КАК ВСЕ УСТРОЕНО
THE WAY THINGS WORK DAVID M ACAULAY WITH NEIL A RDLEY
ДЭВИД M АКОЛИ ПРИ УЧАСТИИ Н ИЛА А РДЛИ
КАК ВСЕ УСТРОЕНО ИЛЛЮСТРИРОВАННАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УСТРОЙСТВ И МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО
Издательство «Манн, Иванов и Фербер» Москва, 2014
УДК 53.02 ББК 22.3 М16 Под редакцией Баранова М. В., Долгова В. А., Завьялова И. Н.
Маколи, Д. М16 Как все устроено. Иллюстрированная энциклопедия устройств и механизмов / Дэвид Маколи при участии Нила Ардли ; пер. с англ. [Натальи Беловой, Юлии Константиновой, Светланы Чигринец, Павла Миронова]. — М. : Манн, Иванов и Фербер, 2014. — 400 с. : ил. ISBN 978-5-91657-872-0 «Как все устроено» Дэвида Маколи — одна из самых известных энциклопедий, посвященных устройствам и механизмам. Впервые она была издана в США в 1988 году и с тех пор остается бестселлером среди научно-популярных книг для подростков. Энциклопедия состоит из пяти частей, охватывающих принципы работы сотен механизмов и устройств, созданных человечеством за тысячи лет, от простых до самых сложных: плуг, винт, водопровод, автомобиль, телефон, компьютер, банкомат, водные суда, летательные аппараты, электростанции, печатные машины... Объединяются они согласно физическим принципам работы, так что можно увидеть глубинную простую суть самых сложных предметов нашего мира. Простые объяснения, подробные рисунки и концентрация не на деталях, а на сути делают книгу понятной для неподготовленных читателей любого возраста, но особенно полезна она детям 10–12 лет, поскольку дополняет школьный курс физики: учебная программа станет намного интереснее, если параллельно с ее изучением (а еще лучше до того) прочитать эту книгу.
УДК 53.02 ББК 22.3 ISBN 978-5-91657-872-0
© Перевод на русский язык, издание на русском языке, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2013
СОДЕРЖАНИЕ ЧAСТЬ 1 MEХАНИКА 6 ЧAСТЬ 2 УКРОЩАЯ СТИХИИ
90
ЧAСТЬ 3 РАБОТА С ВОЛНАМИ 174 ЧAСТЬ 4 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И АВТОМАТИКА 254 ЧAСТЬ 5 ЦИФРОВОЙ МИР 310 ЭВРИКА! ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ
374
ТЕРМИНЫ 390 УКАЗАТЕЛЬ 396
Упс!
ком ш и Сл
тр с ы б
о!
РАННИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ O
ВРАЩЕНИИ ЗЕМЛИ
ЧАСТЬ 1
MЕХАНИКА ВВЕДЕНИЕ 8 НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ 10 РЫЧАГИ 18 КОЛЕСО НА ОСИ 30 ШЕСТЕРНИ И РЕМНИ 36 КУЛАЧКИ
И КРИВОШИПЫ 48
БЛОКИ 54 БОЛТЫ И ШУРУПЫ 62 ВРАЩАЮЩИЕСЯ КОЛЕСА 70 ПРУЖИНЫ 78 СИЛА ТРЕНИЯ 82
ВВЕДЕНИЕ
Р
АБОТА ЛЮБОГО МЕХАНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА основана на определенных физических законах. Чтобы увидеть, как механизм работает, можно заглянуть внутрь. Но чтобы понять, почему он работает, необходимо иметь представление о законах физики. Поэтому устройства, о которых пойдет речь в этой и последующих главах нашей книги, сгруппированы не по сфере их применения, а по схожести принципа их действия. В результате получилось довольно забавно: плуг соседствует с застежкоймолнией, а гидроэлектростанция — со стоматологическим бором. Они выглядят поразному, у них разные габариты, и они предназначены для разных целей. Но с точки зрения принципа их действия работают они одинаково.
ПОДВИЖНЫЕ ДЕТАЛИ Механические устройства работают за счет своих подвижных составляющих: рычагов, шестерней, ремней, колес, кулачков, кривошипов и пружин. Часто они связаны в сложные комплексы: некоторые такие большие, что могут двигать горы, а некоторые почти невидимые. Их движение может быть быстрым как вихрь или же настолько медленным, что кажется, будто никакого движения нет вовсе. Но все механизмы с подвижными частями придуманы с единственной целью: чтобы определенное количество энергии производило определенный объем работы именно там, где это нужно.
ДВИЖЕНИЕ И СИЛА Многие механические устройства преобразуют один вид движения в другой. Это движение может быть прямолинейным (к примеру, вперед-назад, как у шатуна) или же вращательным. Одни устройства преобразуют прямолинейное движение во вращательное, другие — наоборот; часто источник энергии, приводящий устройство в действие, движется одним способом, а само устройство — совершенно по-другому. Но в любом случае механические части двигаются, чтобы преобразовать приложенную силу для выполнения поставленной задачи. Механические устройства действуют, только если к ним приложена какая-нибудь сила. В этом смысле они похожи на людей, которых надо заставить что-то делать: это требует определенных усилий. Движение никогда не происходит само по себе, даже когда вы просто бросаете какой-то предмет. Для него требуется движущая сила — будь то тяга двигателя, сила мускулов или гравитация. Затем в механизме эту движущую силу надо направить в нужное место в необходимом количестве. Когда вы сжимаете и поворачиваете ручки консервного ножа, он легко прорезает крышку банки (что без него сделать было бы трудно). Это устройство не делает вас сильнее, а преобразует силу ваших рук в полезную форму работы — в данном случае с помощью концентрации мышечных усилий и их приложения именно там, где нужно.
