«Вечный двигатель» в учебниках физики для 7 класса

Целью данной работы является доказательство того, что в учебниках физики для 7 класса, в которых физическая модель подвижного блока, при получении выигрыша в силе в 2 раза, рассматривается как рычаг с неравными плечами (рычаг второго рода), изображён классический «вечный двигатель» и является продолжением статей опубликованных в журналах «Юный ученый»: «Современный взгляд на простой механизм «блок», изучаемый по учебникам физики для 7 класса» в журнале № 2(5) за 2016 год, «Ошибки в учебниках физики для 7 класса при изучении механизма «подвижный блок» в журнале № 3(12) за 2017 год и «Переименование и исключение силы упругости в учебниках физики для 7 класса» в журнале № 4(13) за 2017 год.

Ключевые слова: вечный двигатель, подвижный блок, рычаг с неравными плечами.

Для доказательства того, что в учебниках физики для 7 класса изображен «вечный двигатель» воспользуемся проектом «вечного колеса» великого итальянского художника, учёного и инженера Леонардо да Винчи в учебнике Л. Э. Генденштейна и дополнительным условием равновесия, при котором изначально покоившееся твёрдое тело не начнёт раскручиваться под действием прикладываемых к нему сил в учебнике А. В. Грачёва. Леонардо да Винчи «предполагал, что колесо с шариками» на рис.28.3б «будет вращаться вечно, потому что шарики, находящиеся дальше от оси вращения колеса, должны всегда перевешивать шарики, находящиеся ближе к оси.

Однако если подсчитать, сколько шариков находится с каждой стороны колеса, то мы увидим, что слева шариков больше. И снова расчёт показывает, что моменты сил, вращающих колесо в противоположные стороны, в точности равны. Установив на опыте, что его «вечное колесо» всё-таки останавливается, Леонардо сделал этот расчёт и пришёл к выводу, что «существование вечно вращающегося колеса невозможно» [2, с.220].

Дополнительное условие равновесия возьмём из учебника физики для 7 класса автора А. В. Грачева в §46. Равновесие тела. Момент силы на стр.216 знакомимся с текстом и рисунком 136:

«Найдём дополнительное условие равновесия, при котором изначально покоившееся твёрдое тело не начинает раскручиваться под действием прикладывваемых к нему сил. Рассмотрим твёрдое тело, закреплённое на оси, вокруг которой оно может вращаться. Пусть это будет, например, велосипедное колесо, которое закреплено на оси, обозначенной точкой О (рис.136). Исследуем, как будет изменяться вращение колеса под действием одной и той же силы F. Для этого приложим силу F к точке А обода клеса и будем изменять направление этой силы. Вначале подействуем на колесо силой F в направлении, перпендикулярном радиусу ОА (рис.136, а). Эксперимент показывает, что в этом случае колесо начнёт раскручиваться по ходу стрелки часов (по часовой стрелке). Если же направление силы F будет таким, как на рис.136, б, то неподвижное колесо также начнёт раскручиваться по часовой стрелке, но уже медленнее, чем в первом случае. Наконец, если сила F будет направлена точно вдоль радиуса колеса (рис. 136 в), то колесо вообще не начнёт раскручиваться» [3, c.216].

Сила F, приложенная к ободу колеса в направлении перпендикулярном радиусу ОА (рис.136а), будет его раскручивать вокруг оси, на которой колесо закреплено, а сила F, направленная вдоль радиуса колеса (рис.136б), не даст ему раскручиваться.

После ознакомления с «вечным колесом» Леонардо да Винчи и условиями необходимыми для раскручивания колеса можем приступить к анализу рисунков подвижного блока в учебниках физики для 7 класса.

Начнём с учебника физики А. В. Пёрышкина в §61. Применение правила равновесия рычага к блоку. Подвижный блок изображен на рис.179, а физическая модель подвижного блока, представленная как рычаг с неравными плечами, на рис.180.

Сравним рисунок 136а, который повернули на 90 градусов, с рисунком 180:

1.                На рисунках изображены колёса, (блок, по определению, это колесо).
2.                Сила F действует на обод колеса, на рис.136а в точке А, на рис.180 в точке В.
3.                Радиус, перпендикулярный действию силы F, на рис.136а –ОА, на рис.180 — АВ.
4.                Ось вращения колеса: на рис.136а — точка О, на рис.180 — точка А.

