Этот урок пройдём вместе с семьёй, проводящей день на даче: качели-доска во дворе, мешок цемента, поднимаемый блоком для ремонта крыши, и сундук, который вечером втаскивают по доске в грузовик. Условия равновесия и работу простых механизмов сначала увидим в анимации, затем рассчитаем и применим в заданиях ГЭЦ.
≈ 45 минутГлав: 5Заданий ГЭЦ: 4материал 7 класса (на уровне ГЭЦ)В воскресенье семья на даче. Во дворе — длинная доска-качели, опирающаяся серединой на подставку. Дочь (20 кг) садится на один конец доски — в 2 м от опоры.
Как только отец (80 кг) садится с другой стороны, доска наклоняется к нему, и дочь повисает в воздухе. Отец начинает придвигаться к опоре. Вопрос: на каком расстоянии от опоры должен сесть отец, чтобы доска осталась в горизонтальном равновесии?
Массой доски пренебрегаем; опора — посередине.Сначала предположиКак ты думаешь, на каком расстоянии (в метрах) от опоры должен сесть отец? Ответ рассчитаем во 2-й главе.
Качели — простейший механизм, рычаг. В этом уроке мы изучим условия равновесия тел, момент силы, центр тяжести и простые механизмы — рычаг, блоки, наклонную плоскость — на делах одного дня на даче.
Глава 1Статика — раздел механики, изучающий условия равновесия тел под действием сил. Если тело в равновесии, оно не движется поступательно и не вращается. Поэтому у равновесия два условия.
Плечо и момент силыКратчайшее (перпендикулярное) расстояние от оси вращения до линии действия силы называют плечом силыd. Произведение модуля силы на её плечо — момент силы: M = F·d. Единица — 1 Н·м.
Анимация · закручиваем гайку ключомСила остаётся той же (50 Н), меняется её направление. Когда давим перпендикулярно ключу, плечо наибольшее (0,3 м) и момент 15 Н·м; когда сила направлена вдоль ключа, плечо стремится к нулю — гайка не поворачивается.Условия равновесия1) Равнодействующая сил, действующих на тело, равна нулю: F→₁ + F→₂ + … = 0. 2) Относительно любой оси сумма моментов сил, вращающих тело по часовой стрелке, равна сумме моментов сил, вращающих против часовой (алгебраическая сумма моментов равна нулю).
Пример 1Ручка двери в 0,8 м от петель. Толкаем дверь за ручку перпендикулярно с силой 10 Н. Каков момент? Какая сила нужна, чтобы получить тот же момент, толкая в 0,2 м от петель?
Плечо короче в 4 раза — силу нужно увеличить в 4 раза. Поэтому ручку ставят подальше от петель.
Точка A невесомого рычага относительно точки опоры O:
Рисунок меняется вместе с шагами.A) вращается по часовой стрелкеB) движется от нас в плоскость рисункаC) вращается против часовой стрелкиD) остаётся в равновесииE) движется из плоскости рисунка к намСилы перпендикулярны рычагу, поэтому плечо — расстояние от O до точки приложения.
Силы различаются в 3 раза, но и плечи — в 3 раза в обратную сторону.
Это же задание было и на экзамене 07.06.2026, IV группа специальностей (A71).
Официальное пояснение ГЭЦ (07.06.2026)По правилу моментов F₁d₁ = 9·2 = 18 Нм иF₂d₂ = 3·6 = 18 Нм, то есть F₁d₁=F₂d₂. Отсюда следует, что рычаг и его конец — точка A — относительно точки O останутся в равновесии.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, I группа специальностей (PDF)Проверь себя
К концу ключа длиной 0,25 м перпендикулярно ключу приложена сила 40 Н. Найдите момент силы (Н·м).
M = F·d.
Глава 2Рычаг — твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры (оси). Условие равновесия рычага под действием двух сил — правило моментов: F₁d₁ = F₂d₂, то есть F₁/F₂ = d₂/d₁. Во сколько раз плечи различаются, во столько раз рычаг даёт выигрыш в силе.
