Устройство для увеличения рабочего усилия машины: Устройство для увеличения рабочего усилия машины или механизма в момент особо высоких нагрузок, 6 (шесть) букв

Содержание

Семь способов вытащить машину из грязи — Российская газета

Трудно найти водителя, который хотя бы раз в жизни не “засадил” машину на бездорожье. Но как грамотно выбраться из грязевой ловушки, не прибегая к помощи друзей, других водителей или трактора? Ливни, обрушившиеся на среднюю полосу России, делают рекомендации, которые мы дадим ниже, вдвойне актуальными.

Раскачка

Если машина буксует в небольшой, накатанной ею же яме, стоит попробовать раскатать это углубление, двигаясь вперед и назад. Конечные точки движения следует укреплять ветками и камнями.

Домкрат

При невозможности выбраться из грязевого плена враскачку, можно воспользоваться домкратом. Приподняв кузов со стороны ведущих колес, попросту забросайте ямы под ведущими колесами камнями, досками и прочими твердыми предметами, которые окажутся под рукой. Помните, что домкрат следует устанавливать на твердую поверхность, для чего следует воспользоваться досками или кирпичами.

Лопата

С помощью лопаты, без которой, как известно, на бездорожье не выезжает ни один серьезный джипер, можно расчистить перед ведущими колесами дорогу или, как вариант, сформировать новую. Было бы время и желание копать.

Усиливаем сцепление

Если вы посадили автомобиль на брюхо в грязевой колее или закопались в песке, следует увеличить сцепление ведущих колес с поверхностью дороги. Для этого подойдут камни, ветки, картонки и любой мусор, который можно обнаружить поблизости.

Если таковой в дефиците, воспользуйтесь автомобильными ковриками. Бросаем их под ведущие колеса и, плавно добавляя газ, выезжаем из грязевой ловушки. Если вы часто практикуете выезды на проселок, то имеет смысл держать в багажнике также так называемые траки – пластиковые дорожки, внешне напоминающие гусеницы – очень и очень эффективная основа для освобождения вашей машины из грязи.

Приспускаем шины

Снижение давления в шинах примерно до 1 бар – очень действенный способ справиться со сложными участками бездорожья. Помните, что следует приспускать все четыре шины вне зависимости от схемы привода вашего автомобиля.

После проведения этой процедуры пятно контакта резины существенно увеличится, а количество грунтозацепов, которые взаимодействуют с покрытием, возрастет. Ведомые колеса в свою очередь будут меньше проваливаться, что снизит сопротивление движению. Понятно, что для использования такого метода следует возить с собой в машине насос.

Грунтозацепы

Опытные водители, практикующие выезды на проселок, не зря возят с собой специальные цепи противоскольжения, которые устанавливаются на колеса для увеличения сцепления с дорогой. Однако за отсутствием цепей можно найти им замену.

Как вариант – поперек шины можно привязать отрезки троса или толстые веревки (лучше всего – альпинистские), пропустив их между спицами колесного диска. Еще один полезный девайс для такого сценария – специальные пластиковые стяжки – особые прочные хомуты с грунтозацепами, которые также следует держать наготове при выезде на проселок.

Стропа и дерево

Если в непосредственной близости растет большое дерево, вам повезло. На помощь придет опять-таки буксировочный трос, крепкая веревка или стропа. Один конец веревки крепим к дереву, другой наматываем на ведущее колесо (рабочий вариант, если ваша машина переднее- или полноприводная) и плавно давим на газ. Стропа начнет наматываться на колесо, и машина стронется с места.

Есть и альтернативный вариант – оборачиваем буксировочный трос вокруг ствола (как вариант, вокруг вбитого в землю толстого бревна или лома), а оба конца троса крепим к буксировочной петле автомобиля.

Затем берем древко лопаты или монтировку, вставляем ее между лентами троса и начинаем скручивать их этим рычагом. Длина троса будет сокращаться, этого усилия должно хватить, чтобы автомобиль, оставленный на нейтрали, сдвинулся с места. Помните, однако, о мерах безопасности! Резко отпускать ваш рычаг с намотанным на него стропами очень опасно.

Выбор электродвигателя и расчет его рабочих параметров

Правильность подбора электродвигателя, учитывающая специфику приводного механизма, условия работы и окружающей среды, определяет длительность безаварийной работы и надежность системы «двигатель – нагрузка».

Далее приведены рекомендации по выбору электродвигателя (последовательность, в которой они представлены, не является обязательной).

На первом этапе необходимо определиться с типом электрического двигателя. Ниже даны краткое описание, преимущества и недостатки, сферы предпочтительного применения основных типов двигателей.

Типы электрических двигателей
  1. Двигатели постоянного тока

Основным преимуществом данных двигателей, которое определяло повсеместное их использование на этапе развития электрических приводов, является легкость плавного регулирования скорости в широких пределах. Поэтому с развитием полупроводниковой промышленности и появлением относительно недорогих преобразователей частоты процент их использования постоянно уменьшается. Там, где это возможно двигатели постоянного тока заменяются приводами на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Основные недостатки двигателя постоянного тока (невысокая надежность, сложность обслуживания и эксплуатации) обусловлены наличием коллекторного узла. Кроме того, для питания двигателя необходим источник постоянного тока или тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное. При всех своих недостатках двигатели постоянного тока обладают высоким пусковым моментом и большой перегрузочной способностью. Что определило их использование в металлургической промышленности, станкостроении и на электротранспорте.

  1. Синхронные двигатели

Основным преимуществом данных двигателей является то, что они могут работать с коэффициентом мощности cosφ=1, а в режиме перевозбуждения даже отдавать реактивную мощность в сеть, что благоприятно сказывается на характеристиках сети: увеличивается ее коэффициент мощности, уменьшаются потери и падение напряжения. Кроме того, синхронные двигатели устойчивы к колебаниям сети. Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален напряжению, при этом момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность их работы при аварийных понижениях напряжения. Больший воздушный зазор по сравнению с асинхронным двигателем и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше. Их особенностью также является постоянство скорости вращения при изменении момента нагрузки на валу.

При всех достоинствах синхронного двигателя основными недостатками, ограничивающими их применение являются сложность конструкции, наличие возбудителя, высокая цена, сложность пуска. Поэтому синхронные двигатели преимущественно используются при мощностях свыше 100 кВт.

Основное применение – насосы, компрессоры, вентиляторы, двигатель-генераторные установки.

  1. Асинхронные двигатели

По конструктивному принципу асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. При этом большинство используемых электродвигателей являются асинхронными с короткозамкнутым ротором. Столь широкое применение обусловлено простотой их конструкции, обслуживания и эксплуатации, высокой надежностью, относительно низкой стоимостью. Недостатками таких двигателей являются большой пусковой ток, относительно малый пусковой момент, чувствительность к изменениям параметров сети, а для плавного регулирования скорости необходим преобразователь частоты. Кроме того, асинхронные двигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Использование асинхронных двигателей с фазным ротором помогает снизить пусковой ток и существенно увеличить пусковой момент, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов. Однако, ввиду усложнения их конструкции, и как следствие, увеличения стоимости их применение ограничено. Основное применение – приводы механизмов с особо тяжелыми условиями пуска. Для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть использовано устройство плавного пуска или преобразователь частоты.

В системах, где необходимо ступенчатое изменение скорости (например, лифты) используют многоскоростные асинхронные двигатели. В механизмах, требующих остановки за определенное время и фиксации вала при исчезновении напряжения питания, применяются асинхронные двигатели с электромагнитным тормозом (металлообрабатывающие станки, лебедки). Существуют также асинхронные двигатели с повышенным скольжением, которые предназначены для работы в повторно-кратковременных режимах, а также режимах с пульсирующей нагрузкой.

После того, как определен тип электродвигателя, полностью учитывающий специфику рабочего механизма и условия работы, необходимо определиться с рабочими параметрами двигателя: мощностью, номинальным и пусковым моментами, номинальными напряжением и током, режимом работы, коэффициентом мощности, классом энергоэффективности.

Мощность и моменты

В общем случае для квалифицированного подбора электродвигателя должна быть известна нагрузочная диаграмма механизма. Однако, в случае постоянной или слабо меняющейся нагрузки без регулирования скорости достаточно рассчитать требуемую мощность по теоретическим или эмпирическим формулам, зная рабочие параметры нагрузки. Ниже приведены формулы для расчета мощности двигателя P2 [кВт] некоторых механизмов.

  1. Вентилятор

где Q3/с] – производительность вентилятора,

Н [Па] – давление на выходе вентилятора,

ηвент, ηпер – КПД вентилятора и передаточного механизма соответственно,

kз – коэффициент запаса.

  1. Насос

где Q3/с] – производительность насоса,

g=9,8 м/с2 – ускорение свободного падения,

H [м] – расчетная высота подъема,

ρ [кг/м3] – плотность перекачиваемой жидкости,

ηнас, ηпер – КПД насоса и передаточного механизма соответственно,

kз – коэффициент запаса.

  1. Поршневой компрессор

где Q3/с] – производительность компрессора,

А [Дж/м3] – работа изотермического и адиабатического сжатия атмосферного воздуха объемом 1 м3 давлением 1,1·105 Па до требуемого давления,

ηкомпр, ηпер – КПД компрессора и передаточного механизма соответственно,

kз – коэффициент запаса.