[8]
ВВЕДЕНИЕ
УДЕРЖИВАЯ ВСЕ ВМЕСТЕ Все предметы на Земле не распадаются на части и удерживаются на своем месте благодаря действию трех основных видов сил. Фактически во всех механизмах используются только два из них. Первый вид силы — это гравитация, которая притягивает друг к другу любые два предмета. Кажется, что это очень мощная сила, но на деле она самая слабая. Ее действие очевидно только потому, что она зависит от массы предметов, а один них — сама Земля — просто огромен. Второй вид — электрические силы, которые с невероятной мощью связывают атомы, из которых состоят все вещества. Подробнее это явление изучается в части 4 нашей книги. Движение в устройствах передается только потому, что атомы и молекулы (группы атомов) удерживаются вместе за счет действия электрических сил. Так что эта сила косвенно используется во всех механических устройствах, а в некоторых, например в пружинах и фрикционных устройствах (использующих силу трения), задействуется напрямую как для создания движения, так и для препятствования ему. Третья, самая мощная сила — ядерная сила, которая связывает частицы в ядрах атомов. Она высвобождается только при помощи устройств, производящих ядерную энергию.
СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ В основе действия всех механизмов лежит закон сохранения энергии. Речь здесь идет не о том, чтобы беречь энергию, а о том, что происходит с энергией в момент ее использования. Согласно этому закону, получить от механизма вы можете ровно столько энергии, сколько изначально в него вложили — не больше и не меньше. Двигатель или мускулы сообщают механизму энергию: чем больше силы или движения, тем больше энергии. Движение — это одна из форм энергии, которую называют кинетической. Она создается за счет преобразования других форм энергии, таких как потенциальная энергия, накопленная в пружине, тепло в бензиновом двигателе, электрическая энергия в электродвигателе или химическая энергия в мышцах. Когда механизм преобразует силу и воздействует ею на что-то, он может израсходовать только то количество энергии, которое было к нему приложено изначально. Если требуется, чтобы сила, которую развивает механизм, была больше, то производимое полезное движение, соответственно, обязательно будет меньше, и наоборот. При этом общее количество энергии всегда остается одним и тем же. Это и есть закон сохранения энергии, и он лежит в основе действия всех механизмов. Пружины могут накапливать энергию, а трение преобразует энергию в тепло, но энергия не может появиться ниоткуда и исчезнуть в никуда, иначе все перестало бы работать. Если бы энергия исчезала по мере работы механизмов, то, какими бы мощными эти механизмы ни были, рано или поздно они остановились бы. А если бы в процессе работы механизмов энергия создавалась, тогда все механизмы ускорялись бы и ускорялись, а энергия производилась бы в гигантском масштабе. Так или иначе, миру пришел бы конец — с тихим хныканьем в одном случае и громким взрывом в другом. Но закон сохранения энергии никто не отменял, и ему подчиняются почти все механизмы. Ядерные устройства составляют исключение, но об этом мы поговорим в части 2 нашей книги.
[9]
MЕХАНИКА
НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ КАК ПОЙМАТЬ МАМОНТА
К
ак-то весной меня пригласили посетить местность, где обитает мамонт с повышенной мохнатостью, желанная добыча для многих охотников. Эта местность была усеяна высокими деревянными башнями ловцов мамонтов. В древности на мамонтов охотились только ради мяса. Но польза, которую мамонт может приносить, выполняя разную работу, и его растущая популярность в качестве домашнего любимца привели к тому, что возникли более сложные способы его безопасной поимки. Ничего не подозревающее животное заманивали к основанию башни. Затем сверху на его толстый череп сбрасывали валун разумных размеров. Оглушенного мамонта было легко отвести в загон, где холодный компресс и свежая болотная трава быстро помогали справиться с задетыми чувствами и врожденным недоверием.
ПРИНЦИП НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ По законам физики, чтобы поднять предмет на определенную высоту, требуется произвести некую работу. По тем же законам, не существует способа уменьшить эту работу. Насыпь облегчает жизнь не потому, что она изменяет объем требуемой работы, но потому, что она изменяет способ ее выполнения. У этой работы два слагаемых: развиваемое усилие и расстояние, на котором это усилие надо приложить. Если усилие увеличивается, расстояние должно уменьшиться, и наоборот. Легче всего это понять, если представить себе две крайности. Взобраться на холм по отвесному склону тяжелее всего, но преодолеваемое расстояние самое короткое. Взбираться на вершину по самому пологому склону
проще, но расстояние при этом самое большое. В обоих случаях работа, которую вы выполняете, одна и та же, и она равна расстоянию, которое вы преодолеваете, умноженному на развиваемое при этом усилие. Это основное правило, которому подчиняется действие многих механических устройств. И именно им обусловлено свойство наклонной плоскости: она уменьшает усилие, необходимое для поднимания предмета, за счет увеличения расстояния. Этот принцип использовали древние египтяне, когда строили свои пирамиды и храмы. С тех пор наклонная плоскость в той или иной модификации применяется в целом ряде устройств: от замков и кусачек до плугов и молний, а также во множестве механизмов, которые работают по принципу винта.
[10]
НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ
В
целом процесс был более-менее успешен, но имел пару крупных недостатков. Сложнее всего было поднять тяжелый камень на нужную высоту. Для этого требовались почти геркулесовы усилия, а Геркулесу еще только предстояло родиться через несколько веков. Другая проблема заключалась в том, что оглушенный мамонт практически неизбежно падал на башню, сшибая на землю ловцов либо причиняя конструкции серьезные повреждения. После некоторых вычислений я проинформировал хозяев о том, что обе проблемы можно решить разом, если вместо деревянных башен построить наклонные земляные насыпи. Насыпь практически неуязвима,
КАК СВЯЗАНЫ УСИЛИЕ И РАССТОЯНИЕ
К
УСИЛИЕ
СТОРОНА
НА
ПОЛОВИННОЕ
ОТВЕСНАЯ
Наклонная сторона этого помоста в два раза длиннее, чем отвесная. Усилие, необходимое, чтобы поднять груз по наклонной стороне, таким образом, вполовину меньше А усилия, которое затраОН ОР Т чивается на его ЯС вертикальный НА Н подъем. ЛО
ПОЛНОЕ УСИЛИЕ
даже если на нее упадет мамонт. Кроме того, можно не надрываться, поднимая валун вертикально вверх, а плавно докатить его до нужной высоты, что потребует гораздо меньше усилий. Сначала простоту моего решения встретили с понятным скепсисом. «А что же нам делать с башнями?» — спросили меня. Я еще немного поразмыслил и предложил на нижних этажах разместить торговые заведения, а на верхних — апартаменты класса люкс.