F₁d₁ = F₂d₂
Пример 2Задача из истории: дочь (20 кг) сидит в 2 м от опоры. На каком расстоянии от опоры должен сесть отец (80 кг), чтобы качели были в равновесии? g = 10 м/с².
Вес дочери поворачивает доску в одну сторону, вес отца — в другую.
Когда отец сел в 0,5 м от опоры, качели пришли в равновесие: он в 4 раза тяжелее дочери, поэтому его плечо должно быть в 4 раза короче. Теперь, чуть сдвигаясь вперёд или назад, они могут наклонять качели в любую сторону.
Рычаг даёт выигрыш в силе, но у этого есть «цена»: поднимая ломом тяжёлый камень, рука проходит путь во много раз больший, чем камень.
Анимация · поднимаем камень ломомПлечи 0,5 м и 2 м — выигрыш в силе в 4 раза: 150 Н уравновешивают камень весом 600 Н. Зато рука проходит путь в 4 раза больший: выигрыш в силе оплачивается проигрышем в пути.Теперь проверь сам: меняй массу правого груза и место подвеса и смотри, когда рычаг остаётся в равновесии.
Лаборатория · меняй груз и плечоАнимация · равновесие рычагамасса правого груза4 кгместо подвеса (деление)3Для равновесия произведение массы груза на номер деления должно быть 12: 4 кг · 3, 6 кг · 2, 12 кг · 1, 2 кг · 6, 3 кг · 4. Каждые 5 секунд рычаг отпускают заново.Проверь себяЛомом поднимают камень весом 1200 Н. Опора в 0,3 м от камня и в 1,8 м от руки. Какая наименьшая сила (Н) нужна?
F₁ = F₂d₂/d₁ = 1200·0,3/1,8.
Глава 3До сих пор мы не учитывали массу рычага и доски. На каждую часть реального стержня действует сила тяжести, но все эти силы можно заменить одной равнодействующей.
Центр тяжестиТочку приложения равнодействующей сил тяжести, действующих на части тела, называют центром тяжести. Центр тяжести однородного симметричного тела — в его геометрическом центре: у однородного стержня — посередине, сила тяжести mg приложена там.
Виды равновесияРавновесие устойчивое, если после малого отклонения тело возвращается в положение равновесия (центр тяжести в самом низком положении); неустойчивое, если удаляется от него ещё дальше (центр тяжести в самом высоком положении); безразличное, если и в новом положении тело остаётся в равновесии (высота центра тяжести не меняется).
Анимация · три шара — три равновесияШар на вогнутой поверхности колеблется и возвращается на дно, шар на вершине всё быстрее скатывается и падает, шар на ровной поверхности тормозится трением и останавливается на новом месте.Пример 3Однородная доска длиной 4 м и массой 20 кг лежит концами на двух опорах. Мастер массой 60 кг стоит в 1 м от левого конца. Найдите силы реакции опор (g = 10 Н/кг).
Центр тяжести однородной доски — посередине.
Если ось провести через точку приложения неизвестной силы, её момент равен нулю — в уравнении остаётся одно неизвестное.
Однородный стержень массой 3 кг находится в равновесии в горизонтальном положении. По данным рисунка вычислите модуль силы реакции опоры →N (деления равны, g = 10 Н/кг).
Рисунок меняется вместе с шагами.A) 9 НB) 12 НC) 10 НD) 8 НE) 6 НСтержень однородный, поэтому сила тяжести приложена посередине.
Это самая удобная ось: она «убирает» неизвестное натяжение из уравнения.
Это же задание было и на экзамене 12.07.2026, IV группа специальностей (A78).
Официальное пояснение ГЭЦ (12.07.2026)Определяются силы, стремящиеся повернуть стержень относительно оси, проходящей через точку A перпендикулярно плоскости рисунка. Применяя к этим силам правило моментов (относительно нити →N и m→g вращают стержень по часовой стрелке, а сила тяжести стержня — против часовой стрелки), получаем 5N + m g=2m_сg. Отсюда 5 · N =60 (Н) – 20 (Н) и N = 8 (Н).Примечание: задачу можно решить и, определив силы, стремящиеся повернуть стержень относительно опоры, применив правило моментов.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, I группа специальностей (PDF)Проверь себя
Однородная балка массой 10 кг и длиной 2 м лежит на земле. Какая наименьшая сила (Н) нужна, чтобы приподнять её за один конец, действуя вертикально вверх?
