nhn

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

МБУ СОШ 1

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Простые механизмы вокруг нас

Работу выполнил:

Селин Павел Андреевич,

ученика «7Г» класса

Руководитель:

Костина Елена Валентиновна

учитель технологии

Чебаркуль, 2026

Оглавление

История первых механизмов…...……………………………………………...3

Первые механизмы……………………………………………………………..4

Само блокирующиеся механизмы…………..………………………………4-5

Кинематические цепи…………..………………………………………………5

колесо, рычаг, блок и мельница……………………………………..…….5-7

Автоматизация процесса торговли: машина Герона Александрийского….7-9

Парова́я маши́на или паровой двигатель…………………………………...9

Цель проекта:

Ознакомится с некоторыми простыми механизмами 

Идея простейшего механизма возникла у греческого философа Архимеда примерно в третьем веке до нашей эры, который изучал архимедовы простейшие механизмы: рычаг, блок и винт. Он обнаружил для рычага принцип механического выигрыша. Знаменитое замечание Архимеда по поводу рычага: «Дайте мне место, на котором я буду стоять, и я подвину Землю» (греч. δῶς μοι πᾶ στῶ καὶ τὰν γᾶν κινάσω) выражает понимание того, что не существует предела передаточного коэффициента, которое можно достигнуть с помощью механического выигрыша. Позднее греческие философы определили классические пять простейших механизмов (за исключением наклонной плоскости) и смогли вычислить их (идеальный) механический выигрыш. Например, Герон Александрийский (ок. 10-75 нашей эры) в своей работе «Механика» перечисляет пять механизмов, которые могут «привести в движение груз»; рычаг, брашпиль, блок, клин и винт и описывает их изготовление и использование. Однако понимание греков ограничивалось статикой простейших механизмов (балансом сил) и не включало динамику, компромисс между силой и расстоянием или концепцию работы.

В эпоху Возрождения динамика механических сил, как назывались простейших механизмов, начала рассматриваться с точки зрения того, насколько далеко они могут поднять груз, в дополнение к силе, которую они могут приложить, что в конечном итоге привело к новой концепции механической работы. В 1586 году фламандский инженер Саймон Стевин получил механическое преимущество наклонной плоскости, и она была включена в другие простейшие механизмы. Полная динамическая теория простейших механизмов была разработана итальянским ученым Галилео Галилеем в 1600 году в трактате Le Meccaniche («О механике»), в котором он показал, что увеличение силы лежит в основе математического сходства этих механизмов. Он был первым, кто объяснил, что простейшие механизмы не создают энергию, а только преобразуют её.

Классические правила для трения скольжения в машинах были открыты Леонардо да Винчи (1452—1519), но они не были опубликованы и просто задокументированы в его записных книжках и основывались на доньютоновской науке, такой как вера в трение как эфирную жидкость. Они были вновь открыты Гийомом Амонтоном (1699 г.) и получили дальнейшее развитие Шарлем-Огюстеном де Кулоном (1785 г.).

Первые механизмы

·         Наклонная плоскость — простой механизм в виде плоскости, установленной под острым углом к горизонтальной поверхности.

o    Клин — позволяет увеличить давление за счёт концентрации силы на малой площади. Используется в копье, лопате, пуле и др.

o    Винт — используется в шурупах и для подъёма воды (Архимедов винт), в качестве сверла в дрелях и др.

·         Рычаг — описан Архимедом. Используется, в частности, для подъёма тяжестей, в качестве выключателей и спусковых крючков (шатун-кривошип — используется в ткацком станке, паровой машине, двигателях внутреннего сгорания).

o    Ворот — используется для подъёма воды в колодцах и для ременной передачи и др.

o    Блок — колесо с жёлобом, по которому пропускают верёвку, трос или цепь. Применяется для изменения величины или направления силы.

·         Колесо — используется на транспорте и в зубчатых передачах. Наиболее ранние находки колёс встречаются на территории современной Румынии (неолитическая культура Кукутени — Триполье) и датируются последней четвертью V тысячелетия до н. э.^[20]

·         Поршень — позволяет использовать энергию расширяющихся нагретых газов или пара. Применяется, в частности, в огнестрельном оружии, двигателе внутреннего сгорания и паровой машине.

Самоблокирующиеся механизмы

Самоблокирующееся свойство шурупа служит причиной его широкого использования в резьбовых крепежных деталях, таких как болты и шурупы.