КЛИН Клин — это разновидность наклонной плоскости. Дверной клин — самый простой пример: вы просовываете клин острым углом под дверь, и ее движение ограничивается. Клин может выполнять функцию подвижной наклонной плоскости. Вместо того чтобы поднимать предмет по наклонной плоскости, можно заставить ее двигаться и поднимать предмет. Поскольку плоскость проходит большее расстояние, чем предмет, она поднимает предмет с большей силой. По этому принципу и работает дверной клин. Когда клин стопорит дверь, он слегка приподнимает ее, прилагая большую силу. В свою очередь, дверь с силой прижимает клин к полу. [11]
MЕХАНИКА
ЗАМКИ И КЛЮЧИ
В
от загадка, которая имеет некоторое отношение к замкам: как разделить два блока, которые удерживаются вместе пятью разъемными штифтами, зазоры в которых находятся на разном уровне? Чтобы разъединить блоки, необходимо выровнять зазоры штифтов по одной линии. Зная принцип действия наклонной плоскости, мы вставляем клин. Он поднимает штифты достаточно легко, но все на разные расстояния. После некоторого размышления применяем пять клиньев — по одному на каждый штифт. Благодаря этому штифты поднимаются так, что зазоры выравниваются в одну линию, освобождая половинки блока. Однако теперь сами клинья плотно засели в нижней половинке блока.
К
люч к решению этой загадки — это и есть ключ, так как блок представляет собой упрощенный цилиндровый замок. Зазубренная кромка ключа действует как набор клиньев, которые поднимают штифты, чтобы открыть замок. Так как зазубрины на ключе двусторонние, ключ можно вытащить после использования. Под действием пружин штифты вернутся в первоначальное положение, и замок закроется.
[12]
НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ ПРУЖИНА
ШТИФТЫ
КУЛАЧОК ЯЗЫЧОК ЗАМКА
ЦИЛИНДР
ЯЗЫЧОК ЗАМКА ОТТЯГИВАЕТСЯ НАЗАД
ЦИЛИНДРОВЫЙ ЗАМОК Когда дверь закрыта, пружина вжимает язычок замка в дверную раму. Когда в замок вставляется ключ, штифты поднимаются, а цилиндр освобождается. Когда ключ поворачивают, цилиндр начинает вращаться, заставляя кулачок оттягивать назад язычок замка, сжимая при этом пружину. Когда ключ освобожден, пружина толкает язычок обратно, возвращает цилиндр в исходное положение и позволяет вытащить ключ.
K ЛЮЧ
K ЛЮЧ ПОВОРАЧИВАЕТСЯ
ЗАПОРНАЯ СТОЙКА ЯЗЫЧОК ЗАМКА
СУВАЛЬДЫ
ПАЗ СУВАЛЬДЫ ПРУЖИНА 2. ПОВОРОТ КЛЮЧА K ЛЮЧ 1. ДВЕРЬ ОТКРЫТА Пружины удерживают сувальды внизу. Запорная стойка предотвращает движение язычка.
Ключ поднимает сувальды. Запорная стойка освобождена, так что она может двигаться вдоль пазов.
3. K ЛЮЧ НА ПОЛОВИНЕ ПУТИ По мере того как ключ продолжает поворачиваться, он захватывает язычок, передвигая его наружу.
4. ДВЕРЬ ЗАКРЫТА Когда язычок полностью выдвинут, пружины возвращают сувальды в исходное положение, фиксируя запорную стойку.
СУВАЛЬДНЫЙ ЗАМОК Принцип работы сувальдного замка практически такой же, как у цилиндрового. Выступающие бородки ключа выравнивают в один ряд пазы в наборе сувальд (фигурных пластин) разных размеров, что делает возможным движение язычка замка. Затем ключ поворачивается, а язычок скользит внутрь или наружу. [13]
MЕХАНИКА
РЕЖ
Е УСТРОЙСТВА К ЛИНООБРАЗНЫЕ ЛЕЗВИЯ
В
работе практически всех режущих устройств используется принцип клина — одной из форм наклонной плоскости. Из-за клинообразной формы лезвия сила удара разделена на две: одна, вертикальная, разрубает полено пополам, под действием другой, направленной по горизонтали, его половинки разлетаются в стороны.
НОЖНИЦЫ Каждое лезвие действует как рычаг первого рода (см. стр. 19). Заостренные концы лезвий образуют два клина, которые с огромной силой давят на материал с противоположных направлений и, встречаясь, разрезают и раздвигают его в разные стороны.
ДВИЖЕНИЕ ВНИЗ
ТОПОР Топор — не что иное, как клин, присоединенный к ручке. Топор, описывающий большую дугу, в конце ее развивает мощную силу, направленную в разные стороны, которая расщепляет дерево.
ДВИЖЕНИЕ В СТОРОНЫ
В топоре имеется еще один встроенный клин: рукоять и лезвие фиксируются с помощью металлического клина.