Кроме того, необходимо сопоставить пусковой момент двигателя (особенно в случае асинхронного с короткозамкнутым ротором) и рабочего механизма, так как некоторые механизмы имеют повышенное сопротивление в момент трогания. Следует иметь в виду и то обстоятельство, что при замене трехфазного асинхронного двигателя на однофазный пусковой момент последнего почти в три раза меньше и механизм, успешно функционировавший ранее, может не тронуться с места.

Развиваемый электродвигателем момент M [Нм] и полезная мощность на валу Р2 [кВт] связаны следующим соотношением

Полная мощность, потребляемая из сети:

для двигателей постоянного тока (она же активная)

для двигателей переменного тока


 

 

при этом потребляемые активная и реактивная мощности соответственно

В случае синхронного двигателя значение Q1 может получиться отрицательным, это означает, что двигатель отдает реактивную мощность в сеть.

Важно отметить следующее. Не следует выбирать двигатель с большим запасом по мощности, так как это приведет к снижению его КПД, а в случае двигателя переменного тока также к снижению коэффициента мощности.

Напряжение и ток

При выборе напряжения электродвигателя необходимо учитывать возможности системы энергоснабжения предприятия. При этом нецелесообразно при больших мощностях выбирать двигатель с низким напряжением, так как это приведет к неоправданному удорожанию не только двигателя, но и питающих проводов и коммутационной аппаратуры вследствие увеличения расхода меди.

Если при трогании момент сопротивления нагрузки невелик и для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть применен способ пуска с переключением со «звезды» на «треугольник», необходимо предусмотреть вывод в клеммную коробку всех шести зажимов обмотки статора. В общем случае применение схемы соединения «звезда» является предпочтительным, так как в схеме «треугольник» имеется контур для протекания токов нулевой последовательности, которые приводят к нагреву обмотки и снижению КПД двигателя, в соединении «звезда» такой контур отсутствует.

Режим работы

Нагрузка электродвигателя в процессе работы может изменяться различным образом. ГОСТом предусмотрены восемь режимов работы.

  1. Продолжительный S1 – режим работы при постоянной нагрузке в течение времени, за которое температура двигателя достигает установившегося значения. Мощность двигателя, работающего в данном режиме, рассчитывается исходя из потребляемой механизмом мощности. Формулы расчета мощности некоторых механизмов (насос, вентилятор, компрессор) приведены выше.
  2. Кратковременный S2 – режим, при котором за время включения на постоянную нагрузку температура двигателя не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. В случае использования двигателя S1 для работы в режиме S2 необходимо проверить его только по перегрузочной способности, так как температура не успевает достичь допустимого значения.
  3. Повторно-кратковременный S3 – режим с периодическим отключением двигателя, при котором за время включения температура не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения – температуры окружающей среды. Расчет мощности электродвигателя обычного исполнения для работы в режиме S3 производится по методам эквивалентных величин с учетом пауз и потерь в переходных режимах. Кроме того, двигатель необходимо проверить на допустимое число включений в час. В случае большого числа включений в час рекомендуется использовать двигатели с повышенным скольжением. Данные электродвигатели обладают повышенным сопротивлением обмотки ротора, а, следовательно, меньшими пусковыми и тормозными потерями.
  4. Повторно-кратковременный с частыми пусками S4 и повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением S5. Данные режимы рассматриваются аналогично режиму S3.
  5. Перемежающийся S6 – режим, при котором работа двигателя под нагрузкой, периодически заменяется работой на холостом ходу. Большинство двигателей, работающих в продолжительном режиме, имеют меняющийся график нагрузки.

При этом для обоснованного выбора двигателя с целью оптимального его использования рекомендуется применять методы эквивалентных величин.

Класс энергоэффективности

В настоящее время вопросам энергоэффективности уделяется огромное внимание. При этом под энергоэффективностью понимается рациональное использование энергетических ресурсов, с помощью которого достигается уменьшение потребления энергии при том же уровне мощности нагрузки. Основным показателем энергоэффективности двигателя является его коэффициент полезного действия

где Р2 – полезная мощность на валу, Р1 – потребляемая активная мощность из сети.

Стандартом IEC 60034-30 для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором были установлены три класса энергоэффективности: IE1, IE2, IE3.

 

Рис. 1. Классы энергоэффективности

Так, например, использование двигателя мощностью 55 кВт повышенного класса энергоэффективности позволяет сэкономить около 8000 кВт в год от одного двигателя.

Степень защиты IP, виды климатических условий и категорий размещения

ГОСТ Р МЭК 60034-5 – 2007 устанавливает классификацию степеней защиты, обеспечиваемых оболочками машин.

Обозначение степени защиты состоит из букв латинского алфавита IP и последующих двух цифр (например, IP55).

Большинство электродвигателей, выпускаемых в настоящее время, имеют степени защиты IP54 и IP55.

Категория размещения обозначается цифрой:

1 – на открытом воздухе;

2 – под навесом при отсутствии прямого солнечного воздействия и атмосферных осадков;

3 – в закрытых помещениях без искусственного регулирования климатических условий;

4 – в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями.

Климатические условия:

У – умеренный климат;

УХЛ – умеренно холодный климат;

ХЛ – холодный климат;

Т – тропический климат.

Таким образом, при выборе электродвигателя необходимо учитывать условия окружающей среды (температура, влажность), а также необходимость защиты двигателя от воздействия инородных предметов и воды.

Например, использование электродвигателя с типом климатического исполнения и категорией размещения У3 на открытом воздухе является недопустимым.

Усилия, действующие на вал двигателя со стороны нагрузки

Наиболее нагруженными в двигателе являются подшипниковые узлы. Поэтому при выборе двигателя должны быть учтены радиальные и осевые усилия, действующие на рабочий конец вала двигателя со стороны нагрузки. Превышения допустимых значений сил приводит к ускоренному выходу из строя не только подшипников, но и всего двигателя (например, задевание ротора о статор).

Обычно допустимые значения сил для каждого подшипника приведены в каталогах. Рекомендуется в случае повышенных радиальных усилий (ременная передача) на рабочий конец вала установить роликовый подшипник, при этом предпочтительным является двигатель с чугунными подшипниковыми щитами.

Особенности конструкции двигателя при работе от преобразователя частоты

В настоящее время все большее распространение приобретает использование частотно-регулируемого привода (ЧРП), выполненного на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

При использовании частотно-регулируемого привода достигается:

1. экономия электроэнергии;

2. плавность пуска и снижение пусковых токов;

3. увеличение срока службы двигателя.

В общем случае стандартный электродвигатель нельзя использовать в составе частотно-регулируемого привода, так как при уменьшении скорости вращения снижается эффективность охлаждения. При регулировании скорости вверх от номинальной резко увеличивается нагрузка от собственного вентилятора. В обоих случаях уменьшается нагрузочная способность двигателя. Кроме того, в случае использования двигателя в системах точного регулирования необходим датчик положения ротора двигателя.

При работе электродвигателя от преобразователя частоты в контуре вал – фундаментная плита могут протекать токи. При этом возникает точечная эрозия на шариках и роликах, на беговых кольцах подшипников качения, а также на баббитовой поверхности подшипников скольжения. От электролиза смазка чернеет, подшипники греются. Для разрыва контура прохождения подшипниковых токов на неприводной конец вала устанавливается изолированный подшипник. При этом по условиям безопасности установка изолированных подшипников с двух сторон двигателя не допустима.

Величина подшипниковых токов становится опасной для безаварийной работы двигателя при напряжении между противоположными концами вала более 0,5 В. Поэтому установка изолированного подшипника обычно требуется для электродвигателей с высотой оси вращения более 280 мм.

 Примечание

Необходимо отметить, что в случае отклонения условий эксплуатации двигателя (например, температуры окружающей среды или высоты над уровнем моря), мощность нагрузки должна быть изменена. Кроме того, при снижении мощности нагрузки в определенные моменты времени для рационального использования двигателя может быть изменена схема соединения обмотки, а, следовательно, и фазное напряжение.

 

Популярные товары

Шины медные плетеные

Шины изолированные гибкие и твердые

Шинодержатели

Изоляторы

Индикаторы наличия напряжения

Устройство и принцип работы гидроцилиндра

• Главная • О нас • Статьи

Цилиндр гидравлический (сокр. гидроцилиндр) – это гидравлический двигатель объемного типа, работа которого основана на возвратно-поступательном движении выходного звена. Структурно гидроцилиндры представляют собой емкость, внутри которой находится поршень со штоком. Движение поршня происходит при увеличении давления рабочей жидкости, за счет увеличения ее количества.

Областью применения гидроцилиндров являются механизмы гидравлических машин, где они выступают в роли исполнительного механизма. Гидроцилиндры обладают различными типами конструкции и принципом действия и классифицируются согласно ГОСТ 17752-81.

Существует разделение гидроцилиндров по направлению действия рабочей жидкости: односторонние и двухсторонние. В первом случае жидкость оказывает давление на рабочий орган гидроцилиндра только с одной стороны. По схеме а,г,д.