Во многих простейших механизмах, если сила нагрузки F_out на механизме достаточно велика по отношению к входной силе F_in, то механизм будет двигаться назад, при этом сила нагрузки будет создавать работу с входящей силой. Таким образом, эти механизмы можно использовать в любом направлении, с движущей силой, приложенной к любой точке. Например, если сила нагрузки на рычаге достаточно велика, то рычаг будет двигаться назад, перемещая входной рычаг в противоположном направлении от входной силы (перевесит). Их называют «реверсивными» или «неблокирующими» механизмами.

Однако в некоторых механизмах, если силы трения достаточно велики, никакая сила нагрузки не может сдвинуть их назад, даже если входная сила равна нулю. Это называется «самоблокирующейся», «необратимый» механизмом. Эти механизмы могут быть приведены в движение только силой на входе, и когда сила со входа убрана, они останутся неподвижными, «заблокированными» трением в любом положении, в котором они остановились.

Самоблокировка возникает в основном в механизмах с большими площадями скользящего контакта движущихся частей: винта, наклонной плоскости и клина:

Несколько примеров

·         Самый распространенный — винт. В большинстве винтов приложение крутящего момента к валу может вызвать его вращение, линейное перемещение вала для выполнения работы против нагрузки, но никакая сила осевой нагрузки на вал не заставит его повернуться назад.

·         В наклонной плоскости груз может подниматься вверх по плоскости с помощью боковой входной силы, но если плоскость не слишком крутая и имеется достаточное трение между грузом и плоскостью, то когда входная сила снимается, груз останется неподвижным и будет не скользить по поверхности, независимо от его веса.

·         Клин можно вбить в деревянный брусок силой на конце, например, ударив по нему кувалдой, раздвинув в стороны брусок, но никакая сила сжатия от деревянных стенок не заставит его выскочить обратно из бруска.

Кинематические цепи

Иллюстрация четырёхзвенного рычага из Кинематики машин, 1876 г.

Простейшие механизмы — это элементарные примеры кинематических цепей, которые используются для моделирования механических систем, начиная от парового двигателя и заканчивая роботами-манипуляторами. Подшипники, образующие ось рычага и позволяющие вращаться колесу, оси и блокам, являются примерами кинематической пары, называемой шарнирным соединением. Точно так же плоская поверхность наклонной плоскости и клин будут примерами кинематической пары, называемой скользящим соединением. Винт обычно обозначается как его собственная кинематическая пара, называемая спиральным шарниром.

Два рычага или кривошипа объединяются в плоскую четырехзвенную рычажную систему путем присоединения рычага, который соединяет выход одного кривошипа с входом другого. Дополнительные звенья могут быть присоединены для образования шестизвенной связи или последовательно для формирования робота.

Классификация механизмов

Идентификация простейших механизмов возникает из желания создания систематического метода изобретения новых машин. Таким образом, важная проблема заключается в том, как простые механизмы объединяются для создания более сложных механизмов. Один из подходов заключается в последовательном подключении простых механизмов для получения сложных машин.

Однако более успешная идея была представлена Францем Рёло, который собрал и изучил более 800 элементарных машин. Он понял, что рычаг, блок, колесо и ось — это, по сути, одно и то же устройство: тело, вращающееся вокруг шарнира. Точно так же наклонная плоскость, клин и винт — это блок, скользящий по плоской поверхности.^[33]

Эта реализация показывает, что именно суставы или соединения, обеспечивающие движение, являются основными элементами машины. Начиная с четырёх типов шарниров, поворотного шарнира, шарнира скольжения, кулачкового шарнира и зубчатого шарнира, а также связанных соединений, таких как тросы и ремни, можно понять машину как сборку твердых деталей, которые соединяют эти шарниры.

Кинематический синтез

Конструкция механизмов для выполнения необходимого движения и передачи силы известна как кинематический синтез. Это набор геометрических методов для механического проектирования рычагов, кулачковых и ведомых механизмов, зубчатых колес и зубчатых передач.

Колесо

·         Первые колёса появились около 3500 года до н. э. в Месопотамии (современный Ирак). Изначально колесо предназначалось не для транспортировки грузов, а для гончарного дела. 

·         Эволюция конструкции: первые колёса были тяжёлыми деревянными дисками, вырезанными из цельного куска дерева. Со временем конструкция улучшилась: появление спиц сделало колёса легче и прочнее, а использование железных обручей увеличило их износостойкость. 

·         Применение: колесо позволило ускорить транспортировку грузов, стало основой для создания более сложных устройств, например, колёсных повозок. В сельском хозяйстве колесо использовалось для обработки земли и в системах орошения, особенно в Египте и Месопотамии. 

Рычаг

·         Рычаг — простейший механизм, представляющий собой жёсткую палку, вращающуюся вокруг точки опоры (подвеса).

