Instrukcje dla nauczyciela do symulacji działania bloczków
Bezpłatna interaktywna symulacja fizyki bloczków oraz animacja przedstawiająca działanie bloczków. Zapoznaj się z bloczkami stałymi, ruchomymi, złożonymi układami bloczków, zyskiem mechanicznym, sprawnością, siłą przykładaną i podnoszonym ciężarem w narzędziu edukacyjnym z wizualizacją 3D.
Thomas Nguyen, 3JCN Physics Simulation. Na licencji CC BY 4.0
W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały ze strony źródłowej: Strona źródłowa symulacji, Materiały pomocnicze
W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.
Szkoła podstawowa, szkoła średnia
Bloczek to koło zamontowane na osi, po którym przesuwa się napięta lina lub pas. Koła pasowe mogą zmieniać kierunek działania siły, przenosić moc oraz ułatwiać podnoszenie ciężkich przedmiotów. W ramach tego laboratorium zbadamy, w jaki sposób układy bloczków/wielokrążków zmniejszają wysiłek potrzebny do podniesienia ładunku. Testując różne układy, takie jak bloczki stałe i ruchome, zmierzymy zysk mechaniczny i zbadamy zależność między siłą wejściową, siłą wyjściową oraz sprawnością. Dzięki praktycznym eksperymentom i interaktywnym symulacjom lepiej zrozumiesz pojęcia pracy, zachowania energii oraz praktyczne zastosowania maszyn prostych. Zysk mechaniczny układu bloczków jest równy sile wyjściowej podzielonej przez siłę wejściową.
W zakresie wiedzy (Uczeń wie i rozumie):
W zakresie umiejętności (Uczeń potrafi):
W zakresie kompetencji społecznych (Uczeń rozwija):
System bloczków może zmniejszyć siłę potrzebną do podniesienia obiektu poprzez rozłożenie obciążenia na wiele podtrzymujących segmentów liny. Im więcej podtrzymujących segmentów liny posiada system, tym większy jest idealny zysk mechaniczny.
Zysk mechaniczny wielokrążka (przełożenie) to stosunek ciężaru podnoszonego ładunku do siły, którą należy przyłożyć. Określa on, ile razy mniejsza jest siła potrzebna do uniesienia ciężaru dzięki układowi ruchomych i nieruchomych krążków (pomijając straty energii na tarcie).
$$Z = \frac{Q}{F}$$W idealnym układzie bloczków zysk mechaniczny jest w przybliżeniu równy liczbie segmentów liny podtrzymujących ładunek.
Rzeczywiste układy bloczków nie są idealnie sprawne ze względu na tarcie, masę bloczka i straty energii. Gdy sprawność jest mniejsza niż 100%, siła przykładana musi być większa od wartości idealnej.
Przykładowe schematy sił (dla bloczka nieruchomego i układu bloczek ruchomy i nieruchomy) przedstawiają się następująco:
Ta darmowa, interaktywna symulacja fizyczna 3D pokazuje, jak układy bloczków pomagają podnosić ciężkie przedmioty. Uczniowie mogą zapoznać się z układami bloczków stałych, ruchomych i złożonych, obserwując jednocześnie zależność między siłą naciągu, masą, sprawnością i zyskiem mechanicznym.
Parametry regulowane: przykładana siła, ciężar , sprawność.
Stały bloczek zmienia kierunek przykładanej siły, ale nie zmniejsza siły wymaganej do uniesienia obiektu w idealnym układzie.
Ruchomy bloczek zmniejsza siłę przykładaną, ponieważ ładunek jest podtrzymywany przez więcej niż jeden segment liny.
Układ złożony łączy w sobie bloczki stałe i ruchome, co zwiększa zysk mechaniczny i ułatwia podnoszenie.
Niższa sprawność oznacza, że potrzeba większej siły przykładanej, ponieważ część energii jest tracona na tarcie i ruch krążka.
Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.
Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.
Obserwacja
Skonfiguruj symulację w następujący sposób:
Aby przyłożyć siłę, przeciągnij suwak Przykładana siła w prawo. Powoli zwiększaj siłę, aż obciążnik zacznie się podnosić. Jaka jest minimalna siła potrzebna do podniesienia ładunku o masie 500 N za pomocą jednego nieruchomego bloczka?
Zmień konfigurację układu bloczków na 1 stały, 1 ruchomy. Tak jak poprzednio, powoli przesuwaj suwak Przykładana siła w prawo, aż obciążnik zacznie się podnosić. Jaka siła jest potrzebna do podniesienia obciążenia o ciężarze 500 N za pomocą tego układu bloczków? Jaka jest podstawowa zaleta stosowania takiego układu bloczków, na podstawie twoich doświadczeń z tej części?
Zysk mechaniczny
Bloczek jest przykładem maszyny prostej. Wiele maszyn prostych jest użytecznych, ponieważ pozwalają użytkownikowi podnieść duży ciężar z mniejszą siłą niż potrzeba do jego bezpośredniego podniesienia. Miarą tej korzyści jest zysk mechaniczny maszyny.
W jaki sposób dodanie większej liczby bloczków wpływa na siłę potrzebną do podniesienia ładunku?