В цилиндрах такого типа жидкость двигает поршень в одну сторону, при введении ее в рабочую полость, а обратное движение обеспечивается пружиной (рис.1, а) либо грузом, масса которого обеспечивает движение поршня при вертикальном его расположении (рис. 1 .д). Во втором случае рабочий орган гидроцилиндра перемещается в одном из направлений также жидкостью, однако она закачивается в левую полость для движения вправо и в правую, для движения влево (рис.1 б,в).

Существует также деление гидроцилиндров по конструкции рабочего органа. Наиболее распространенными являются плунжерные или поршневые гидроцилиндры. Поршневые могут выполняться с односторонним (рис.1 а,б) или двухсторонним (рис.1 в) штоком. Плунжерные гидроцилиндры выполняются только с односторонним штоком (рис. 1 г) и работают только по одностороннему воздействию.

Для гидроцилиндров имеет значение и ход выходного звена, поэтому существует разделение на одноступенчатые (рис.1 а-г) и многоступенчатые (телескопические) (рис.1д)гидравлические цилиндры. Многоступенчатые гидроцилиндры получили название телескопических, благодаря последовательному движению цилиндров друг за другом по мере работы. Телескопические гидроцилиндры могут быть как одностороннего, так и двухстороннего хода.

В зависимости от подключения поршневых гидроцилиндров, говорят о последовательном (стандартном) или же кольцевом (дифференциальном) подключении. Если в первом случае соотношение скорости движения и усилия хода в любом направлении обратно пропорциональны (большая скорость требует меньше усилий), то дифференциальное подключение обеспечивает прямую зависимость между усилиями хода и скоростью, что невозможно реализовать при использовании только гидроцилиндров с односторонним штоком без дополнительных элементов.

Гидроцилиндры, которые у нас продаются.

Мотор «Зеленый муравей»: уникальная разработка из России

Российские конструкторы придумали двигатель внутреннего сгорания без… коленчатого вала! В «Сколково» уже построили действующий прототип такого мотора и получили на него патент. Сейчас авторы проекта «Зеленый муравей» заняты поиском инвесторов, готовых воплотить их задумку в жизнь

5 колесо

Отечественная разработка отличается принципиально новым способом преобразования поступательной энергии движения поршней во вращательную.

В теории  такой мотор должен работать на более низких оборотах, развивать больший крутящий момент и оказаться на третье экономичнее привычных ДВС. Ниже приведены расчетные характеристики «революционного» мотора и сравнение его с двигателями серийных машин: 

Чтобы разобраться в сути разработки, воспользуемся теоретическим выкладками физики процесса работы двигателя «Зеленый муравей».

Запатентованная конструкция устройства отбора мощности от двигателя внутреннего сгорания не нарушает законов природы и базовых научных принципов. Проект реализует новую конструкцию ДВС без изменения принципов его работы и, тем более, не затрагивает теоретических основ ДВС. Все условия работы двигателя по предлагаемому принципу – полностью идентичны условиям работы традиционных двигателей. Отличие состоит только в способе передачи усилия рабочего процесса. И это отличие находится в базовых законах физики, а не в теории двигателя.

Существующая теория двигателя определяет процессы, происходящие в инерционных машинах. Все конструкции двигателей – кривошипно-шатунная, Ванкеля, Баландина – являются именно такими. Направление инерционных сил конструкции везде совпадает с направлением рабочего усилия – любые движения преобразуются в одностороннее вращение. Поэтому в теории двигателя совершенно справедливо указано, что практически вся эффективность двигателя сосредоточена в цилиндре и определяется качеством рабочего процесса, а конструкция силового механизма (кривошипно-шатунного, кулачкового, кулисного, аксиального и т. д. и т. п.) не оказывает существенного влияния на КПД двигателя. Однако, данная теория не может быть применена к безынерционным машинам.

Как известно, в основе принципа действия любой машины лежат базовые законы физики, и поэтому разница объясняется с помощью законов о сложении сил. В физике существует большая разница между понятиями «тянуть» или «толкать». Почему электродвигатель развивает высокий крутящий момент, практически с самого начала? Ответ заключается в том, что электромагнитное поле «тянет» за собой ротор. Инерционные силы при этом не образуются. Образуется прямая передача усилия, как в редукторе. Почему двигатель внутреннего сгорания, который имеет значительно большее усилие рабочего процесса, не развивает высокий крутящий момент? Ответ заключается в том, что поршень «толкает» исполнительный механизм (коленчатый вал). Это сразу приводит к появлению инерционных сил, действующих в том же направлении. Именно наличие значительных собственных инерционных сил у исполнительного механизма (коленчатого вала), приводит к поглощению большой части рабочего усилия. Другими словами, усилие рабочего процесса передается на исполнительный механизм, который уже самостоятельно убегает в том же направлении.

Распределение сил в кривошипно-шатунном механизме. В процессе участвуют 2 силы: F – сила рабочего процесса и F ин – сила инерции конструкции. В связи с тем, что данные силы действуют в одном направлении, то по закону о сложении однонаправленных сил, приложенных в разных точках, только F рез может быть передана в полезную работу. Чем быстрее вращается двигатель, тем больше становится сила инерции конструкции при неизменной силе рабочего процесса. Количество тактов растет, но F рез уменьшается – эффективность двигателя остается на прежнем уровне. Увеличение нагрузки на выходном валу не даст никакого результата, кроме увеличения расхода топлива – физика процесса не меняется.

Низкий коэффициент полезного действия двигателя обусловлен только тем, что инерционные силы конструкции действуют в попутном направлении. Это многократно подтверждено на практике. Не зря в теории двигателя записано, что конструкция механизма передачи усилия не имеет значения, потому что все ранее созданные конструкции, действовали по одному принципу – любые усилия преобразовывались в одностороннее вращение. Дополнительным подтверждением также служит тот факт, что положение кривошипа никак не влияет на параметры двигателя.

Еще одним фактическим доказательством, служит опережение зажигания, применяемое в двигателях. Если его нет, то все показатели двигателя резко снижаются. Объяснение простое – передача усилия без опережения зажигания производится на поршень, который уже самостоятельно убегает из-за вращения коленчатого вала. Это приводит к тому, что значительная часть рабочего усилия поглощается собственным движением конструкции. Образуется, практически безопорная схема. Для того, чтобы преобразовать усилие в полезную работу, нужно иметь хорошую опору, т.е. нулевую инерционную точку (без собственного движения), а если такой опоры нет, то и результата тоже нет. Предлагаемый принцип действия устройства отбора мощности от двигателя внутреннего сгорания позволяет устранить инерционные силы. Для этого нужно сразу преобразовать рабочее усилие поршня в двухстороннее вращение – в противоположные стороны. Это приведет к взаимоуничтожению, возникающих инерционных сил. Именно это и происходит в предлагаемой схеме.

Физика процесса основана на простом клине, усилие рабочего хода передается в две стороны одновременно. Поэтому в запатентованной конструкции УОМ одновременно осуществляются 2 одинаковых вращения в противоположные стороны – 2-х стороннее вращение. Распределение сил в запатентованной конструкции УОМ представлено на нижеследующем рисунке. В процессе участвует только одна сила F – сила рабочего процесса (инерционная сила вращения практически = 0). Эта сила делится на 2 одинаковых составляющих, приводящих механизм в 2 противоположных вращения. Здесь результирующая сила F рез на выходном валу (в соответствии с законом о сложении сил) будет составлена из 2-х противоположных составляющих. Это означает, что выходной вал будет иметь одностороннее вращение, но его привод будет осуществлен зубчатыми передачами с разных направлений.

Даже без проведения расчетов, из простой геометрии разложения сил, совершенно очевидно, что F рез в предлагаемой конструкции в несколько раз больше, чем F рез в инерционном механизме. Увеличение оборотов в данной конструкции, т. е количества тактов, приведет к росту показателей двигателя (линия на графике станет диагональю, вместо прямой). Устранение инерционных сил позволит получить характеристики двигателя внутреннего сгорания, более близкие к электродвигателям, т.е. образовать прямую передачу усилия. Для еще более облегченного понимания можно привести простую аналогию с ударом по бильярдному шару. Если Вы ударяете своим шаром по стоящему шару – это работа безынерционного механизма. Если вы ударяете своим шаром по шару, движущемуся с высокой скоростью в попутном направлении Вашего удара – это работа инерционного механизма. Совершенно очевидно, что стоящий шар получит гораздо более сильный удар (отбор мощности) от Вашего шара, чем шар, который удаляется от Вас.

Принцип работы механизма также можно упрощенно представить в виде раскрутки детской юлы – винтовой шток с деревянной ручкой, нажимаешь на шток, и юла раскручивается. В начальный момент – производится резкое нажатие с «большим» усилием, а затем, по мере опускания штока, усилие требуется все меньше и меньше. Однако, юла вертится все быстрее и быстрее. Если все время «работать ручкой», то юла сохранит равномерное движение с постоянным моментом. Предложенная система интегрирует уже известные технологии, новации проекта касаются только усовершенствования имеющейся конструкции ДВС.

