§ 52. Простые механизмы

элементарные технические приспособления, которые служат для преобразования силы (изменения её модуля и направления) с целью облегчения механической работы человека:

• 1. Физическая сущность — изменение числового значения (модуля) и пространственной ориентации (вектора) действующей силы.
• 2. Фундаментальное назначение — дать человеку возможность малыми мускульными усилиями уравновешивать и преодолевать огромные силы сопротивления или поднимать тяжелые тела, а также изменять направление действия силы на наиболее эргономичное и безопасное.
• 3. Две базовые группы — все существующие простые механизмы подразделяются на рычажные устройства и наклонные плоскости, сохраняющие фундаментальную роль от античности до современных станков, строительных машин и роботов.

класс простых механизмов, представляющих собой твердые тела, способные совершать вращательное движение вокруг неподвижной оси или опоры:

• 1. Классический рычаг — жесткий стержень (балка, лом, палка), поворачивающийся на неподвижной опоре для многократного выигрыша в силе при подъеме грузов.
• 2. Блок — разновидность рычага в виде колеса с желобом по окружности, вращающегося вокруг оси; желоб направляет трос, цепь или канат, изменяя направление или величину силы.
• 3. Ворот — разновидность рычага, состоящая из жестко скрепленных цилиндрического вала (барабана) и колеса или рукоятки большего радиуса, обеспечивающая выигрыш в силе, пропорциональный отношению их радиусов (колодезный ворот, лебедка).

класс простых механизмов, представляющих собой плоскую поверхность, установленную под острым углом к горизонту:

• 1. Прямая наклонная плоскость — пандус, помост или наклонные сходни, уменьшающие необходимую для подъема силу во столько раз, во сколько длина плоскости превышает ее высоту.
• 2. Клин — разновидность наклонной плоскости, состоящая из двух наклонных поверхностей, сходящихся под острым углом; используется для раскалывания твердых тел и разрезания материалов (топоры, колуны, ножи, зубила, иглы).
• 3. Винт — разновидность наклонной плоскости, спирально навитая на цилиндрический стержень (резьба); преобразует вращательное движение в мощное поступательное осевое усилие (винтовые домкраты, прессы, струбцины, крепежные болты).

исторический водоподъемный винтовой механизм, изобретенный великим античным ученым Архимедом в III веке до н. э.:

• 1. Конструкция и принцип действия — наклонная полая труба, внутри которой герметично вращается спиральный шнек; при непрерывном вращении винта захваченные порции жидкости или сыпучего материала перемещаются вдоль наклонной оси вверх.
• 2. Современное техническое воплощение — шнековые конвейеры на элеваторах, шнеки бытовых мясорубок, строительные буры для грунта, шнекороторные снегоуборщики, экструдеры в производстве пластмасс.

• 1. Преобразование модуля силы — получение «выигрыша в силе», когда прикладываемая человеком сила $F_1$ во много раз меньше силы тяжести поднимаемого груза или силы сопротивления материала $F_2$ ($F_1 < F_2$).
• 2. Преобразование направления силы — перенаправление вектора силы $\vec{F}$ (например, рабочий тянет трос вниз под действием собственного веса, а груз поднимается вертикально вверх).

Простыми механизмами называют приспособления, которые служат для преобразования силы — изменения её числового значения (модуля) и пространственного направления с целью облегчения труда человека.

К простым механизмам относятся рычаг и наклонная плоскость, а также все их конструктивные разновидности (блок, ворот, клин, винт). Несмотря на отсутствие сложного привода, эти элементарные устройства лежат в основе узлов самых совершенных машин, станков и автоматов.

Простые механизмы применяют для двух взаимодополняющих целей:

• Преобразование модуля силы (получение выигрыша в силе): позволяют человеку при помощи относительно небольшого мышечного усилия уравновешивать или преодолевать огромные силы сопротивления и перемещать тяжелые грузы, вес которых многократно превосходит физические возможности человека.
• Преобразование направления действия силы: позволяют прикладывать силу в наиболее удобном, эргономичном и безопасном направлении (например, с помощью блока тянуть трос вниз, используя вес собственного тела, в то время как поднимаемый груз движется вверх).

При строительстве древнеегипетских пирамид более 3 тысяч лет назад в качестве основного простого механизма применяли рычаги. С помощью длинных деревянных рычагов строители отрывали каменные монолиты в каменоломнях, кантовали их, передвигали по строительным площадкам и приподнимали на нужную высоту для укладки на полозья саней и катки.

Кроме того, египтяне масштабно использовали вторую разновидность простых механизмов — наклонную плоскость в виде грандиозных пологих насыпных пандусов (рамп), по которым многотонные каменные блоки затаскивали на верхние ярусы возводимых пирамид.

1. Историческое назначение архимедова винта:

Архимедов винт (винт Архимеда), созданный в III веке до н. э. в Сиракузах, использовался главным образом как водоподъемная машина для орошения сельскохозяйственных угодий (подъема воды из низменных каналов Нила на террасы), а также для откачки трюмной воды из гигантского судна «Сиракузия». Вращающаяся спираль внутри наклонного цилиндра непрерывно переносила порции воды наверх.

2. Современное применение принципа архимедова винта:

В современной технике винт Архимеда трансформировался в шнек и применяется чрезвычайно широко:

• в быту: вращающийся шнековый вал ручной или электрической мясорубки (подает куски мяса к вращающемуся ножу), соковыжималки шнекового типа;
• в сельском хозяйстве: шнековые погрузчики зерноуборочных комбайнов и элеваторов, перемещающие зерно из бункера в транспортные кузова;
• в строительстве и горном деле: шнековые буры для бурения скважин в грунте и во льду, бетоносмесители, экструдеры для полимерных профилей;
• в коммунальной технике: снегоуборочные машины (шнекороторы, перемалывающие и выбрасывающие снег).