грузы на околоземную орбиту. 3. Речь, используемая для представления новых проектов, называется «презентацией для лифта» . Считается, что такая презентация должна быть достаточно краткой, чтобы её можно было полностью рассказать за время поездки в лифте. 4. Самый высокий небоскрёб США ( «Уиллис-тауэр» в Чикаго) имеет 106 лифтов, 16 из которых — двухэтажные, то есть принимают и высаживают пассажиров сразу с двух этажей. Два экспресс-лифта для посетителей смотровой площадки на крыше преодолевают 412 метров за минуту и несколько секунд. 5. Самые скоростные лифты установлены в здании Taipei 101 - 16, 83 м/с 6. Николас Вайт — сотрудник журнала Business. Week, офис которого находится в здании Mc. Graw-Hill building, 15 октября 1999 года в результате скачка напряжения застрял в лифте на 41 час. 7. Самый высотный лифт находится в Шамони (Франция), он прорублен в скале и поднимает туристов с высоты 3777 метров на высоту 3842 метра. 8. Самыми мощными в мире являются 2 крана, установленные на полупогруженном корабле «Микопери-7000» (190 м в длину, 89 м в ширину). Краны принадлежат компании «Оффичине мекканиче реджане» (Италия), спроектированы американской фирмой «Херст энд Деррик» , построены итальянской компанией «Монфалконе» и введены в строй 15 декабря 1986 г. Каждый имеет грузоподъёмность 6895 т. Вместе они могут поднять 14 тыс. т. груза. В первые 6 месяцев работы один из них поднял рекордный груз в 5700 тонн [1].

В связи с тем, что население Земли неуклонно растет, города строятся вверх, небоскребов становится все больше, и сами они становятся все выше, необходимость в совершенных механизмах остается актуальной и по сей день. С каждым днем они становятся компактнее, экологически чище, менее энергозатратными, и что самое главное более мощными, что позволяет развиваться градостроительству, и цивилизации в целом.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!