 

Редакция рекомендует:






Хочу получать самые интересные статьи

Простые машины

Эта фокусная идея исследуется через:

Противопоставление взглядов студентов и ученых

Повседневный опыт студентов

Современный мир богат примерами сложных машин, работу которых редко понимают. Студенты (и многие взрослые) обычно используют слово «машина» для описания сложных механических устройств, приводимых в действие двигателем или электродвигателем и предназначенных для выполнения полезных задач по экономии труда.

Студенты часто считают, что все машины производят гораздо больше работы, чем затрачивают их люди-операторы.Эта точка зрения согласуется с их опытом работы с большинством механических устройств с электроприводом, например. бензопилы, электроинструменты и гидравлические экскаваторы.

Повседневный опыт учащихся редко признает такие устройства, как рычаги, наклонные плоскости, клинья и шкивы, типами «простых механизмов». Хотя большинство студентов имеют общий опыт использования простых механизмов, таких как рычаги и шкивы, лишь немногие понимают, почему их конструкция может дать преимущество или как их лучше всего использовать.Многие учащиеся также испытывают трудности с идентификацией или объяснением этих переживаний другим и редко идентифицируют части человеческого тела, такие как руки или ноги, как состоящие из рычагов.

Исследования: Hapkiewicz (1992), Bryan, Laroder, Tippins, Emaz & Fox (2008), Meyer (1995), Norbury (2006). Греческое слово «мачос» означает «целесообразное» или что-то, что «облегчает работу». У римлян есть похожее понимание слова «machina», что означает «трюк» или «устройство».

Основная цель, для которой разработано большинство простых машин, состоит в том, чтобы уменьшить усилие (силу), необходимое для выполнения простой задачи. Чтобы достичь этого, приложенная сила должна действовать на более длинном расстоянии или в течение более длительного периода времени, в результате чего тот же объем работы выполняется меньшей силой. Винты, рычаги и наклонные плоскости предназначены для увеличения расстояния, на котором действует уменьшенная сила, чтобы мы могли толкать или тянуть с меньшими усилиями. Эффект этой конструкции часто называют «механическим преимуществом».

Термин «простая машина» обычно используется учеными для обозначения одного из шести различных типов устройств, которые часто объединяются в более сложные машины.

Научные виды простых машин
Рычаг (лом или молоток)

Состоит из жесткой балки, которая вращается вокруг фиксированной точки поворота (точки опоры), расположенной вдоль балки. Движение одного конца луча приводит к движению другого конца в противоположном направлении.Расположение точки опоры может увеличить (или уменьшить) силу, приложенную к одному концу, за счет (или преимущества) расстояния, на которое проходит другой конец.

Клин (дровокол или нож)

Используется для преобразования силы, приложенной в направлении движения клина, в раскалывающее действие, действующее под прямым углом к ​​лезвию. Он часто используется для раскалывания, разрезания или поднятия тяжелых предметов в зависимости от угла сторон клина.

Колесо и ось (рулевое колесо или отвертка)

Сочетает колесо с центральной фиксированной осью, что обеспечивает их совместное вращение. Небольшая сила, приложенная к краю колеса, при вращении преобразуется в более мощную силу на меньшей оси. Этот эффект можно обратить вспять, приложив большую силу к меньшей оси, что приведет к меньшей силе на краю большего колеса с гораздо большей скоростью вращения.

Винт (автомобильный домкрат ножничного типа или стеклоподъемник)

Вращение резьбового вала может быть преобразовано в движение в любом направлении вдоль оси вращения в зависимости от направления его спиральной резьбы. Винт действует как «наклонная плоскость», намотанная на вал. Они обычно используются с шестернями или в качестве крепежного механизма.

Наклонная плоскость (пандус или лестница)

Обычно используется для подъема или опускания тяжелых предметов.Большое перемещение объекта по рампе преобразуется углом подъема рампы в меньшее вертикальное перемещение. Учитывая, что трение на пандусе мало, для вертикального подъема тяжелого объекта требуется меньшая сила, хотя для достижения этого преимущества его необходимо переместить на большее расстояние по пандусу.

Блок (блок или шнур для штор)

Использование одного фиксированного блока и прикрепленного шнура позволяет изменять направление силы, приложенной к объекту.Хотя один верхний шкив не дает механических преимуществ, он может быть полезен, например, для лучшего достижения подъемной силы за счет перенаправления силы вниз к земле для подъема объекта. Шкивы можно использовать в сложных комбинациях, чтобы обеспечить большие механические преимущества, например, с конструкцией «блок и захват».

Критические идеи обучения

  • Мы обычно используем слово «машина» для обозначения сложного механического устройства, приводимого в действие двигателем, что сильно отличается от нашего научного использования термина «простая машина».
  • Простые машины полезны, потому что они сокращают усилия или расширяют возможности людей выполнять задачи, выходящие за рамки их обычных возможностей.
  • Простые машины, которые широко используются, включают колесо и ось, шкив, наклонную плоскость, винт, клин и рычаг.
  • В то время как простые машины могут увеличивать или уменьшать силы, которые могут быть приложены к ним, они не меняют общий объем работы, необходимой для выполнения общей задачи.

При рассмотрении этих критических идей обучения важно помочь учащимся определить распространенные примеры «простых машин» в их мире.Учащиеся не сразу находят примеры простых машин, которые они обычно используют, потому что многие из них настолько широко используются, что их легко и часто упускают из виду.

Например, в случае обычной дверной ручки расположение ручки по отношению к дверным петлям действует как рычаг, облегчающий ее открывание, а большая круглая ручка (или удлиненный рычаг) обеспечивает механическое преимущество для помочь с вращением ручки.

Исследуйте отношения между идеями в Карты развития концепции – законы движения и преобразования энергии 

Преподавательская деятельность

Студенты часто неосознанно имеют много общего с «простыми машинами». При преподавании этой темы постарайтесь помочь учащимся определить повседневные примеры использования ими «простых машин» и дать им представление о преимуществах того, почему конкретная «простая машина» могла быть использована для этой задачи, и преимуществах, которые она может дать. пользователю. Сначала старайтесь не вводить примеры предметов повседневного обихода, в которых используются сложные конструкции, включающие комбинации более чем одного типа «простых машин», чтобы учащиеся могли четко видеть цель конструкции. Более поздние учащиеся могут анализировать более сложные примеры с целью определения комбинации элементов, которые они используют в своем дизайне.

Открытое обсуждение на основе общего опыта

Принесите некоторые инструменты, которые явно предназначены для увеличения силы, которую можно приложить к ним (открывалка для бутылок, лом, плоскогубцы, автомобильный домкрат) и инициируйте обсуждение того, что каждый из них позволяет нам сделать проще. Направляйте это обсуждение так, чтобы учащиеся узнали, как каждый из них может увеличить приложенную к нему силу. Предложите учащимся приводить больше примеров из собственного опыта (использование отвертки, чтобы снять крышку с банки с краской, является хорошим примером опыта, с которым столкнулись многие учащиеся).Используйте это, чтобы познакомить с понятием того, как рычаги и другие простые механизмы используются в их жизни в целом.

Сосредоточьте внимание учащихся на упущенной из виду детали

Изучая конструкцию и использование ряда обычных рычагов, выявите идеи о том, что каждый из них использует «точку опоры», вокруг которой они вращаются, и что часть рычага, которую мы перемещаем ( часто при действии небольшой силы) перемещается на гораздо большее расстояние, чем участок, на который действует большая сила.

Другие простые машины можно представить одну за другой, приведя несколько примеров каждой и найдя общие черты.Рулевые колеса, рукоятки отверток и лебедки — все это примеры колеса и оси; топоры, дровоколы, гвозди и гвозди — все это примеры клиньев. В Интернете есть много сайтов, которые предоставляют несколько примеров различных простых машин. См. ссылки, приведенные в конце этой идеи фокуса.

Помогите учащимся самостоятельно разработать некоторые «научные» объяснения

Предложите учащимся попробовать вкрутить один и тот же шуруп в один и тот же кусок дерева с помощью отверток с рукоятками разного диаметра.Многие хозяйственные магазины продают недорогие наборы отверток с рукоятками разных размеров. Ювелирные отвертки скромных размеров являются хорошим примером уменьшения преимуществ, которые они обеспечивают из-за малого диаметра рукоятки. Попробуйте снять пластиковую ручку с отвертки и предложите учащимся испытать трудности при попытке повернуть винт одним стержнем. Этот опыт можно использовать, чтобы подчеркнуть взаимосвязь между диаметром «ручки» колеса и величиной силы, которую вы можете создать на «валу» оси.

Сбор данных для анализа

После составления списка предметов с использованием различных типов «простых механизмов» попросите разные группы учащихся собрать примеры каждого из них в общих условиях, таких как садовые сараи, кухни, мастерские, хобби и спорт.

Предложите учащимся изучить конструкцию каждой из них, чтобы определить тип «простой машины», на которой они основаны, и то, как они обеспечивают механическое преимущество. Парусные лодки полны гениальных примеров шкивов; весла для гребных лодок представляют собой один из немногих примеров, когда точка опоры расположена таким образом, что уменьшает приложенную силу и увеличивает расстояние, на котором она действует.Обычно рычаги предназначены для увеличения приложенных к ним сил. Одна из целей — показать, насколько широко в нашей повседневной жизни используются простые машины.