Przy wartości ciężaru ustawionej na ~ 600 N i sprawności ustawionej na 100% oblicz minimalną siłę przykładaną potrzebną do podniesienia ładunku w każdym z układów. Wypełnij poniższą tabelę. Podaj jednostki miary.
| Układ bloczków | Ciężar (N) | Minimalna siła wejściowa (N) | Zysk mechaniczny |
|---|---|---|---|
| 1 stały | 600 N | ||
| 1 stały, 1 ruchomy | 600 N | ||
| 2 stałe, 2 ruchome | 600 N | ||
| 3 stałe, 3 ruchome | 600 N |
Jak zmienia się minimalna siła wejściowa w miarę dodawania kolejnych bloczków do układu? Porównaj siłę przykładaną z liczbą bloczków w każdym układzie. Czy dostrzegasz jakąś prawidłowość? Jeśli tak, opisz ją.
Jak myślisz, jaka siła byłaby potrzebna do podniesienia obciążnika o ciężarze 1000 N za pomocą układu bloczków składającego się z dwóch bloczków stałych i dwóch ruchomych?
Sprawdź swoją odpowiedź za pomocą symulacji. Jaka siła była faktycznie potrzebna?
Jaka jest zależność między zyskiem mechanicznym a liczbą bloczków w układzie?
Wyobraź sobie układ z czterema bloczkami stałymi i czterema ruchomymi. Jaki byłby zyska mechaniczny tego układu? Jaka siła wejściowa byłaby potrzebna do podniesienia ładunku o masie 1000 N przy użyciu tego układu?
Pomyśl i omów: Do tej pory mieliśmy do czynienia z „idealnym” układem bloczków. Czym, Twoim zdaniem, różnią się rzeczywiste układy bloczków i jak to wpłynęłoby na ich zysk mechaniczny?
Praca i energia
Zasada zachowania energii mówi, że w układzie zamkniętym całkowita energia pozostaje stała. Innymi słowy, energia nie powstaje ani nie ulega zniszczeniu.
Podnieś ciężar 800 N za pomocą różnych układów bloczków. Zwróć uwagę na długość zwisającej liny. Jak dodanie kolejnych bloczków wpływa na odległość, na jaką musisz przeciągnąć linę, aby podnieść przedmiot na określoną wysokość?
Podnieś ładunek o ciężarze 800 N do góry za pomocą każdego układu bloczków. W każdym przypadku zanotuj siłę wejściową (przykładaną), odległość ciągnięcia, siłę uzyskaną i wysokość na jaką unosi się obciążnik. Podaj jednostki.
| Układ bloczków | Minimalna siła przykładana (N) | Odległość ciągnięcia (m) | Siła uzyskana (N) | Wysokość uniesienia (m) |
|---|---|---|---|---|
| 1 stały | ||||
| 1 stały, 1 ruchomy | ||||
| 2 stałe, 2 ruchome | ||||
| 3 stałe, 3 ruchome |
Oblicz:
Gdy siła działa na ciało poruszające się, wykonywana jest praca nad obiektem. Praca jest mierzona w dżulach (J) i jest równa iloczynowi siły i odległości: W = F • d. Dla każdego układu bloczków oblicz pracę wejściową (siła przykładana • odległość ciągnięcia) i pracę wyjściową (siła uzyskana • wysokość uniesienia). Jednostką pracy są niutonometry, czyli dżule (J).
| Układ bloczków | Praca wejściowa (J) | Praca wyjściowa (J) |
|---|---|---|
| 1 stały | ||
| 1 stały, 1 ruchomy | ||
| 2 stałe, 2 ruchome | ||
| 3 stałe, 3 ruchome |
Przeanalizuj:
Praca jest miarą energii. Przyjrzyj się każdej parze wartości wejściowych i wyjściowych. W jaki sposób układy bloczków ilustrują zasadę zachowania energii?
Tarcie i sprawność
Do tej pory zapoznałeś się z „idealnymi” układami bloczków. W rzeczywistości tarcie zmniejsza zysk każdego układu bloczków. Wydajność jest miarą stopnia występowania tarcia. Użyj nieruchomego bloczka do podniesienia obciążenia o wartości 700 N. Zmieniaj sprawność bloczka. Jak sprawność bloczka wpływa na siłę potrzebną do podniesienia obciążnika o ciężarze 700 N? Użyj jednego nieruchomego i jednego ruchomego bloczka do podniesienia obciążenia o wartości ~700 N przy następujących sprawnościach. W każdym przypadku zanotuj siłę wejściową (przykładaną) i wyjściową (uzyskaną).| Sprawność | Obciążnik (N) | Siła przykładana (N) | Siła uzyskana (N) | Stosunek (uzyskana ÷ przykładana) |
|---|---|---|---|---|
| 100% | 700 N | |||
| 75% | 700N | |||
| 67% | 700 N | |||
| 50% | 700 N |
Aby obliczyć stosunek, należy podzielić każdą siłę wyjściową przez siłę wejściową. Wypełnij ostatnią kolumnę. Jak stosunek siły wyjściowej do siły wejściowej ma się do sprawności bloczka?
Jak obliczyć sprawność bloczka stałego, znając siłę wejściową i siłę wyjściową?
W jaki sposób układ bloczków ilustruje zasadę zachowania energii?
Jak tarcie wpływa na zysk mechaniczny układu bloczków?
Wielokrążek
Vascak
Wielokrążek stały i przesuwny
Vascak
Szkicowanie przekładni
Frank Leenaars
Maszyny proste: Bloczek
Interactagram
Równowaga
PhET
Równia pochyła
Interactagram
Równia pochyła
PhET
Równia pochyła: siły i ruch
PhET