В рычаге первого рода, называемом «коромыслом», опора располагается между точками приложения сил. Для его равновесия необходимо, чтобы силы были направлены в одну сторону. Выигрыш в силе для рычага первого рода больше единицы.
В рычаге второго рода, называемом «тачка», обе силы приложены с одной стороны опоры, но расстояние от точки опоры до точки приложения силы больше, чем расстояние от точки опоры до точки приложения нагрузки. Для равновесия рычага второго рода необходимо, чтобы силы были направлены в разные стороны. Выигрыш в силе для рычага второго рода больше единицы.
В рычаге третьего рода, «пинцете», точка приложения силы находится между точкой опоры и точкой приложения нагрузки. Поскольку в нем плечо силы меньше плеча нагрузки, то в нем больше единицы выигрыш в скорости.
Теория равновесия рычага под действием силы тяжести была разработана Архимедом. Он уделял рычагам много внимания.
Кроме рычага человек с древних времен использовал другие простые механизмы: наклонную плоскость, блок, ворот, клин и винт.
Наклонная плоскость применяется для перемещения грузов на высоту без их отрыва от плоскости опоры. Примерами наклонной плоскости могут служить лестницы, эскалаторы и пандусы. Выигрыш в силе, который достигается применением наклонной плоскости, равен отношению пройденного пути к высоте, на которую поднялся груз. Поскольку первое расстояние всегда больше второго, то наклонная плоскость дает выигрыш в силе.
Ворот – это два соединенных друг с другом колеса, которые вращаются вокруг общей оси. Он применяется, например, для поднятия ведра с водой из колодца. Ворот является рычагом первого рода, поэтому может давать выигрыш как в силе, так и в скорости. Это зависит от радиуса колес, к которым прилагается нагрузка и усилие.
Блок представляет собой колесо, по окружности которого проходит желоб, предназначенный для цепи или каната. Блок предназначен для подъема грузов. Одиночный блок может иметь закрепленную ось (уравнительный блок) либо быть подвижным.
Уравнительный блок представляет собой рычаг первого рода с точкой опоры на оси. Плечо усилия и плечо нагрузки равны радиусу блока, поэтому выигрыш в силе и скорости равны единице.
В подвижном блоке нагрузка расположена между точкой опоры и усилием, поэтому это – рычаг второго рода. Плечо нагрузки равно радиусу блока, плечо усилия равно его диаметру. Для подвижного блока выигрыш в силе равен двум. Уравнительные и подвижные блоки можно сочетать для увеличения выигрыша в силе.
Система блоков и канатов, предназначенная для повышения грузоподъемности, называется полиспастом.
Клин, по сути, является сдвоенной наклонной плоскостью. Но если наклонная плоскость является неподвижной, а груз движется по ней, то клин, наоборот, входит в место приложения нагрузки. Выигрыш в силе, получаемый при помощи клина, равняется отношению длины к толщине более широкого конца. Расклинивающая сила, действующая в направлении, перпендикулярном движению клина, может превосходить продольную в 4–5 раз. Клин применяется в инструментах, производящих откалывающее и режущее действия (топор, нож, швейная игла), или в качестве регулирующего элемента. Клиновые соединения применяются для зажима деталей. Кроме того, клин служит для передачи поступательного движения под углом.
Винт – это наклонная плоскость-резьба, многократно обернутая вокруг цилиндра. В зависимости от направления наклона резьба может быть левой и правой. Резьба на винте и сопрягающейся детали должна совпадать. Примерами простых механизмов, в которых применяется винтовая резьба, являются болт и гайка, тиски, домкрат. Резьба, как разновидность наклонной плоскости, дает выигрыш в силе. Выигрыш в силе равен отношению расстояния, которое проходит точка приложения силы за один оборот, к расстоянию, которое проходит нагрузка по оси винта. Расстояние между двумя соседними витками называется шагом резьбы.
Иногда простыми механизмами называют лишь рычаг и наклонную плоскость. Блок и ворот считают разновидностями рычага, а клин и винт – наклонной плоскости.
Более сложные механизмы, созданные человечеством в ходе развития техники, представляют собой вариации и сочетания вышеперечисленных простых механизмов.
Синтетические волокна
На протяжении тысячелетий человечество использовало для своих нужд природные волокна растительного (лен, хлопок, пенька) и животного (шерсть, шелк) происхождения. Кроме того, применялись и минеральные материалы, например асбест.
Ткани, производимые из этих волокон, шли на изготовление одежды, технические нужды и т. п.
В связи с ростом населения Земли натуральных волокон стало не хватать. Именно поэтому возникла потребность в их заменителях.
Первую попытку получить искусственным путем шелк предпринял в 1855 г. француз Одемар на основе нитроцеллюлозы. В 1884 г. французский инженер Г. Шардоне разработал метод получения искусственного волокна – нитрошелка, и с 1890 г. было организовано широкое производство искусственного шелка нитратным способом с образованием нитей с помощью фильер. Особенно эффективным оказалось начавшееся в 90-х годах XIX в. производство шелка из вискозы. Впоследствии этот способ получил наиболее широкое распространение, и ныне вискозный шелк составляет примерно 85 % мирового производства искусственного волокна. В 1900 г. мировое производство вискозного шелка составило 985 тонн, в 1930 г. – около 200 тыс. тонн, а в 1950 г. производство вискозного шелка достигло почти 1600 тыс. тонн.
В 1920-х годах было освоено производство ацетатного шелка (из ацетилцеллюлозы). По внешнему виду ацетатный шелк почти неотличим от натурального. Он малогигроскопичен и, в отличие от вискозного шелка, не мнется. Ацетатный шелк широко применяется в электротехнике как изоляционный материал. Позже был открыт способ получения ацетатного волокна чрезвычайно большой прочности (шнур сечением в 1 см2 выдерживает нагрузку в 10 тонн).
На основе успехов химии на протяжении XX в. в СССР, Англии, Франции, Италии, США, Японии и других странах была создана мощная промышленность искусственного волокна.
Накануне Первой мировой войны во всем мире производилось всего 11 тыс. тонн искусственного волокна, а спустя 25 лет производство искусственного волокна оттеснило производство натурального шелка. Если в 1927 г. производство вискозного и ацетатного шелка составляло около 60 тыс. тонн, то в 1956 г. мировая продукция искусственных – вискозных и ацетатных – волокон превысила 2 млн тонн.
Разница между натуральным, искусственным и синтетическим волокнами состоит в следующем. Природное (натуральное) волокно полностью создано самой природой, искусственное волокно сделано руками человека, а синтетическое – создано человеком на химических заводах. При синтезе синтетических волокон из более простых веществ получают более сложные высокомолекулярные соединения, тогда как искусственные материалы образуются за счет разрушения значительно более сложных молекул (например, молекул клетчатки при получении метилового спирта путем сухой перегонки древесины).
В 1935 г. американским химиком У. Карозерсом был открыт нейлон – первое синтетическое волокно. Карозерс сначала работал бухгалтером, но позже заинтересовался химией и поступил в Иллинойский университет. Уже на третьем курсе ему поручили читать лекции по химии. В 1926 г. Гарвардский университет избирает его профессором органической химии.
В 1928 г. в судьбе Карозерса произошел резкий поворот. Крупнейший химический концерн «Дюпон де Немур» пригласил его возглавить лабораторию органической химии. Ему создали идеальные условия: большой штат сотрудников, самое современное оборудование, свободу в выборе тематики исследований.
Это было связано с тем, что за год до этого концерн принял стратегию на теоретические исследования, полагая, что они в конце концов принесут значительную практическую пользу, а