Уточнение и закрепление идей для общения с другими

Предложите учащимся изучить примеры больших «простых машин», использовавшихся до широкого применения паровых двигателей или двигателей внутреннего сгорания.

В средние века общество очень зависело от того, что часто представляло собой очень большие «простые машины», увеличенные в размерах для создания больших сил.Водяные колеса и ветряные мельницы, средневековое оружие, такое как требушеты (которые бросали большие камни или дохлых коров через стены замка), мосты через ров, таран и башни замка — вот лишь некоторые примеры, которые были основаны на конструкции «простых машин».

Различные группы студентов могли проводить исследования, конструировать масштабные модели, изучать их конструкцию и сообщать о своих выводах классу на этих впечатляющих простых машинах.

Дополнительные ресурсы

Следующие ресурсы содержат разделы, которые могут быть полезны при разработке учебного процесса:

  • Мастерская изобретателя. Этот веб-сайт Музея науки Бостона помогает учащимся идентифицировать элементы более сложных повседневных машин.Используя различные материалы, учащиеся придумывают и разрабатывают изобретения для решения конкретных задач.
  • Простые машины. Этот сайт Института Франклина предлагает задания, основанные на определении простых машин.

Работа, энергия и простые механизмы

Что такое простая машина?

Простые механизмы облегчают работу за счет умножения, уменьшения или изменения направления силы. Научная формула работы такова: w = f x d, или работа равна силе, умноженной на расстояние. Простые машины не могут изменить объем выполняемой работы, но они могут уменьшить усилие, необходимое для выполнения работы! Для наклонной плоскости и рычага требуется меньшее усилие (сила усилия) для выполнения той же работы, потому что расстояние увеличивается. Используя простые машины, египтяне смогли построить пирамиды.

Наклонные плоскости уменьшают необходимое усилие, но требуют большего расстояния.

Толкая предмет вверх по наклонной поверхности, можно переместить предмет на высоту h с меньшей силой, чем вес предмета.

Сила сопротивления Fr =мг, вес объекта. Требуется работа (Fxd = mgh), чтобы преодолеть эту силу сопротивления и поднять объект на высоту h. Совершая над ним работу, мы сообщаем ему гравитационную потенциальную энергию mgh. Прилагая силу (усилие), чтобы подтолкнуть объект вверх по склону, мы выполняем такую ​​же работу в идеальном случае отсутствия трения. Таким образом, установив работу равной FeL = Frh, мы получим идеальное механическое преимущество Fr/Fe = L/h или Din/Dout.

Другой подход к наклону состоит в том, чтобы просто рассчитать величину силы, необходимой для толкания объекта вверх по склону без трения. Если силы решить, как в стандартной задаче наклона, вы обнаружите, что требуемая сила равна Fe=mgsinθ = mgh/L = Fr (h/L) .

Ideal Mechanical Advantage (IMA) представляет сценарий отсутствия трения

Actual Mechanical Advantage учитывает трение

Термины могут сбивать с толку!

Как видно на рисунке справа, ААД рассчитывается путем деления силы сопротивления на силу усилия.В других источниках вы увидите их помеченными как выходная сила и входная сила соответственно. Сила сопротивления – это ВЕС объекта, который необходимо переместить. Это выходная сила простой машины. Входное усилие такое же, как усилие, прилагаемое для перемещения объекта с помощью машины. Эта формула для ААД одинакова для рычага и наклонной плоскости.

Эффективность = работа/работа в x 100

Другой способ расчета эффективности: AMA/IMA x 100

Рычаг облегчает работу, уменьшая усилие, необходимое для перемещения груза, за счет увеличения расстояния.

Рычаг представляет собой простой механизм, состоящий из жесткого стержня, который вращается вокруг фиксированной точки, называемой точкой опоры. Рычаг облегчает работу, уменьшая усилие, необходимое для перемещения объекта. Чтобы уменьшить необходимую силу, необходимо увеличить расстояние, на котором действует сила. Чтобы увеличить это расстояние, груз, который нужно переместить, должен находиться близко к точке опоры, а сила должна быть приложена далеко от точки опоры.

Типичным примером рычага являются качели.Человеческая рука также является рычагом, где локоть является точкой опоры, а мышцы прилагают усилие.

Как и в случае с наклонными плоскостями, термины также могут сбивать с толку в случае с рычагами.

Как показано на рисунке слева, IMA для рычага можно рассчитать, разделив длину плеча рычага от точки опоры до силы (усилия) на длину плеча рычага от точки опоры до нагрузки. Другой способ, которым вы можете увидеть это, — это разница между усилием и сопротивлением. И еще один способ (как показано ниже): длина входного плеча/длина выходного плеча = IMA. Как и в случае с наклонными плоскостями, объект, который нужно переместить, представляет собой силу сопротивления или нагрузку, а усилие — это сила, прикладываемая к перемещению груза на другом конце точки опоры.Таким образом, сила = усилие = вход и сопротивление = нагрузка = выход.

Обучение простым машинам

Обучение простым машинам


Информация о ресурсах для обучения простым машинам:

Общие сведения о простых машинах:

Машина — это устройство, которое работает. Большинство машин состоит из ряд элементов, таких как шестерни и шариковые подшипники, которые работают вместе в сложный способ. Тем не менее, какими бы сложными они ни были, все машины каким-то образом основанный на шести типах простых машин. Эти шесть типов машин рычаг, колесо и ось, шкив, наклонная плоскость, клин, и винт.

Принципы простых машин:

Машины просто передают механическую работу от одной части устройства к другой части.Машина производит силу и управляет направлением и движением силы, но она не может создавать энергию. Способность машины выполнять работу измеряется двумя факторами. Это (1) механическое преимущество и (2) эффективность.

Механическое преимущество. В машинах, которые передают только механическую энергию, отношение силы, прилагаемой машиной, к силе, приложенной к машине, известно как механическое преимущество. При механическом преимуществе расстояние, на которое будет перемещаться груз, будет лишь частью расстояния, на которое будет приложено усилие. В то время как машины могут обеспечить механическое преимущество больше 1,0 (и даже меньше 1,0 при желании), ни одна машина никогда не может выполнять больше механической работы, чем затраченная на нее механическая работа.

Эффективность. Эффективность машины — это отношение между работой, которую она производит, и работой, вложенной в нее. Хотя трение можно уменьшить, смазывая маслом любые скользящие или вращающиеся детали, все машины производят некоторое трение. Рычаг имеет высокий КПД за счет того, что имеет малое внутреннее сопротивление.Работа, которую он производит, почти равна работе, которую он получает, потому что энергия, израсходованная на трение, очень мала. С другой стороны, а-шкив может быть относительно неэффективным из-за значительно большего внутреннего трения. Простые машины всегда имеют КПД менее 1,0 из-за внутреннего трения.

Энергосбережение.
Если на мгновение пренебречь потерями энергии из-за трения, работа, совершаемая простой машиной, аналогична работе, совершаемой машиной для выполнения какой-либо задачи. Если работа в равных получается, то машина эффективна на 100%.


Рычаг. Рычаг представляет собой стержень, опирающийся на ось. Сила (усилие), приложенная в одной точке, передается через точку опоры (точку опоры) в другую точку, которая перемещает объект (груз).

Идеальное механическое преимущество (IMA) рычага без учета внутреннего трения зависит от отношения длины плеча рычага, к которому прикладывается сила, к длине рычага, поднимающего груз.IMA рычага может быть меньше или больше 1 в зависимости от класса рычага. Различают три класса рычагов в зависимости от относительные положения прилагаемого усилия, нагрузки, и точка опоры.

  • Рычаги первого класса имеют точку опоры, расположенную между нагрузкой и усилием ( L FE). Если оба плеча рычага имеют одинаковую длину, усилие должно быть равно нагрузке. Чтобы поднять 10 фунтов, необходимо приложить усилие в 10 фунтов. Если рычаг усилия длиннее рычага нагрузки, как в случае с ломом, рука, прилагающая усилие, перемещается дальше, и усилие меньше нагрузки.СОЦИАЛЬНЫЙ КОНТЕКСТ. Качели, ломы и балансиры с равными плечами являются примерами первоклассных рычагов; ножницы — это двойной рычаг первого класса.
  • Рычаги второго рода имеют нагрузку, расположенную между точкой опоры и усилием (F L E). Как и в тачке, ось колеса является точкой опоры, рукоятки обозначают положение приложения усилия, а груз размещается между руками и осью. Руки, прилагающие усилие, проходят большее расстояние и меньше груза.СОЦИАЛЬНЫЙ КОНТЕКСТ: Помимо тачки, монтировка представляет собой рычаг второго рода. Щелкунчик – это двойной рычаг этого класса.
  • Рычаги третьего рода имеют усилие, расположенное между грузом и точкой опоры (FE L ). Рука, прилагающая усилие, всегда перемещается на более короткое расстояние и должна быть больше, чем нагрузка. СОЦИАЛЬНЫЙ КОНТЕКСТ. Предплечье — это рычаг третьего рода. Рука, удерживающая вес, поднимается двуглавой мышцей плеча, прикрепленного к предплечью около локтя.Локтевой сустав является точкой опоры.