ЗУБЧАТЫЕ ЛЕЗВИЯ ДВИЖЕНИЕ, НАПРАВЛЕННОЕ В СТОРОНЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТРИММЕР Устройство содержит два зубчатых лезвия, которые приводятся в движение кривошипным механизмом (см. стр. 48–49). Лезвия двигаются в разные стороны друг над
другом. Когда между зубцами открываются зазоры, в них попадают волосы, которые затем отрезаются пересекающимися лезвиями, словно парой клиньев.
СЕТЧАТЫЙ ДИСК
НОЖЕВАЯ ГОЛОВКА
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БРИТВА Когда электробритва двигается по коже, щетина попадает в отверстия ее тонкой сетки и ножи под сеткой срезают волоски. Каждая ножевая головка электробритвы прижимается к сетке подпружиненным приводным валом.
[14]
НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ
КОНСЕРВНЫЙ НОЖ
РУЧКА
В
РЕЖУЩЕЕ КОЛЕСО
РУЧКА ПРЯМОЗУБЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ШЕСТЕРНИ
консервном ноже имеется заостренное режущее лезвие, или режущее колесо, которое вскрывает крышку консервной банки. Второе колесико, зубчатое, располагается ниже бортика банки и вращает банку, так что режущее колесо врезается в крышку. Еще два зубчатых колеса — одно над другим — образуют пару прямозубых цилиндрических шестерен (см. стр. 37) для передачи вращающей силы от ручки.
[15]
MЕХАНИКА
ПЛУГ
П
луг — это клин, влекомый тягловым животным или трактором. Он срезает верхний слой почвы, поднимает его и переворачивает. Так почва подготавливается к посеву. При этом растительность, находившаяся на поверхности, закапывается в почву, где превращается в перегной и обеспечивает питание для зерновых. Плуг — это один из древнейших инструментов, изобретенных человеком. Деревянные плуги использовались уже пять тысяч лет назад, металлический помоложе.
ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ ПЛУГА ВИД СБОКУ
ВИД СВЕРХУ
ПОЛЕВАЯ ДОСКА
Плуг состоит из четырех основных металлических частей. Нож располагается перед корпусом, который состоит из лемеха, отвала и полевой доски. Нож, лемех и отвал действуют как клинья и могут создавать большую силу при вспахивании твердой почвы.
НОЖ ПЛУГА ЛЕМЕХ ОТВАЛ
Нож плуга создает борозду, надрезая почву вертикально. В плуге, который тянут животные, нож — это простое лезвие. В плуге, который тянет трактор, нож обычно дисковый, то есть заостренное колесо, которое свободно вращается по мере того, как плуг тянут вперед. За ножом следует лемех, который подрезает верхний слой почвы снизу. К лемеху прикреплен отвал, который поднимает и переворачивает земляной слой. Полевая доска крепится к стороне отвала и скользит по отвесной поверхности борозды, сдвигая слой в сторону.
НОЖ ПЛУГА создает борозду в почве.
ЛЕМЕХ срезает верхний пласт почвы.
ОТВАЛ поднимает и переворачивает этот пласт. [16]
ЗАСТЕЖКА-МОЛНИЯ
В
застежке-молнии искусно применяется принцип наклонной плоскости для соединения и разделения двух рядов зубцов. В замке молнии имеются клинья, которые превращают небольшое усилие, с которым вы ее тянете, в мощную силу, которая расстегивает или застегивает застежку. Зубцы расположены так, что расцепить или сцепить их можно только последовательно — один за другим. Без использования замка освободить зубцы или соединить их вместе практически невозможно. ЗАМОК МОЛНИИ
ВИД ЗАМКА ИЗНУТРИ ВЕРХНИЙ КЛИН
КЛИНЬЯ В ДЕЙСТВИИ НИЖНИЕ КЛИНЬЯ
Когда вы расстегиваете молнию, треугольный верхний клин в замке давит на зубцы и заставляет их разойтись. При застегивании два нижних клина (которые часто являются загнутыми частями замка) заставляют зубцы сойтись и сцепиться. В пластиковых застежках-молниях вместо двух рядов зубцов обычно бывают две спирали, витки которых сцепляются по тому же принципу.
MЕХАНИКА
РЫЧАГИ O ВЗВЕШИВАНИИ МАМОНТА
П
режде чем отправить мамонта в пункт назначения, его нужно взвесить. Мне посчастливилось лично наблюдать за этим процессом в одной из деревень. Ствол дерева положили на большой валун точно по центру. Затем один конец ствола опустили на землю, так чтобы на него уселся мамонт. Стоило мамонту устроиться на своем конце ствола поудобнее, как на другой конец начали карабкаться обитатели деревни. Мало-помалу их конец ствола начал опускаться, а озадаченный мамонт при этом поднялся в воздух. Как мне сказали, когда ствол установится горизонтально, общий вес участвовавших в процессе людей будет равен весу мамонта. Это звучало вполне логично.
ЗАКОН РЫЧАГА Ствол дерева выступает в роли рычага, то есть простой перекладины, установленной на точку опоры или ось поворота. Если приложить силу к одному концу рычага, потянув или толкнув его, рычаг будет вращаться относительно точки опоры для создания полезного действия в другой точке. Прилагаемая сила называется усилием. Рычаг двигается в другой точке, чтобы поднять вес или преодолеть сопротивление, — и в том и в другом случае это нагрузка. Точка приведения рычага в действие столь же важна, как усилие, которое вы к нему прилагаете. Меньшее усилие может передвинуть бо´льшую нагрузку, если приложить его на большем расстоянии от оси поворота; но в этом случае усилие преодолевает бо´льшую дистанцию. Как и в случае с наклонной плоскостью, вы выигрываете в силе, но проигрываете в расстоянии. Некоторые рычаги действуют с противоположным эффектом — обеспечивают выигрыш в расстоянии за счет применения большей силы. В рычагах расстояния, преодоленные усилием и нагрузкой, зависят от того, насколько далеко от точки опоры они располагаются. Закон рычага, который связывает нагрузку и усилие, гласит, что при равновесии произведение усилия на расстояние от точки его приложения до точки опоры равно произведению нагрузки на ее расстояние от точки опоры.