Ось — в конце, лежащем на земле: F·2 = 100·1.
Глава 4После обеда отец чинит крышу дачи. Мешок цемента массой 40 кг нужно поднять на крышу. Он привязывает верёвку к балке у края крыши, пропускает её под подвижным блоком, прикреплённым к мешку, затем перекидывает через неподвижный блок на балке и опускает вниз.
Вопрос: с какой силой отец должен тянуть верёвку и сколько метров верёвки нужно вытянуть, чтобы поднять мешок на 3 м?
Массы блоков и трение не учитываются. Красные метки показывают движение верёвки.Неподвижный и подвижный блокБлок — колесо с жёлобом для верёвки, которое может вращаться вокруг оси. У неподвижного блока ось закреплена: он не даёт выигрыша в силе (F = P), а лишь меняет направление силы. Подвижный блок поднимается и опускается вместе с грузом: груз держат два участка верёвки, поэтому он даёт выигрыш в силе в 2 раза: F = P/2.
Анимация · неподвижный и подвижный блокВ обоих случаях груз поднимается на 1 м. С неподвижным блоком верёвку вытягивают на 1 м силой 400 Н, с подвижным — на 2 м силой 200 Н. Работа одинакова — 400 Дж.Пример 4Задача из истории: масса мешка 40 кг. С какой силой должен тянуть отец? Сколько метров верёвки нужно вытянуть, чтобы поднять мешок на 3 м?
Натяжение одной верёвки всюду одинаково (блок лёгкий, трения нет).
Выигрыш в силе в 2 раза — проигрыш в пути в 2 раза.
Отец тянул силой всего 200 Н вместо 400 Н, но, чтобы поднять мешок на 3 м, ему пришлось вытянуть 6 м верёвки. Работа не изменилась: 200·6 = 400·3 = 1200 Дж.
Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 13.07.2025Если система находится в равновесии, вычислите массу тела x (массы блоков и трение не учитываются).
Рисунок меняется вместе с шагами.A) 20 кгB) 6 кгC) 4 кгD) 2 кгE) 1 кгБлоки лёгкие, трения нет.
Это же задание было и на экзамене 13.07.2025, IV группа специальностей (A69).
Официальное пояснение ГЭЦ (13.07.2025)Система состоит из 1 подвижного и 1 неподвижного блока.В этом случае сумма масс тел справа равна половине суммы масс тел слева,поэтому 6кг + mₓ = (12кг + 2кг)/2 . Отсюдаmₓ = 1кгИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, I группа специальностей (PDF)Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025
К системе из невесомого рычага и блока подвешен груз массой m₁. Определите место и массу второго тела, подвешенного к рычагу, чтобы рычаг оставался в равновесии в горизонтальном положении (масса блока не учитывается, деления равны, g = 10 м/с²).
Рисунок меняется вместе с шагами.Подвижный блок удваивает силу.
Рычаг невесом; вверх его тянет только нить, вниз — два груза.
Вправо от O: K — 1, L — 2, M — 3, N — 4, S — 5 делений.
Невесомый рычаг подвешен к подвижному блоку.Поэтому сила натяжения нити, на которой подвешен рычаг,T=600 Н. Тогда веса подвешенных к рычагу грузовдолжны составлять 600 Н. m₁g + m₂g = 600 Н … Отсюдаполучаем m₂ = 10кг. Для равновесия рычага в горизонтальномположении по правилу моментовможно записать m₁g · 1 = m₂g · x. Отсюда x = 5. То естьвторое тело нужно подвесить в 5 делениях вправо от точки O — в точкеS.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, I группа специальностей (PDF)Проверь себя
С помощью подвижного блока равномерно поднимают груз массой 30 кг. Какая сила (Н) приложена к верёвке? (блок лёгкий)
F = mg/2.