  • Составные рычаги объединяют два или более рычага, обычно для уменьшения усилия. Применяя принцип составного рычага, человек мог использовать вес одной руки, чтобы уравновесить груз весом в тонну.
  • Закон равновесия
    Рычаг находится в равновесии, когда усилие и нагрузка уравновешивают друг друга; то есть сумма крутящих моментов (сила, умноженная на плечо рычага) равна нулю.Усилие, умноженное на длину нагрузочного плеча, равно произведению нагрузки на длину нагрузочного плеча.

Колесо и ось. Колесо и ось по существу модифицированы рычаг, но он может перемещать груз дальше, чем рычаг. Центр оси служит опорой.

Идеальным механическим преимуществом (IMA) колеса и оси является отношение радиусов. Если усилие приложено к большому радиусу, механическое преимущество равно R/r, которое будет больше единицы; если усилие приложено к маленькому радиусу, механическое преимущество все равно R/r, но оно будет меньше 1.


Шкив. Шкив – это колесо, по которому продет канат или ремень. Это также форма колеса и оси. Шкивы часто соединяются между собой в для получения значительного механического преимущества.

Идеальное механическое преимущество (IMA) шкива напрямую зависит от количества поддерживающих струн, N.


Наклонная плоскость. Наклонная плоскость представляет собой простое устройство, вообще на машину не похож.Механическое преимущество увеличивается по мере увеличения угол наклона уменьшается. Но тогда груз придется перемещать на большую расстояние.

Идеальным механическим преимуществом (IMA) наклонной плоскости является длина наклона, деленная на вертикальный подъем, так называемое отношение подъема к подъему. Механическое преимущество увеличивается по мере уменьшения наклона склона, но тогда груз придется перемещать на большее расстояние. Опять же, работа на равных работает в полностью эффективной системе.Трение будет большим, если предметы будут скользить по поверхности наклонной плоскости. Эффективность можно повысить за счет использования роликов в сочетании с наклонной плоскостью.


Клин. Клин представляет собой приспособление наклонной плоскости. Это может использоваться для подъема тяжелого груза на небольшое расстояние или для раскалывания бревна.

Идеальное механическое преимущество (IMA) клина зависит от угла наклона тонкого конца. Чем меньше угол, тем меньшая сила требуется для перемещения клина на заданное расстояние, скажем, через бревно.В то же время количество расщеплений уменьшается при меньших углах.


Винт. Винт на самом деле представляет собой наклонную плоскость, обернутую спираль вокруг вала. Винтовой домкрат сочетает в себе полезность винта и рычаг. Рычаг используется для поворота винта.

Идеальное механическое преимущество (IMA) винта в идеале представляет собой отношение длины окружности винта к расстоянию, которое он продвигает за каждый оборот.Крепежные винты, проходящие через гайку, могут быть относительно эффективными. Шурупы по дереву, как правило, не эффективны на 100%, поскольку значительное количество энергии теряется на трение и перемещение материи. Винтовой домкрат, такой как те, которые используются для подъема домов и других построек, сочетает в себе полезность винта и рычага. Рычаг используется для поворота винта. Механическое преимущество винтового домкрата довольно велико.


 

рычагов, которые поднимают – Урок

(2 оценки)

Быстрый просмотр

Уровень: 8 (7-9)

Необходимое время: 15 минут

Урок Зависимость: Нет

предметных областей: Физические науки

Ожидаемые характеристики NGSS:


Поделиться:

Резюме

Студенты знакомятся с тремя из шести простых механизмов, используемых многими инженерами: рычагом, шкивом и колесом и осью. Как правило, инженеры используют рычаг для увеличения силы, прикладываемой к объекту, шкив для подъема тяжелых грузов по вертикальной траектории и колесо и ось для увеличения крутящего момента, прикладываемого к объекту. Механическое преимущество этих машин помогает определить их способность облегчить или ускорить работу. Эта учебная программа по инженерному делу соответствует научным стандартам следующего поколения (NGSS).

Инженерное подключение

Простые машины чрезвычайно ценны для инженеров, поскольку они используются для легкого выполнения огромного объема работы.В частности, инженеры могут спроектировать простую машину, которая обеспечивает желаемое механическое преимущество, чтобы работа могла выполняться (более) эффективно и результативно. Даже самые сложные машины, разработанные сегодня инженерами, представляют собой комбинацию одной или нескольких из шести известных простых машин. Рычаг, шкив и колесо с осью можно найти во многих инженерных устройствах, таких как лом, подъемный кран и велосипед.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

  • Объясните, как рычаг, шкив и колесо с осью облегчают работу.
  • Определите, как рычаг, шкив и колесо и ось используются сегодня во многих известных инженерных системах.
  • Обсудите механические преимущества рычага, шкива и колеса с осью.

Образовательные стандарты

Каждый урок или занятие TeachEngineering соотносится с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.достижениястандарты.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по сортам, и т.д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука
Ожидаемая производительность NGSS

МС-ПС2-2.Спланируйте исследование, чтобы предоставить доказательства того, что изменение движения объекта зависит от суммы сил, действующих на объект, и массы объекта. (6-8 классы)

Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика Ключевые дисциплинарные идеи Концепции поперечного сечения
Научные знания основаны на логических и концептуальных связях между фактами и объяснениями.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Движение объекта определяется суммой действующих на него сил; если общая сила, действующая на объект, не равна нулю, его движение изменится. Чем больше масса объекта, тем большая сила необходима для достижения такого же изменения движения. Для любого данного объекта большая сила вызывает большее изменение движения.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Все положения объектов и направления сил и движений должны быть описаны в произвольно выбранной системе отсчета и произвольно выбранных единицах размера.Для того, чтобы поделиться информацией с другими людьми, эти выборы также должны быть разделены.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Объяснение стабильности и изменений в естественных или искусственных системах может быть построено путем изучения изменений во времени и сил в различных масштабах.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – технология
ГОСТ Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Больше учебных программ, подобных этому

Высший элементарный урок Инжиниринг: простые машины

Учащиеся знакомятся с шестью типами простых механизмов — клином, колесом и осью, рычагом, наклонной плоскостью, винтом и шкивом — в контексте строительства пирамиды, получая представление высокого уровня об инструментах, которые использовались с тех пор. древних времен и используются до сих пор.

Урок средней школы Просто самолет Простой

Этот урок знакомит учащихся с тремя из шести простых механизмов, которыми пользуются многие инженеры. К таким машинам относятся наклонная плоскость, клин и шнек.

Урок средней школы Преимущество машин

На этом уроке учащиеся узнают о работе, как ее определяет физика, и увидят, что работа упрощается благодаря использованию простых машин. Уже ежедневно сталкиваясь с простыми машинами, школьники узнают об их широком использовании в улучшении повседневной жизни.

Высший элементарный урок Скольжение вправо с помощью наклонной плоскости

Студенты изучают строительство пирамиды, изучая простой механизм, называемый наклонной плоскостью.Они также узнают о другом простом механизме, винте, и о том, как он используется в качестве подъемного или крепежного устройства.

Предварительные знания

Учащиеся должны быть знакомы с шестью простыми машинами, как обсуждалось в Уроке 1 этого модуля «Преимущество машин».

Введение/Мотивация

Сегодня мы готовы узнать еще о трех простых машинах. К ним относятся рычаг, шкив и колесо с осью. Поначалу эти машины могут показаться вам незнакомыми, но, скорее всего, вы узнаете их, когда мы расскажем о многих повседневных приложениях, оборудовании и приборах, в которых они используются. Хотя одна из шести простых машин не превосходит другую, каждая машина предлагает свои преимущества для различных инженерных приложений.Эти преимущества, а также то, как их используют инженеры, будут обсуждаться на сегодняшнем уроке, когда мы будем изучать следующие три исключительные машины. После урока учащиеся могут применить свои знания наряду с творчеством в практическом сопутствующем задании «Машины и инструменты, часть II».

Сегодня многих инженеров, особенно инженеров-механиков, интересуют простые машины и их способность выполнять огромный объем работы с минимальными усилиями. Чтобы понять, как это достигается, необходимо вспомнить, что работа совершается путем приложения силы к грузу и его перемещения на некоторое расстояние. Чем больше приложенная сила и чем дальше перемещается груз, тем больше совершается работа. Эта идея математически выражается как

Мы знаем, что для выполнения определенной задачи необходимо выполнить определенный объем работы. Однако природа не указывает, как именно эта работа может быть выполнена. Это позволяет инженерам выполнять тот же объем работы с меньшими усилиями, просто перемещая груз на большее расстояние. Эта тактика облегчения работы выполняется с помощью простых механизмов, таких как рычаг, шкив и колесо с осью.

Рычаг

Рисунок 2. Три класса рычагов. Авторское право

Copyright © 2006 Джейк Льюис, Программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере

Рычаг является наиболее знакомым из всех простых механизмов из-за его простой конструкции и широкого применения в многочисленных технических устройствах. Он просто состоит из жесткой балки или стержня, который свободно вращается вокруг фиксированной точки, также называемой точкой опоры . Располагая точку опоры близко к тяжелому объекту и прикладывая усилие издалека, можно использовать рычаги для легкого подъема огромных грузов (см. рис. 1).Объект, перемещаемый рычагом, часто называют нагрузкой или выходной силой, а силу, приложенную к рычагу, называют усилием или входной силой. Лом — классический пример использования рычага для облегчения работы. С помощью лома плотники могут легко извлекать гвозди из дерева, что было бы почти невозможно и крайне неэффективно без такой удобной машины.