[18]
ТОЧКА ОПОРЫ В ЦЕНТРЕ Усилие и нагрузка находятся на равном расстоянии от точки опоры. В этом случае нагрузка и усилие равны и преодолевают одинаковое расстояние вниз или вверх, пока рычаг уравновешивается.
НАГРУЗКА
УСИЛИЕ
Вес мамонта
Вес десяти человек
ТОЧКА ОПОРЫ
РЫЧАГИ
А
затем я заметил на площади второго, такого же крупного мамонта, которого собирались взвешивать, но людей в качестве противовеса в этот раз было гораздо меньше. Пока я наблюдал, подозревая, что сейчас случится катастрофа, валун перекатили ближе к тому концу ствола дерева, на котором, как предполагалось, будет сидеть мамонт. Как только мамонт занял свое место, на другой конец ствола вскарабкалась небольшая горстка людей. К моему удивлению, ствол дерева плавно принял горизонтальное положение. Как мне объяснили, длина ствола дерева от сидящих на нем людей до валуна, умноженная на их общий вес, равняется длине ствола дерева от мамонта до валуна, умноженной на его вес. В самый разгар своих вычислений, имеющих целью подтвердить эту в высшей степени невероятную теорию, я услышал чей-то крик. Очевидно, не все обитатели деревни спрыгнули со ствола одновременно, и в результате один из них был невольно катапультирован. Я сделал для себя соответствующую пометку, думая, что однажды это может пригодиться.
РЫЧАГИ ПЕРВОГО РОДА
ТОЧКА ОПОРЫ СМЕЩЕНА ОТ ЦЕНТРА
Существуют три основных типа рычагов. Все рычаги на этих двух страницах — первого рода. Это не значит, что они чем-то лучше остальных. Это просто такие рычаги, в которых точка опоры всегда располагается между точками приложения сил, то есть между нагрузкой и усилием. Если точка опоры расположена по центру — как на рисунке слева, — то точки приложения сил находятся на равном удалении от нее и прикладываемые силы равны. Вес людей такой же, как вес мамонта. Однако если люди находятся от точки опоры в два раза дальше, чем мамонт — как на рисунке справа, — то, чтобы поднять мамонта, нужно в два раза меньше людей. А если бы люди находились от точки опоры в три раза дальше мамонта, то хватило бы в три раза меньше людей, и так далее, словно удлинение рычага увеличивает приложенную к нему силу. Эти рычаги по взвешиванию мамонтов уравновешиваются, чтобы измерить вес, поэтому такой тип измерительных приборов называется весы. Когда рычаг опускается, сила, прикладываемая со стороны нагрузки, уравновешивает силу со стороны усилия, — это и есть вес. При действии многих других видов рычагов создается движение.
Точка приложения усилия располагается в два раза дальше от точки опоры, чем нагрузка. Соответственно усилие преодолевает расстояние в два раза большее, чем нагрузка, но при этом оно в два раза меньше нагрузки.
УСИЛИЕ
НАГРУЗКА
Вес пяти человек
Вес мамонта
ТОЧКА ОПОРЫ
[19]
MЕХАНИКА
O МАМОНТАХ И ГИГИЕНЕ
В
ходе своих исследований я обнаружил, что мамонты очень неприятно пахнут и этим запахом неизбежно пропитывается все вокруг них. Так что я с удовольствием наблюдал за тем, как служащие, следившие за загонами мамонтов, приучали своих подопечных к подстилкам и их регулярной смене. Так как часто мамонт отказывался покидать подстилку, раз уж он на ней устроился, люди научились вытаскивать подстилки прямо из-под животных. Для
этого они аккуратно просовывали один конец срубленного ствола дерева под мамонта. Затем поднимали на достаточное расстояние другой конец ствола, благодаря чему мамонт приподнимался настолько, что из-под него можно было достать зловонную подстилку. Легкость, с которой люди могли поднимать во столько раз превышающий их вес груз, была поразительной. Я также заметил, что во время процесса уборки неоценимую роль играют тачки.
РЫЧАГИ ВТОРОГО РОДА Как подъемник мамонта, так и тачка — это рычаги второго рода. В них точка опоры расположена на одном конце перекладины, а усилие прикладывается к другому концу. Нагрузка, которую необходимо поднять или преодолеть, находится между ними. В рычаге этого типа усилие всегда прикладывается дальше от точки опоры, чем нагрузка. В результате нагрузка не может пройти то же расстояние, что и усилие, но сила, с которой она двигается, всегда превышает усилие. Чем ближе к точке опоры расположена нагрузка, тем больше увеличивается ее сила и тем легче поднять груз. Рычаг второго рода всегда увеличивает силу, но уменьшает пройденное расстояние. Принцип работы тачки такой же, как и у подъемника мамонта: она позволяет поднимать и перевозить тяжелый груз, при этом точкой опоры является ее колесо. Рычаги могут использоваться не только для поднятия предметов, но и для создания большого давления, прикладываемого к ним. В таком случае нагрузка — это сопротивление предмета давящей на него силе. Ножницы и щипцы для орехов (см. стр. 22) — примеры рычагов первого и второго рода. Это составные рычаги, то есть пара рычагов, соединенных в точке опоры.
[20]
НАГРУЗКА Вес мамонта
ТОЧКА ОПОРЫ
УСИЛИЕ Сила, равная одной трети веса мамонта
РЫЧАГ ВТОРОГО РОДА В ДЕЙСТВИИ Так как усилие в три раза дальше от точки опоры, чем нагрузка, сила, необходимая, чтобы поднять нагрузку, в три раза меньше нагрузки.