Глава 5Вечером семья возвращается в город. Старый сундук массой 60 кг нужно погрузить в грузовик, кузов на высоте 1 м от земли. Отец приставляет к кузову гладкую доску длиной 3 м и, обвязав сундук верёвкой, втаскивает его вверх по доске.
Вопрос: какая сила нужна, чтобы равномерно втаскивать сундук, если пренебречь трением? Что мы при этом выигрываем и что теряем?
Сундук движется с постоянной скоростью: равнодействующая сил, действующих на него, равна нулю.Наклонная плоскостьЧтобы равномерно поднимать груз весом P = mg по гладкой наклонной плоскости длиной l и высотой h, вдоль плоскости нужно прикладывать силу F = P·h/l. Наклонная плоскость даёт выигрыш в силе в l/h раз.
F·l = P·h
«Золотое правило» механикиНи один простой механизм не даёт выигрыша в работе: во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в пути. При трении полезная работа меньше затраченной; их отношение — коэффициент полезного действия (КПД): η = Aп/Aз · 100%.
Анимация · по вертикали и по наклоннойОбоими способами сундук поднимается на высоту 1 м. При вертикальном подъёме сила 600 Н действует на пути 1 м, по наклонной плоскости — сила 200 Н на пути 3 м. Работа в обоих случаях 600 Дж.Пример 5Задача из истории: сундук 60 кг, длина доски 3 м, высота кузова 1 м. Какая сила нужна без трения? Сравните работу с прямым подъёмом.
Вдоль плоскости сундук тянет вниз составляющая силы тяжести mg·sin α = mg·h/l; при равномерном движении её уравновешивает F.
Отец тянул сундук силой 200 Н вместо 600 Н, но тащить его пришлось не 1 м, а 3 м. На самом деле между доской и сундуком есть трение, и отец прикладывает, например, 250 Н: тогда КПД = 600/(250·3) = 80%.
Проверь себяКакая сила (Н) нужна, чтобы равномерно поднимать груз массой 50 кг по гладкой наклонной плоскости длиной 5 м и высотой 1 м?
F = mg·h/l.
ИтогиПлечо — перпендикуляр от оси к линии действия силы. При наклонной силе плечо меньше: d = l·sin α.
Неподвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 разаНеподвижный блок лишь меняет направление силы; выигрыш в 2 раза даёт подвижный блок.
Простой механизм даёт выигрыш в работеВыигрыш в силе всегда оплачивается таким же проигрышем в пути; с трением работа даже больше.
Весом однородного стержня можно пренебречьТолько если в условии сказано «невесомый». Иначе mg приложена посередине стержня и входит в правило моментов.
ИтогиЗадания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.
1 · Уровень 1Единица момента силы в СИ:
M = F·d: ньютон, умноженный на метр.
2 · Уровень 1Неподвижный блок:
Ось закреплена, сила на обоих концах верёвки одинакова.
3 · Уровень 2На короткое плечо рычага (0,5 м) действует сила 200 Н. Каким должно быть длинное плечо, чтобы его уравновесила сила 40 Н?
200·0,5 = 40·d, d = 2,5.
4 · Уровень 2Сила для равномерного подъёма груза 40 кг по гладкой наклонной плоскости длиной 5 м и высотой 1 м:
F = mg·h/l = 400·1/5 = 80.
5 · Уровень ГЭЦОднородная балка весом 100 Н и длиной 2 м одним концом опирается на опору, а другим удерживается вертикальной нитью и горизонтальна. Сила натяжения нити:
Относительно опоры: T·2 = 100·1, T = 50 Н.
6 · Уровень ГЭЦГруз 60 кг подняли на высоту 1 м по наклонной плоскости длиной 3 м силой 250 Н. КПД:
Aп = 600 Дж, Aз = 250·3 = 750 Дж, η = 600/750 = 80%.
Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):
История, сцены, примеры, задания «Проверь себя» и «Самостоятельная работа» — наши, не из материалов ГЭЦ. Задания и пояснения ГЭЦ даны в переводе с азербайджанского; знак «…» обозначает пропущенную часть.