Физика · 7 класс · Раздел 7. Работа и мощность. Энергия
Блоки. Золотое правило механики
Неподвижный блок даёт тянуть вниз вместо вверх, подвижный — уменьшает силу вдвое. Но бесплатно ничего не бывает: выиграл в силе — проиграл в расстоянии. Это и есть золотое правило механики.
Как поднять груз удобнее?
Ведро из колодца можно тянуть вверх руками — неудобно. А можно перекинуть верёвку через колесо наверху и тянуть вниз. Это колесо с желобом для верёвки — блок.
Блок — простое устройство в виде колеса с желобом, через которое перекинута верёвка, трос или цепь.
Блоки есть в колодце, на кране, в тренажёрах, на парусниках, в театре, в альпинистском снаряжении. В школьной физике различают два вида: неподвижный и подвижный.
Неподвижный блок закреплён на месте: он меняет направление силы, но выигрыша в силе не даёт. Подвижный блок движется вместе с грузом: он уменьшает нужную силу примерно в 2 раза.
Переключай блоки в интерактиве и смотри, что меняется:
🪣 Интерактив · Неподвижный и подвижный блок
Переключай тип блока и меняй вес груза. Смотри: у неподвижного сила тянет вниз, но равна весу; у подвижного груз держат две ветви верёвки — сила вдвое меньше. Нажми «Поднять» и заметь, насколько больше верёвки приходится вытягивать у подвижного.
Вес груза100 Н
Нужная сила: 100 НВытянуть верёвки: 1 мМеняет направление, силу не уменьшает
Почему подвижный блок уменьшает силу вдвое?
Груз на подвижном блоке держат две ветви верёвки — левая и правая. Вместе они держат весь вес, значит каждая берёт примерно половину. Поэтому человеку хватает силы около половины веса.
Подвижный блок не делает груз легче! Груз как весил 100 Н, так и весит. Просто его держат две ветви, и человеку нужна меньшая сила.
Где подвох
Чтобы поднять груз на 1 м, обе ветви должны укоротиться на 1 м — значит, свободный конец нужно вытянуть на 2 м. Сила меньше, но путь руки больше. Это не обман природы.
Проверь себя. Груз 120 Н на подвижном блоке (2 ветви). Какая сила нужна в идеале?
Система блоков — полиспаст
Чтобы выиграть в силе ещё больше, соединяют несколько блоков — получается полиспаст. Чем больше ветвей верёвки держат груз, тем меньше сила: 2 ветви → в 2 раза, 4 ветви → в 4 раза, 6 ветвей → в 6 раз. Но верёвки вытягивать нужно во столько же раз больше.
⛓️ Интерактив · Полиспаст: сколько ветвей?
Меняй число ветвей верёвки, которые держат груз, и вес. Сила уменьшается во столько раз, сколько ветвей — но ровно во столько же раз растёт длина вытягиваемой верёвки.
Число ветвей n4
Вес груза400 Н
Сила: 100 Нвыигрыш в 4 разачтобы поднять на 1 м → вытянуть 4 м
Золотое правило механики
Золотое правило механики: во сколько раз простой механизм даёт выигрыш в силе, во столько же раз получается проигрыш в расстоянии. Проще: меньше сила — больше путь.
Почему нельзя выиграть и в силе, и в расстоянии сразу? Потому что работа A = F·s. Уменьшили силу вдвое, но путь вырос вдвое — работа осталась той же:
A = F · s
без блока: 100·1 = 100 Дж · с подвижным блоком: 50·2 = 100 Дж
Простые механизмы не дают работу бесплатно. Они делают её удобнее, но не отменяют. То же самое у рычага (нажимаешь меньшей силой, но конец проходит больший путь) и наклонной плоскости (толкать легче, но путь по доске длиннее).
🏅 Интерактив · Проверь золотое правило
Двигай ползунок «выигрыш в силе» и убедись: как только сила падает, путь растёт ровно во столько же раз, а работа A = F·s остаётся неизменной.