РЫЧАГИ
O ПОДРЕЗАНИИ БИВНЕЙ И СОПУТСТВУЮЩИХ СЛОЖНОСТЯХ
С
огромным любопытством я наблюдал за тем, как мамонту в качестве меры предосторожности подрезают бивни, прежде чем отправить его в плавание. Было очевидно, что животному совсем не нравится то, как ему пилили, подрезали и шлифовали их. И только мне на ум пришла старая поговорка о том, что гнев раздраженного мамонта уступает лишь ярости оскорбленной
женщины, как неожиданно разозленное животное обхватило хоботом конец лежащего рядом бревна для взвешивания и начало размахивать им. Во время последовавшего разрушения установки для подрезания бивней я успел отметить, что, хотя голова мамонта вращалась совсем немного, свободный конец бревна описывал гораздо более значительную траекторию, развивая потрясающую скорость.
РЫЧАГИ ТРЕТЬЕГО РОДА Увеличив свой хобот за счет бревна, мамонт стал в некотором роде напоминать такие безобидные устройства, как удочка или пинцет. Он стал гигантским рычагом третьего рода. В данном случае точка опоры опять расположена на конце рычага, но теперь поменялись местами нагрузка и усилие. Нагрузка находится на самом большом расстоянии от точки опоры, а усилие прилагается между нагрузкой и точкой опоры. Так как нагрузка расположена дальше всего, она двигается с меньшей силой, чем усилие, но преодолевает пропорционально большее расстояние. Таким образом, рычаг третьего рода увеличивает расстояние, но уменьшает силу. Точкой опоры здесь можно считать шею мамонта, и конец бревна проходит большее расстояние, чем хобот, удерживающий бревно. Сила, с которой бревно наносит удары, меньше, чем усилие хобота, но конец бревна двигается быстрее, чем хобот, и этого достаточно, чтобы разбросать людей в разные стороны.
НАГРУЗКА Вес предметов, запущенных в воздух
РЫЧАГ ТРЕТЬЕГО РОДА В ДЕЙСТВИИ Нагрузка проходит расстояние в три раза большее, чем усилие, так как в три раза дальше расположена от точки опоры. Нагрузка составляет треть усилия.
ТОЧКА ОПОРЫ
УСИЛИЕ Сила хобота мамонта
[21]
MЕХАНИКА
РЫЧАГИ В ДЕЙСТВИИ ак тебя мне использовать? К ! г а ч ы Ор измерения расстояния? я л д , т е ж о М
ТОЧКА ОПОРЫ НАГРУЗКА
УСИЛИЕ
РЫЧАГИ ПЕРВОГО РОДА ГВОЗДОДЕР
ПЛОСКОГУБЦЫ
Усилие ручки увеличивается и вытаскивает гвоздь. Нагрузкой здесь является сопротивление гвоздя.
Плоскогубцы — это составной рычаг, то есть пара простых рычагов, соединенных в точке опоры. Нагрузка — сопротивление предмета захвату инструментом.
BЕСЫ Предмет, вес которого нужно измерить, — это нагрузка, а гиря создает усилие. Они равны, так как находятся на одном расстоянии от точки опоры.
РЫЧАЖНЫЕ ВЕСЫ Точка опоры смещена относительно центра. Грузило передвигается по основанию, пока не уравновесит взвешиваемый объект.
РУЧНАЯ ТЕЛЕЖКА Небольшое усилие, прикладываемое к ручкам тележки, позволяет поднимать тяжелый груз.
НОЖНИЦЫ Ножницы — это составной рычаг первого рода. Они развивают мощное режущее действие очень близко к месту крепления. Нагрузка — сопротивление материала лезвиям.
РЫЧАГИ ВТОРОГО РОДА
ТАЧКА
ОТКРЫВАЛКА
ЩИПЦЫ ДЛЯ ОРЕХОВ
Небольшое усилие, приложенное к ручкам тачки, поднимает тяжелый груз, расположенный ближе к колесу.
Давление на ручку преодолевает сопротивление крышки бутылки.
Щипцы для орехов — составной рычаг второго рода. Нагрузка — сопротивление скорлупы.
[22]
РЫЧАГИ РЫЧАГИ ТРЕТЬЕГО РОДА МОЛОТОК
УДОЧКА
Молоток — рычаг третьего рода. Точка опоры здесь — плечевой сустав (рука — продолжение рукоятки), а нагрузка — сопротивление дерева. Во время удара по гвоздю головка молотка двигается быстрее, чем рука с рукояткой.
ПИНЦЕТ
Одна рука прикладывает усилие для движения удочки, вторая становится точкой опоры. Нагрузка — это вес рыбы, который поднимается на большую высоту легким движением руки.
Пинцет — это составной рычаг третьего рода. На кончиках пинцета усилие меньше, чем со стороны пальцев, так что можно захватывать хрупкие предметы. Нагрузка — сопротивление предмета.
СОСТАВНЫЕ РЫЧАГИ ЭКСКАВАТОР РУКОЯТЬ СТРЕЛА КОВШ
ПОВОРОТНАЯ ПЛАТФОРМА Экскаватор — это комплекс из трех вращающихся рычагов — стрелы, ковша и рукояти, — установленный на гусеничную ленту. Весь комплекс поворачивается ГУСЕНИЧНЫЕ на платформе, а за счет совместной работы ЛЕНТЫ этих трех рычагов, приводимых в действие гидроцилиндрами (см. стр. 128–129), ковш
КУСАЧКИ ДЛЯ МАНИКЮРА
может занять любое положение. Стрела экскаватора — это рычаг третьего рода, который поднимает или опускает рукоять. Рукоять — рычаг первого рода, который опускает и поднимает ковш. Сам ковш экскаватора — еще один рычаг первого рода, который роет яму и высыпает породу.
