Блоки

Вы видите на экране два блока. Слева неподвижный блок, справа - подвижный. Давайте рассмотрим принцип их действия вначале для неподвижного блока. Неподвижный блок прикреплен к опоре, и через блок перекинута нить (веревка, трос). К левому концу нити привязан груз весом P, а на правый конец нити действует вниз сила F, которая либо удерживает груз P, либо перемещает его вверх равномерно и прямолинейно. Блок мы можем рассматривать как частный случай рычага. Точкой опоры и осью вращения является точка O, плечом силы P является радиус блока OA, а плечом силы F является так же радиус блока OB. То есть плечи этих двух сил равны. Для того чтобы рычаг, или в данном случае блок, оставался в равновесии или вращался равномерно, нужно чтобы моменты сил P и F были одинаковы. Но поскольку плечи сил P и F одинаковы, то для равенства моментов при одинаковых плечах требуется равенство сил. Иначе говоря, сила F равна силе P, то есть мы не выигрываем в силе, пользуясь неподвижным блоком. Для чего же мы его используем?

Вы видите, что мы перемещаем груз P вверх, действуя силой F вниз. Иначе говоря, пользуясь неподвижным блоком, мы меняем направление действия силы. В этом и удобство при использовании неподвижного блока. Для того чтобы поднять вверх какой-то тяжелый груз, мы можем тянуть за веревку вниз.

Перейдем к подвижному блоку (правый рисунок). Нить привязана к опоре, перекинута через блок, к блоку подвешен груз весом P, и мы удерживаем этот груз силой F. Сила P направлена вниз, сила F направлена вверх. Опять-таки блок является частным случаем рычага, но в данном случае мгновенной осью вращения является точка A. Она выступает в роли точки опоры. Поэтому из рисунка видно, что плечом силы P является отрезок OA, равный радиусу блока, а плечом силы F является отрезок BA, который равен диаметру блока. Плечо силы F в два раза больше, чем плечо силы P. Для того чтобы блок находился в равновесии или вращался равномерно, нужно чтобы момент силы F равнялся моменту силы P, то есть произведение силы F на ее плечо, на 2r, должно быть равно произведению силы P, веса груза, на ее плечо, на R. Откуда мы получаем, что F / P = 1/2. Сила F меньше, чем вес груза, в 2 раза. Таким образом, пользуясь подвижным блоком, мы выигрываем в силе в 2 раза, но, конечно, поднимая груз, будем проигрывать в расстоянии. Для того, чтобы поднять груз P на высоту h, мы должны выбрать веревку длиной 2h. Ну, естественно, проигрывая в силе, мы выигрываем в расстоянии, в данном случае выигрывая в силе, мы проигрываем в расстоянии.

Перейдем к эксперименту.

На штативе закреплен неподвижный блок, через который перекинута нить. Подвесим к одному из концов нити груз. Этот груз имеет массу полкилограмма, то есть вес этого груза составляет 4,9 Н, примерно 5 Н. Убедимся в этом. Вот у меня в руках динамометр, стрелка шкалы сейчас на нуле. Я подвешиваю груз к динамометру. Вы видите, что показания динамометра составляют около 5 Н.

Теперь мы поступим следующим образом. Мы груз подвесим на левый конец нити и будем с помощью динамометра удерживать груз, зацепив динамометр за правый конец нити. Вы видите, что показания динамометра сейчас составляют примерно 5 Н. Если я буду равномерно поднимать груз, то вы видите: 5,2 Н. Это та сила F, которую нужно приложить для того, чтобы поднимать груз вверх равномерно. Эта сила чуть больше веса груза. Не забывайте о том, что в блоке проявляется при движении груза и движении нити сила трения, и мы должны, поднимая груз, преодолевать не только вес груза, но и силу трения. И поэтому та сила F, которую мы прилагаем для того, чтобы поднимать груз вверх, оказывается чуть-чуть больше веса груза.

Заменим неподвижный блок на подвижный. Для этого снимем груз с нити и укрепим один конец нити на крюке и перекинем нить через блок. Таким образом, мы имеем сейчас с вами подвижный блок. Мы на этот подвижный блок подвешиваем груз весом, вы помните, около 5 Н, 4,9 Н. И вновь я к свободному концу нити прикрепляю динамометр. Обратите внимание, что теперь для подъема груза вверх равномерно требуется сила несколько меньшая, примерно 2,5 Н. Действительно, вес груза - 5 Н, а, пользуясь подвижным блоком, мы выигрываем в силе в 2 раза. Нам необходима сила в 2,5 Н для того, чтобы поднимать груз вверх.