Выигрыш в силе (число ветвей)2×
Вес груза: 600 Н, поднять на 3 м
Сила: 300 НПуть верёвки: 6 мРабота: 1800 Дж
Сила уменьшилась в 2 раза, путь вырос в 2 раза — работа та же!
А как в реальной жизни?
В идеальной физике мы не учитываем трение и массу блоков. В реальности есть трение в оси, трение верёвки, масса самого блока. Поэтому затраченная работа обычно больше полезной: подвижный блок в идеале требует 50 Н, а на практике, скажем, 60 Н.
КПД (коэффициент полезного действия) показывает, какая часть затраченной работы пошла на полезную. Из-за потерь на трение КПД реальных механизмов всегда меньше 100%.
Почему в реальном блоке сила больше, чем в идеальном расчёте?
Как решать задачи на блоки
Неподвижный блок: сила ≈ весу груза (выигрыша нет).
Подвижный блок: сила ≈ вес / 2; верёвки вытянуть ≈ 2 × высоты.
n ветвей: сила ≈ вес / n; верёвки ≈ n × высоты.
Золотое правило: A = F·s одинакова с механизмом и без него.
Пример
Груз 200 Н подняли на 3 м. Прямо: A = 200·3 = 600 Дж. Через идеальный подвижный блок сила 100 Н, значит путь s = A/F = 600/100 = 6 м (в 2 раза больше высоты).
Ответ: 100 Н и 6 м верёвки.
🎲 Интерактив · Реши сам
Новая задача каждый раз: сила через блок, длина верёвки или проверка золотого правила. Читай, какой блок в задаче!
—
Н
🔗 Интерактив · Золотое правило везде одинаково
Для каждого механизма — верно ли описан «выигрыш в силе за счёт расстояния»?
Длинный рычаг: нажимать легче, но конец рычага проходит больший путь.
Пологая наклонная плоскость: толкать легче, но путь по доске длиннее высоты.
Подвижный блок: тянуть легче, и верёвки вытягивать нужно меньше.
Неподвижный блок: уменьшает силу подъёма в 2 раза.
Мини-опыт дома
✏️ Блок из карандаша и катушки
Надень катушку от ниток на карандаш, чтобы она вращалась. Перекинь через катушку нитку, на один конец привяжи груз, за другой тяни вниз.
Груз поднимается вверх, хотя ты тянешь вниз — это неподвижный блок, он изменил направление силы. А тянуть приходится примерно с той же силой, что и вес груза: выигрыша в силе нет.
Частые ошибки
1
«Неподвижный блок уменьшает силу». Нет: он только меняет направление силы.
2
«Подвижный блок делает груз в 2 раза легче». Вес не меняется — уменьшается только нужная сила, потому что груз держат две ветви.
3
«Уменьшил силу — уменьшил работу». Нет: сила меньше, но путь больше, работа та же.
4
«Механизм помогает во всём». За выигрыш в силе платят увеличением расстояния.
5
«В реальности работа такая же, как в идеале». Нет: трение и потери → затраченная работа больше полезной, КПД < 100%.
Проверь себяВопрос 1 из 10
правильных ответов из 10
Главное
Блок — колесо с желобом для верёвки, троса или цепи.
Неподвижный блок меняет направление силы, но не уменьшает её.
Подвижный блок даёт выигрыш в силе ≈ в 2 раза (груз держат 2 ветви), но верёвки вытянуть нужно в 2 раза больше.
Полиспаст: n ветвей → сила меньше в n раз, верёвки в n раз больше.
Золотое правило: во сколько раз выигрыш в силе — во столько проигрыш в расстоянии. A = F·s не меняется.
В реальности есть трение и потери, поэтому КПД < 100%.
Материал подготовил: Безносов М.Н., учитель математики и физики. Объяснение адаптировано для учеников 7 класса.