ТОЧКА ОПОРЫ РУЧКИ
Кусачки для маникюра — удобное устройство, сочетающее два рычага. Оно совершает сильное режущее действие, которое легко контролировать. Ручка — это рычаг второго рода, который оказывает сильное давление на режущие лезвия, заставляя их смыкаться. А сами режущие поверхности представляют собой рычаг третьего рода. Они проходят короткое расстояние, но преодолевают большое сопротивление ногтя, срезая его край.
РУЧКА
РЕЖУЩИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТОЧКА ОПОРЫ РЕЖУЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
[23]
MЕХАНИКА
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕСА ЗАГАДКА РОБЕРВАЛЯ В основе принципа действия обычных кухонных весов лежит загадка Роберваля. В 1669 году французский математик Жиль Роберваль создал весы, состоящие из системы параллельных рычагов. В них чаши весов оставались в горизонтальном положении, а предметы, вес которых требовалось определить, можно было положить в любое место чаши весов, что никак не влияло на точность измерений.
На первый взгляд кажется, что это противоречит закону рычага, — отсюда и «загадка». Но точкой приложения веса на рычаг здесь является точка основания чаши весов, а она постоянна. Такие весы — это рычаг первого рода. Поскольку центры обеих чаш расположены на равном расстоянии от оси вращения, они уравновешиваются, когда вес на одной чаше равен весу на другой. Принцип действия весов с подвесными чашами такой же.
Не может быть!
НАПОЛЬНЫЕ ВЕСЫ
ПЛАТФОРМА
ШКАЛА
РЫЧАГИ
ВЕСОВ
[24]
Из соображений безопасности напольные весы лишь слегка опускаются, когда вы на них встаете. Их механизм усиливает это небольшое движение и поворачивает шкалу, которая показывает ваш вес. Система рычагов третьего рода, вращающаяся под платформой, передает ее движение на калибровочную пластину, опуская ее. Соединенная с ней мощная основная пружина растягивается прямо пропорционально вашему весу (см. стр. 78–79). Другая пружина, соединенная с механизмом шкалы, тянет кривошип — рычаг первого рода, и он поворачивается. Этот механизм имеет рейку и ведущую шестерню (см. стр. 37), которая поворачивает шкалу, показывающую ваш вес в окошке платформы. Когда вы сходите с весов, основная пружина сжимается. За счет этого платформа приподнимается, а кривошип поворачивается, возвращая шкалу в исходное положение к нулю.
РЫЧАГИ РЫЧАГ 2
CОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ
CОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ
РЕЙКА
РЕЙКИ
С НАНЕСЕННОЙ ШКАЛОЙ
РЫЧАГ 3
РЕЙКИ
РЫЧАГ 1 ГРУЗИК
ПЛАТФОРМЕННЫЕ ВЕСЫ При помощи платформенных весов взвешивают тяжелые предметы. В них используется система рычагов первого и третьего рода: нагрузка на одном рычаге становится усилием, которое приводит в движение следующий рычаг. Предмет, который требуется взвесить, помещается на платформу, которая опускается на малое расстояние. Рейка с нанесенной на нее шкалой поднимается, а грузик скользит по ней, останавливаясь в тот момент, когда уравновешиваются все рычаги, соединенные с платформой. Вес предмета отражается на шкале. Все три рычага действуют совместно, так что они пропорционально увеличивают преодоленное расстояние, показанное здесь длиной стрелок. При этом уменьшается усилие, которое необходимо приложить к рейке со шкалой, чтобы уравновесить взвешиваемый предмет. Благодаря этому небольшой груз может уравновесить очень тяжелый предмет.
ОСНОВНАЯ ПРУЖИНА Основная пружина растягивается, позволяя пружине шкалы вращать кривошип.
КРИВОШИП
ШКАЛА
ПРУЖИНА ШКАЛЫ
ВЕДУЩАЯ ШЕСТЕРНЯ
РЕЙКА
КАЛИБРОВОЧНАЯ ПЛАСТИНА Когда весы измеряют вес, калибровочная пластина сдвигается вниз, растягивая основную пружину.
РЫЧАГ
[25]
ВEС Груз на весах оказывает давление на четыре рычага, которые совместно передают усилие на калибровочную пластину.
MЕХАНИКА
РОЯЛЬ
К
аждая клавиша рояля соединена со сложной системой рычагов, которая называется фортепианным молоточковым механизмом. Рычаги передают движение пальцев на обитый войлоком молоточек, который ударяет по натянутой струне для извлечения звука. При этом молоточек проходит более длинную дистанцию, чем кончик пальца пианиста. Система рычагов очень чувствительна, что позволяет музыканту играть в быстром темпе и извлекать звуки в большом диапазоне частот.
ФОРТЕПИАННЫЙ МОЛОТОЧКОВЫЙ МЕХАНИЗМ В ДЕЙСТВИИ
ЧАСТИ ФОРТЕПИАННОЙ МЕХАНИКИ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
При нажатии клавиша поднимает фигуру — промежуточный горизонтальный рычаг с насаженным на ось толкателем — шпилером. Шпилер заставляет подниматься стойку под роликом молоточка и рычаг, соединенный с молоточком. При нажатии клавиши также поднимается демпфер. Сразу после удара о струну
молоточек возвращается в исходное положение, позволяя струне вибрировать. После отпускания клавиши демпфер вновь падает на струну, прекращая звук.
КЛАВИША ФИГУРА ШПИЛЕР РОЛИК МОЛОТОЧКА ПОВТОРЯЮЩИЙ РЫЧАГ МОЛОТОЧЕК СТРУНА ДЕМПФЕР ФЕНГЕР (ОСТАНАВЛИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО)
РЫЧАГ С ЛИТЕРОЙ БУМАГА ЛИТЕРА
РЫЧАГИ С ЛИТЕРАМИ Рычаги, заканчивающиеся литерами, расположены полукругом, так что каждый ударяет в центр машинки. Бумага и пропитанная чернилами лента передвигаются после каждого удара.