Рисунок 3. Тачка, разновидность рычага второго рода и одна из шести простых машин.авторское право

Авторское право © Министерство транспорта США, Федеральное управление автомобильных дорог http://www.fhwa.dot.gov/environment/fspubs/05232810/page16.htm

Сразу же вы увидите, что на рычаге всегда есть точка опоры, нагрузка и усилие, но может быть трудно заметить, как положение каждого из них относительно друг друга может полностью изменить характеристики рычага. По этой причине рычаги делятся на три разных типа; называются рычагами первого, второго и третьего рода (см. рис. 2).

Классификация каждого зависит от положения точки опоры относительно усилия и нагрузки. В первоклассном рычаге точка опоры располагается между усилием и нагрузкой, напоминая качели. Примеры рычагов этого типа включают весы, лом и ножницы.

Рычаг второго рода – это когда груз помещается между точкой опоры и усилием. Этот тип рычага использовался в конструкции многих устройств, таких как тачка, щелкунчик, открывалка для бутылок и обычная дверь.

Наконец, рычаги третьего класса работают с усилием, приложенным между точкой опоры и грузом. Эти рычаги можно найти в пинцете, удочке, молотке, лодочном весле и граблях.

Шкив

Рисунок 4. Шкив, один из шести простых механизмов. авторское право

Авторское право © 2006 Джейк Льюис, программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере

На протяжении всей истории инженеры считали шкив предпочтительным механизмом для подъема тяжелых предметов по прямой вертикальной траектории. Шкив в основном представляет собой круглый диск с канавками, который служит для направления веревки или троса, натянутого по его периметру, как показано на рис. 4. С помощью одного шкива инженеры могут изменить направление приложенной силы; например, потянув веревку вниз, чтобы поднять вес. Однако использование комбинации шкивов в системе шкивов может изменить как величину, так и направление прикладываемого усилия. Чтобы увеличить подъемную силу шкива, к системе шкивов добавляются шкивные колеса, так что усилие, необходимое для подъема предметов по вертикали, значительно снижается.Эта машина включена в конструкцию различных инженерных систем, таких как кран, где огромные грузы манипулируются небольшим усилием, создаваемым относительно небольшим двигателем. Некоторые краны могут иметь множество шкивов и сложную систему тросов, что еще больше увеличивает возможности подъема более тяжелых предметов. Многие другие устройства используют шкив, чтобы извлечь выгоду из его удивительного потенциала, включая лифт, парусную лодку и простой флагшток.

Колесо и ось

Последняя простая машина, о которой мы собираемся узнать, — это колесо и ось, которые инженеры в основном используют для увеличения силы вращения или вращения.Это устройство состоит из круглого колеса, непосредственно соединенного с круглым валом или осью и вращающегося вокруг общей оси (см. рис. 5). Из этого расположения вы можете заметить, что колесо и ось работают так же, как и рычаг; однако он отличается тем, что может увеличивать вращательную силу вместо линейной силы. Инженеры обычно называют силу вращения крутящим моментом . Чтобы оставаться в соответствии с определением механического преимущества, мы определяем колесо и ось так, чтобы усилие или входная сила всегда прикладывались к колесу, а нагрузка или выходная сила всегда действовала на ось.

Рисунок 5. Колесо и ось, одна из шести простых машин. авторское право

Авторское право © 2006 Джейк Льюис, программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере

В большинстве случаев ось меньше колеса, и приложенный крутящий момент увеличивается за счет машины; однако такая конфигурация не всегда имеет место. В некоторых случаях ось больше колеса, и входное расстояние увеличивается машиной вместо входного крутящего момента.

Примеры колеса и оси включают отвертку, рулевое колесо, реактивный двигатель, механические шестерни и даже дверные ручки.

Велосипед — прекрасный пример нескольких простых механизмов, таких как колесо и ось, рычаг и шкив, объединенных в одно устройство (см. рис. 6). Передняя и задняя шины представляют собой колеса и оси, где шины вращаются вокруг оси в центре, где закреплены шестерни. Шестерни и цепь действуют как шкив и помогают вращать колесо на его оси. На велосипеде есть несколько рычагов, одним из которых является педаль. Все три этих простых механизма необходимы для движения велосипеда! Когда вы едете на велосипеде, ваша нога передает энергию на педаль (рычаг), которая затем передается от педали на цепь и шестерни (система шкивов).Эта энергия, наконец, передается на систему колес и осей (шины), а затем на землю, чтобы заставить велосипед двигаться вперед!

Рисунок 6. Велосипед, пример простой машины с колесом и осью. Copyright

Copyright © 2007 Janet Yowell, ITL Program, Engineering College, University of Colorado Boulder

Предыстория урока и концепции для учителей

Механическое преимущество машины характеризует ее способность эффективно и результативно выполнять работу.Следовательно, каждый раз, когда рассматривается простая машина для соответствующей технической системы, необходимо определить связанное с ней механическое преимущество. В Уроке 1 этого модуля механическое преимущество машины определяется как отношение нагрузки (сопротивления, которое машина преодолевает) к усилию (приложенной силе). Механическое преимущество — это способ определить, насколько хорошо работает машина. Эту идею также можно выразить общим математическим уравнением:

Для трех простых машин в этом уроке важно прояснить, что механическое преимущество машины говорит о ее возможностях. Если MA = 1 ( Механическое преимущество = 1), это означает, что машина не влияет на облегчение работы, поскольку выходная сила точно такая же, как входная сила. Большинство простых машин обеспечивают механическое преимущество больше 1 ( MA > 1), так что работа становится легче; т. е. входная сила увеличивается, и, следовательно, механическое преимущество меньше, чем выходная сила.

В некоторых случаях выгодно иметь механическое преимущество меньше 1.В этом случае машина усложняет работу, поскольку входная сила больше, чем выходная сила. Это может показаться противоречащим назначению простых машин; однако сила должна быть уменьшена машиной для увеличения расстояния. Иногда это бывает очень полезно в некоторых инженерных приложениях и удивительно распространено среди трех машин, обсуждаемых в этом уроке.

Подводя итог этой концепции, если MA < 1, расстояние умножается — работа становится тяжелее, но быстрее; если MA > 1, усилие умножается — работа делается легче, но медленнее. Обладая этой информацией, инженеры могут изменить механическое преимущество машины, чтобы создать эффективный, производительный и очень полезный прибор.

Механическое преимущество

Рычаг

Преимущество рычагов в отношении усилия и нагрузки (или входной и выходной силы) зависит от того, насколько далеко каждый из них находится от точки опоры. Механическое преимущество рычага увеличивается, когда либо усилие перемещается дальше от точки опоры, либо нагрузка перемещается ближе к точке опоры, либо и то, и другое.Эта идея рычага может быть выражена математически следующим образом:

В этом уравнении расстояние между нагрузкой и точкой опоры называется рычагом нагрузки , а расстояние от точки опоры до усилия называется рычагом усилия , как показано на рисунке 9.

Рисунок 9. Механическое преимущество рычагов. Авторское право

Авторское право © 2006 Джейк Льюис, программа ITL, Инженерный колледж Университета Колорадо в Боулдере

Обратите внимание, что одно определение механического преимущества рычага применимо ко всем трем классам рычагов. Однако из-за физического устройства каждого типа рычага мы отмечаем, что для рычагов второго класса MA > 1, а для рычагов третьего класса MA < 1. Рычаги первого класса имеют уникальную возможность увеличивать либо входная сила, либо входное расстояние ( MA > 1 или MA < 1). Возможности этих различных типов рычагов предоставляют инженерам широкий выбор в процессе проектирования и выбора конкретной инженерной системы.

Шкив

Система шкивов работает по принципу, согласно которому груз можно легче поднять, потянув за веревку или трос, намотанный между несущей конструкцией и жестким креплением, прикрепленным к самому грузу.Одна чрезвычайно распространенная идея — и часто эмпирическое правило — для шкива состоит в том, чтобы рассчитать его механическое преимущество, подсчитав количество шкивов, находящихся в системе. Хотя эта практика в целом приемлема, метод не всегда дает точные результаты. Более точный метод расчета механического преимущества шкива заключается в подсчете количества канатов или тросов, поддерживающих нагрузку. Тогда математическое соотношение просто выражается как:

Этот результат может показаться не связанным с общим определением механического преимущества; однако эта машина остается в полном согласии с определением после определения входного и выходного расстояний.На рисунке 11 мы можем увидеть, как входное расстояние, выходное расстояние и количество опорных линий соотносятся в системе шкивов. В этом примере, если шкив имеет механическое преимущество, равное 2 ( MA = 2), вытягивание конца опорной линии с усилием на заданное входное расстояние вызовет подъем груза на расстояние, равное половине вытягиваемого усилиями. Это верно для всех комбинаций шкивов: чем больше опорных линий прикреплено к грузу, тем большее входное расстояние требуется для подъема груза на желаемую высоту.В заключение мы обнаруживаем, что физическая геометрия системы шкивов требует, чтобы ее механическое преимущество всегда было больше 1 и только в положительных целых числах; т. е. MA = 1, 2, 3 и т. д.