·         История: человек стал использовать рычаг ещё в доисторические времена, интуитивно понимая его принцип. Например:

o    В пятом тысячелетии до н. э. в Месопотамии применялись весы, использовавшие принцип рычага для достижения равновесия.

o    Около 1500 года до н. э. в Египте и Индии появился шадуф (колодец-журавль) — прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой.

·         Объяснение принципа работы: первое письменное объяснение дал в III веке до н. э. учёный Архимед, связав понятия силы, груза и плеча. Закон равновесия, сформулированный им, используется до сих пор.

Блок

·         Блок — колесо с желобом по окружности для каната или цепи, ось которого жёстко прикреплена к стене или потолочной балке. 

·         История: древнегреческий учёный Архимед изучил механические свойства подвижного блока и применил его на практике. Например, с помощью блоков Архимед спустил на воду тяжёлый многопалубный корабль, который не удавалось спустить с помощью традиционной рабочей силы. 

·         Виды блоков:  

o    Подвижный — ось поднимается и опускается вместе с грузом, даёт выигрыш в силе в 2 раза.

o    Неподвижный — ось закреплена и при подъёме грузов не поднимается и не опускается, не даёт выигрыша в силе, но изменяет направление действия силы (например, позволяет поднимать груз, стоя на земле).

Мельница

·         Прообраз механической мельницы — ручная мельница, служившая для измельчения зёрен злаков, корней, орехов, красок. Простейшая ручная мельница имела вид каменной плиты с небольшим углублением, помол производился возвратно-поступательным или круговым движением камня меньшего размера (куранта).

·         Усовершенствование: в середине I тысячелетия до н. э. изобрели ротационную мельницу, верхний камень которой (жёрнов) получал вращательное движение с помощью тягловых животных (ослов, лошадей, верблюдов).

·         Ветряные мельницы — аэродинамические механизмы, которые выполняли механическую работу за счёт энергии ветра, улавливаемой крыльями. Первые практические ветряные мельницы имели паруса, вращающиеся в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси. Например:

o    Персидские мельницы — имели от 6 до 12 лопастей, которые крутились горизонтально, ветер вращал их, двигая шестерёнки, а те — тяжёлые круглые камни (жернова).

o    Греческая мельница Герона Александрийского — первое документальное свидетельство использования ветра для приведения механизма в действие, изобретено в I веке н. э.

Применение: мельницы использовались для помола зерна, обработки материалов (лесопилка), откачки воды и других задач. С развитием паровых машин мельницы постепенно вышли из употребления. 

Автоматизация процесса торговли: машина Герона Александрийского

Одним из первых задокументированных аналогов торгового автомата стала машина Герона Александрийского (приблизительно 10-70 год н.э.). Изобретателю удалось создать механический торговый автомат, который систематизировал раздачу освященной воды, количество которой было строго дозировано. В результате нововведения в храме Александрии появилось удивительное равенство: верующие вносили одинаковую плату, за которую всегда получали одинаковое количество благодати.

Реконструкция торгового автомата Герона Александрийского

Устройство Герона Александрийского представляло собой вазу, наполненную святой водой, стоявшую на неподвижном пьедестале. В вазе имелся кран, через который осуществлялась подача святой воды. Как только прихожанин опускал необходимое количество драхм в вазу, вес его пожертвований способствовал открытию крана, расположенного в основании кувшина. В конструкции под вазой также был установлен противовес, который с течением времени возвращал кран в исходное положение, перекрывая поток святой воды.

Автомат, созданный Героном Александрийским, существенно облегчал работу александрийским священникам, которые до появления машины были вынуждены сами осуществлять сбор средств и контролировать, чтобы прихожане не отливали себе чрезмерно много воды. 2000 лет спустя одна американская компания вновь обратилась к машине Герона Александрийского. Однако вместо святой воды новые поколения торговых автоматов стали снабжать своих покупателей обычной газировкой.

Короткие истории, приведенные выше, доказывают, что еще тысячи лет назад люди начали задумываться о необходимости частичной автоматизации процессов транспортировки, строительства, навигации (и даже космической!) и торговли. Множество из отголосков этих поистине удивительных механизмов по-прежнему присутствуют в нашей современной жизни. Но в истории развития инженерии это была лишь первая глава.

Парова́я маши́на или паровой двигатель — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу, таким образом к паровым машинам можно было бы отнести и паровую турбину, имеющую до сих пор широкое применение во многих областях техники. «Краеугольный камень» промышленной революции.

Паровая машина вместе с рядом подсобных машин и устройств называется паросиловой станцией.

Скачано с www.znanio.ru