ВАЛИК, или ЦИЛИНДР ЛЕНТА, ПРОПИТАННАЯ ЧЕРНИЛАМИ
ПРУЖИНА
K ЛАВИША С СИМВОЛОМ
[26]
ВЕРХНИЙ И НИЖНИЙ РЕГИСТРЫ Каждый рычаг с литерой отвечает как за верхний, так и за нижний регистр буквы. Нажатие клавиши переключения регистра опускает рычаг с литерой, так что о ленту ударяется буква верхнего регистра.
РЫЧАГИ ПОВТОРЕНИЕ НОТЫ Молоточек падает назад после удара о струну. Если клавиша не отпущена, молоточек фиксируется фенгером и повторяющим рычагом. Молоточек
удерживается в этом положении, так что он готов вновь быстро ударить по струне, если клавиша будет сразу нажата снова.
7
8
6
4
5
3
2
9
1
ПИШУЩАЯ МАШИНКА
К
ак и фортепиано, механическая печатная машинка (ставшая теперь редкостью) имеет систему рычагов, которая преобразует легкий удар пальца по клавише в длинное движение вверх на конце рычага с литерой. Так как печатающий на машинке всегда играет fortissimo, сильно нажимая на клавиши, для соединения клавиши и литеры достаточно простой системы рычагов — в большинстве печатных машинок между клавишей и литерой использовалось по крайней мере пять рычагов.
[27]
MЕХАНИКА
BЕЛОСИПЕДНЫЙ ТОРМОЗ
Н
ебольшое усилие рук может ТОЧКА быстро свести на нет работу ног, ВРАЩЕНИЯ когда вы едете на велосипеде. Тормоз на велосипеде состоит из системы трех рычагов. Они передают усилие, с которым рука сжимает тормозной рычаг, на тормозные колодки, а те, в свою очередь, сжимают обод велосипедных колес. Каждая ручка увеличивает усилие в несколько раз. Обычно два тормозных рычага прижимают тормозные колодки к ободу ТОРМОЗНОЙ колеса, что создает трение (см. стр. 82), достаточное для за- ТРОСИК медления и остановки велосипеда.
ТОРМОЗНАЯ РУЧКА Тормозная ручка тянет тросик, соединяющий ее с механизмом тормоза. Это рычаг второго рода. Конец ручки преодолевает расстояние большее, чем тросик, который натягивается с большей силой, чем усилие, прикладываемое рукой.
ТОРМОЗНОЙ РЫЧАГ
ТОЧКА ВРАЩЕНИЯ ПОКРЫШКА КОЛЕСА
ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА ОБОД КОЛЕСА
ТОРМОЗНЫЕ РЫЧАГИ ТОРМОЗНОЙ РЫЧАГ
Тросик поднимается и притягивает два рычага (третьего и первого рода) друг к другу. Они передают увеличенную силу на тормозные колодки.
РЫЧАГИ
ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА ВЕРХНЯЯ СТРЕЛА Цилиндр, установленный на нижней стреле, втягивается и тянет за собой основание верхней стрелы. За счет этого усилия конец верхней стрелы идет вверх, поднимая кабину и пожарного на нужную высоту.
К AБИНА
И
ногда пожарные должны бороться с огнем на верхних этажах высоких зданий, а порой и спасать людей. Для подъема на большую высоту они используют гидравлическую платформу. Она состоит из кабины, закрепленной на конце системы из двух подвижно скрепленных стрел. Транспортное средство, несущее платформу, сначала опускает стабилизаторы для придания системе устойчивости. Затем гидроцилиндры (см. стр. 129) приводят в действие стрелы, которые являются рычагами третьего рода. Верхние концы проходят большее расстояние, чем цилиндры, так что стрелы могут телескопически выдвигаться, чтобы достать до очага пожара или людей, нуждающихся в помощи.
ЦИЛИНДР ВЕРХНЕЙ СТРЕЛЫ
УСИЛИЕ (ТЯГА ТРОСИКА)
ВЫДВИГАЮЩАЯСЯ СЕКЦИЯ ТОЧКА ОПОРЫ
ТОРМОЗНОЙ НАГРУЗКА (СОПРОТИВЛЕНИЕ ОБОДА КОЛЕСА)
РЫЧАГ (РЫЧАГ ПЕРВОГО РОДА)
НИЖНЯЯ СТРЕЛА Пара мощных цилиндров толкает вверх основание стрелы. Подвижные секции нижней стрелы телескопически выдвигаются и поднимают верхнюю стрелу.
УСИЛИЕ ТОЧКА ОПОРЫ
ТОРМОЗНОЙ РЫЧАГ (РЫЧАГ ТРЕТЬЕГО РОДА)
ЦИЛИНДРЫ
УСИЛИЕ (ТЯГА ТРОСИКА)
ТОЧКА
НАГРУЗКА
ОПОРЫ
(ВЕС КАБИНЫ)
ТОЧКА ОПОРЫ
НАГРУЗКА (СОПРОТИВЛЕНИЕ ОБОДА КОЛЕСА)
УСИЛИЕ
НАГРУЗКА (ВЕС ВЕРХНЕЙ СТРЕЛЫ И КАБИНЫ)
УСИЛИЕ
(ТЯГА РУКИ)
НАГРУЗКА (СОПРОТИВЛЕНИЕ ОБОИХ ОБОДЬЕВ КОЛЕС)
ТОРМОЗНАЯ РУЧКА (РЫЧАГ ВТОРОГО РОДА)
СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ ЦИЛИНДРЫ
[29]
НИЖНЕЙ СТРЕЛЫ
Как всегда, на самом интересном месте :-)
Подробнее о книге читайте на сайте Купить на Озоне Купить в Лабиринте
© При использовании любых материалов, ссылка на источник обязательна.
facebook.com/mifbooks twitter.com/mifbooks vkontakte.ru/mifbooks