Все условия для раскручивания колёс совпали, кроме величины и направления действия силы F. Из текста §61 сила F подвижного блока в 2 раза меньше силы Р, поэтому F = Р / 2. Направление действие силы F, скажется на вращении колёс, колесо на рис.136а будет вращается по часовой стрелке, а колесо подвижного блока на рис.180, силой F, будет раскручиваться против часовой стрелки. Сила Р, на рис.180, действует на ось колеса (что видно на рис.179) и не препятствует вращению колеса подвижного блока.

Из анализа рис.180 следует вывод: На рис.180 вес груза Р, который действует на ось колеса подвижного блока, создаёт на его ободе силу F, которая будет вращать это колесо подвижного блока до исчезновения веса груза Р, то есть будет «вечно вращающееся колесо», мечта Леонардо да Винчи.

Об этом «вечно вращающемся колесе» подвижного блока авторам учебников по физике для 7 класса, наверное, известно, поэтому авторы пытаются заставить вращаться колесо подвижного блока, имеющего ось вращения в центре колеса, вокруг выдуманной оси вращения колеса блока находящейся на его ободе. Для этого прибегают к разным ухищрениям: например, представляют колесо как рычаг с неравными плечами, т. е. вращается не колесо, а рычаг (учебники А. В. Пёрышкина, А. В. Грачёва, Н. С. Пу- рышевой) или как на стр. 124 учебника В. В. Белага, на этой странице 5 неподписанных рисунков и если их считать сверху вниз, то на 4 рисунке изображён подвижный блок, а на 5 рисунке — его физическая модель. В тексте утверждается, что ось вращения подвижного блока находится в точке О, которая расположенна в не центра колеса рис.5 [1, c.124]. «Подвижный блок — это блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом. Для того чтобы поднять груз, необходимо приложить силу F1, которая стремится повернуть блок вокруг его оси вращения, проходящей через точку О, расположенную не в центре» [1. с.124].

Попробуем повернуть блок силой F1 на рис.5 [1, с.124] вокруг точки О, находящееся на ободе колеса подвижного блока. На рис.5а колесо блока вокруг точки О силой F1 повернули на 90 градусов, так как сила F1 действует перпендикулярно радиусу АВ блока (рис.136 а). Груз F2 поднялся на высоту радиуса блока, дальнейшее вращение колеса блока вокруг точки О силой F1 — невозможно, так как сейчас сила F1 направлена точно вдоль радиуса АВ колеса блока и согласно рис.136в не даёт ему раскручиваться, а на рис.4 мальчик может поднимать груз на высоту превышающую радиус колеса блока. На основании рис.5а делаем вывод:

Для того чтобы поднять груз на подвижном блоке рис.4 [1, с.124] необходимо силу F1 приложить к концу верёвки, которую держит в руках мальчик, нарисовав её (верёвку) на рис.5 [1, с.124].

Литература:

1.      Белага, В. В. Физика. 7 класс: учеб. для общеобразоват. Учреждении с прил. на электрон. носителе / В. В. Белага, И. А. Ломаченков, Ю. А. Панебратцев; Рос. акад. наук, Рос. акад. образования, изда-во «Просвещение», М.; Просвещение, 2013, — 144 с.: ил. ISBN 978–5-09–022267–9.
2.      Генденштейн, Л. Э. Физика 7 класс. В 2 ч. Ч. 1: учебник для общеобразовательных организаций / Л. Э. Генденштейн, А. Б. Кайдалов; под ред. В. А. Орлова, И. И. Ройзена. — 7-е изд., стер. — М,: Мнемозина, 2014. — 255 с.: ил. ISBN 978–5-346–03035–5.
3.      Грачёв, А. В. Физика; 7 класс; учебник для учащихся общеобразовательных организаций / А. В. Грачёв, В. А. Погожев, А. В. Селивёрстов, — 3-е изд., перераб. — М,; Вентана- Граф, 2014, — 288 с,: ил. ISBN 978–5-360–04901–2.
4.      Пёрышкин, А. В. Физика. 7 кл.: учебник / А. В. Пёрышкин. — 3 –е изд., доп. — М,: Дрофа, 2014. — 224 с.: ил. ISBN 978–5-358–14436–1.