Блок — простое механическое устройство, ось которого закреплена при подъеме грузов, не поднимается и не опускается. Представляет собой колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Жёлоб предназначен для каната, цепи, ремня и т.п.
Если ось блока помещается в обоймах, прикреплённых на балке или стене, такой блок называется неподвижным (то есть ось блока закреплена); если же к этим обоймам прикрепляется груз, и блок вместе с ними может двигаться, то такой блок называется подвижным.
Неподвижный блок
Неподвижный блок нужен для подъёма небольших грузов или для изменения направления силы.
Неподвижный блок не дает выигрыша в силе.Его применяют для того, чтобы изменить направление действия силы. Так, например, прикладывая к веревке, перекинутой через такой блок, силу, направленную вниз, мы заставляем груз подниматься вверх.
Условие равновесия блока:
$$ F = f m g $$
где F — прилагаемое внешнее усилие, m — масса груза, g — ускорение свободного падения, f — коэффициент сопротивления в блоке (для цепей примерно 1,05, а для верёвок — 1,1).
При отсутствии трения для подъема нужна сила, равная весу груза.
Подвижный блок
Имеет свободную ось и предназначен для изменения величины прилагаемых усилий. Если концы веревки, обхватывающей блок, составляют с горизонтом равные между собой углы, то действующая на груз сила относится к его весу, как радиус блока к хорде дуги, обхваченной канатом; отсюда, если веревки параллельны (то есть когда дуга, обхватываемая веревкой, равна полуокружности), то для подъёма груза потребуется сила вдвое меньше, чем вес груза, то есть:
$$ F =\frac{1}{2}f m g $$При этом груз пройдёт расстояние, вдвое меньшее пройденного точкой приложения силы F, соответственно, выигрыш в силе подвижного блока равен 2.
Как относятся плечи сил в подвижном блоке?
Подвижный блок действует аналогично одноплечему рычагу. Относительно центра вращения действуют моменты сил, которые при равновесии должны быть равны: $$ F_1 2r = F_2 r $$ Отсюда сила равна половине нагрузки: F₁ = F₂/2
Так, например, один подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза, следовательно, комбинация 2-ух подвижных и неподвижного блока даст выигрыш в силе в 4 раза, а 2-ух неподвижных и 3-ех подвижных - в 6 раз.
Расчет КПД блока
КПД неподвижного блока (без учета трения) определяется по формуле: $$ η = \frac{F_1}{F_2}\cdot 100% = \frac{m \cdot g}{F_2}\cdot 100% $$ где \(F_2\) - сила, с которой тянут за веревку.
КПД подвижного блока (без учета веса самого блока и потерь в нем) можно вычислить по формуле: $$ η = \frac{F_1}{2F_2}\cdot 100% = \frac{m \cdot g}{2F_2}\cdot 100% $$ где \(F_2\) - сила, с которой тянут за веревку.
$$ η = \frac{A_{пол}}{A_{сов}} = \frac{P\cdot h}{F_2\cdot l} =\\= \frac{h}{\frac{1+\frac{m}{P}}{2}\cdot 2h}=\frac{1}{1+\frac{m}{P}} $$Можно сделать вывод, что КПД подвижного блока растет с увеличением массы поднимаемого груза.
Фактически, любой блок представляет собой рычаг, в случае неподвижного блока — равноплечий, в случае подвижного — с соотношением плеч 1 к 2.
Как и для всякого другого рычага, для блока справедливо правило: во сколько раз выигрываем в усилии, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Иными словами, работа, совершаемая при перемещении груза на какое-либо расстояние без использования блока, равна работе, затрачиваемой при перемещении груза на то же самое расстояние с применением блока при условии отсутствия трения. В реальном блоке всегда присутствуют некоторые потери.
Также используется система, состоящая из комбинации нескольких подвижных и неподвижных блоков. Такая система называется полиспаст.
Неподвижные блоки действительно не дают выигрыш в силе, но зато они меняют направление перемещения груза (мы прикладываем силу в одну сторону, а движение груза осуществляется в другую).
Двойной блок и ворот
Двойной блок состоит из двух блоков разных радиусов, жестко скреплённых между собой и насаженных на общую ось. Радиусы блоков \(R_1\) и \(R_2\) различны и при подъёме груза действуют как рычаг с неравными плечами, а выигрыш в силе будет равен отношению длин радиусов блока большего диаметра к блоку меньшего диаметра:
$$ F = Р\cdot\frac{R_1}{R_2} $$Ворот состоит из цилиндра (барабана) и прикреплённой к нему рукоятки, которая выполняет роль блока большого диаметра.
Выигрыш в силе, создаваемый воротом, определяется отношением радиуса окружности R, описываемой рукояткой, к радиусу цилиндра r, на который намотана верёвка F = Р·r/R.
Для какой цели применяют подвижные блоки?
Поскольку подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза, его можно использовать в качестве облегчителя труда на стройках. Он же применяется в подъёмный кранах, с помощью него можно поднимать кирпичи, бочки с краской и т.д.
Подвижные блоки используют либо для выигрыша в силе, либо для увеличения расстояния а, значит, и скорости. Например подвижные блоки можно использовать для разгона и запуска планера.
Позволяет ли неподвижный блок получить выигрыш в силе?
Неподвижный блок, это блок, ось которого закреплена и при подъеме грузов она не опускается и не поднимается. Его можно рассматривать, как равноплечный рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса блока. Такой блок не дает выигрыша в силе, он только позволяет менять направление силы.