Рисунок 11. Механическое преимущество шкива. Авторское право

Copyright © 2006 Джейк Льюис, программа ITL, Инженерный колледж Университета Колорадо в Боулдере

Колеса и оси

Прежде чем говорить о механическом преимуществе колеса и оси, чрезвычайно важно помнить, что усилие всегда прилагается к колесу, а нагрузка всегда противодействует повороту оси.В частности, когда к колесу прикладывается усилие и оно поворачивается на угол θ, геометрия диктует, что входное расстояние должно быть произведением θ и радиуса колеса. Точно так же, поскольку ось прикреплена к колесу и повернута на тот же угол θ, выходное расстояние равно произведению θ и радиуса оси. Тогда из общего определения мы видим, что механическое преимущество колеса и оси зависит только от радиуса каждого из них, где его можно записать как:

.

Этот результат информирует инженеров о том, как можно изменить механическое преимущество колеса и оси, чтобы обеспечить наиболее эффективные результаты в инженерной системе. Как правило, инженеры настраивают колесо и ось так, чтобы их механическое преимущество было больше 1, чтобы извлечь выгоду из увеличенного крутящего момента, например, в случае с рулевым колесом. Если инженеры предпочитают, чтобы колесо и ось умножали расстояние и, таким образом, работали быстрее, как в случае с велосипедом, машина конструируется с осью, большей, чем колесо, или MA < 1,

Рисунок 12. Механическое преимущество колеса и оси. Copyright

Copyright © 2006 Jake Lewis, ITL Program, Engineering College, University of Colorado Boulder

Связанные виды деятельности

  • Машины и инструменты, часть II. Учащиеся строят систему шкивов, чтобы узнать, как можно увеличить ее механическое преимущество и согласуются ли их результаты с расчетными значениями.

Закрытие урока

Все простые машины характеризуются способностью обеспечивать механическое преимущество, что позволяет инженерам проектировать устройства, облегчающие работу и повышающие ее эффективность. Хотя одна машина не превосходит другую, каждая машина обладает своими уникальными и привлекательными возможностями, которые используются инженерами для множества приложений. Рычаг способен быстро увеличивать силу или расстояние; шкив может поднимать огромные грузы по вертикальной траектории; а колесо и ось используются для легкого увеличения входного крутящего момента.Эти три простых механизма в сочетании с тремя другими (наклонная плоскость, клин и винт) дают инженерам набор чрезвычайно ценных инструментов для эффективного выполнения работы.

Словарь/Определения

сложная машина: Машина, которая работает путем объединения двух или более из шести простых машин.

Рычаг: Простая машина, состоящая из жесткой балки или стержня, которая поворачивается вокруг фиксированной точки для перемещения тяжелых грузов с меньшими усилиями.

механическое преимущество: количество раз, когда сила воздействует на машину, умножается на машину.

шкив: Простая машина, состоящая из круглого колеса с канавками, которое направляет трос, трос или цепь. Эта машина в основном используется для подъема тяжелых грузов по прямой вертикальной траектории.

простая машина: Основные части любой машины. Простые механизмы могут существовать сами по себе, а также иногда скрываться в окружающих вас механических устройствах; устройство, которое выполняет работу, увеличивая или изменяя направление силы, облегчая выполнение работы людьми.

крутящий момент: результат приложения линейной силы снаружи круглой рамы для создания тенденции к повороту.

колесо и ось: Простая машина, состоящая из двух круглых или цилиндрических объектов, скрепленных вместе и вращающихся вокруг общей оси. Эта машина в основном используется для увеличения крутящего момента, создаваемого пользователем.

работа: Энергия, затраченная на перемещение объекта на расстояние с использованием силы (W = Fd).

Оценка

Оценка перед уроком

Вопрос/Ответ : Задайте учащимся следующие вопросы и обсудите в классе:

  • Работа определяется как произведение силы на расстояние. Какая из этих вещей, сила или расстояние, усложняет выполнение работы? (Ответ: Сила. Если машина может уменьшить силу, необходимую для выполнения работы, ее, как правило, легче применить на большем расстоянии.)
  • Работа определяется как произведение силы на расстояние. Какая из этих вещей, сила или расстояние, ускоряет или замедляет работу? (Ответ: расстояние. Если машина может сократить расстояние, необходимое для выполнения работы, то, как правило, она выполняет работу быстрее, даже если ее выполнить труднее.)

Оценка после внедрения

Голосование : Задайте вопрос “верно/неверно” и предложите учащимся проголосовать, подняв большой палец вверх, если ответ правильный, и большой палец вниз, если ответ неверный. Подсчитайте голоса и запишите числа на доске.Дайте правильный ответ.

  • Верно или неверно: Рычаг состоит из четырех различных компонентов. (Ответ: Неверно. Рычаг состоит из трех основных компонентов: точка опоры, усилие и нагрузка. Эти компоненты могут быть расположены тремя различными способами, поэтому рычаг имеет три различных классификации.)
  • Правда или Ложь: Рычаг является лучшим простым механизмом, чем шкив или колесо и ось. (Ответ: неверно. Хотя рычаг может быть лучшим выбором для инженеров в конкретной конструкции, одна машина не лучше другой.Каждая простая машина имеет свои уникальные преимущества, которые можно использовать для различных инженерных приложений.)

Итоги урока Оценка

Вопрос для обсуждения : запрашивать, объединять и обобщать ответы учащихся.

  • Спросите учащихся, как механические преимущества машины помогают инженерам. Учащиеся должны понимать, что если механическое преимущество машины меньше 1, машина увеличивает входное расстояние (работа сложнее, но намного быстрее). Если механическое преимущество машины больше 1, машина увеличивает входную силу (работа выполняется легче, но медленнее). Если MA = 1, машина ничего не делает и работает так же. Другими словами:

Если MA < 1, то работать сложнее, но быстрее

Если MA > 1, то работа медленнее, но легче

Расширение урока

Командное соревнование : Разделите класс на небольшие группы по два-три ученика в каждой и попросите каждую группу подумать, где в современных инженерных системах можно найти рычаг, шкив и колесо и ось.Выигрывает та группа, которая думает о большем количестве машин. Чтобы получить полный балл, каждая команда должна указать инженерное устройство вместе с соответствующей простой машиной. Примеры: Рычаг: качели, весы, лом, тачка, щелкунчик, открывалка для бутылок, пинцет, удочка, молоток, лодочное весло, грабли и т. д. Шкив: кран, лифт, флагшток и т. д. Колесо и Ось: отвертка, руль, велосипедные шестерни, дверная ручка и т. д.

Комплексные машины:

[Примечание для учителя: это дополнительное задание следует выполнить после того, как учащиеся познакомятся со всеми шестью простыми машинами в ходе этого урока и урока Just Plane Simple]

Сложная машина — это машина, которая работает путем объединения двух или более простых машин.Рассмотрим ножницы. Два рычага, которые вы сжимаете вместе, — это рычаги , а режущие кромки лезвий — острые клинья . Ножницы были решением реальной проблемы, которую упростили, разбив ее на более мелкие части. Простые механизмы рычага и клина были объединены для создания инженерного решения.

В группах по двое подумайте о следующих сложных машинах. Для каждой сложной машины перечислите простые машины, которые были объединены, и где они находятся (так же, как описание ножниц):

  1. Тачка
  2. Ручной консервный нож
  3. Точилка для карандашей
  4. Штопор

Ответы:

  • Тачка: Сама тачка представляет собой рычаг 2-го класса в сочетании с колесом и осью, заставляющими ее катиться.
  • Ручной консервный нож: ручка, которую вы вращаете, представляет собой колесо и ось. Два длинных рычага, которые зажимают, образуют рычаг. Круглое колесо, разрезающее металлическую крышку, представляет собой острый клин.
  • Точилка для карандашей: лезвие, которое режет и затачивает карандаш, представляет собой клин. Винт удерживает детали вместе. Часть, которую вы вращаете, представляет собой колесо и ось.
  • Штопор: Вращающаяся ручка вверху представляет собой колесо и ось. Спиральная металлическая деталь, крепящая пробку, представляет собой винт. Острый кончик в нижней части спиральной детали представляет собой клин, которым вонзается в пробку перед поворотом.Два боковых рычага, которые нажаты вниз, представляют собой рычаги.

использованная литература

Кахан, Питер. Движение, силы и энергия: Science Explorer Student Edition . Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2002.

.

Маколей, Дэвид. Как все работает . Бостон, Массачусетс: Компания Houghton Mifflin, 1988.

.

Окружающая среда: Ручной инструмент для работы в походе . Последнее обновление: 16 июня 2005 г.Федеральное управление автомобильных дорог, Министерство транспорта США. По состоянию на 31 августа 2007 г. http://www.fhwa.dot.gov/environment/fspubs/05232810/page16.htm

Вудс, Майкл и Мэри Вудс. Древние машины: от клиньев до водяных колес . Миннеаполис, Миннесота: Runestone Press, 2000.

.

Другая связанная информация

Просмотрите центр учебных программ по физике, ориентированных на инженеры NGSS, чтобы найти дополнительную учебную программу по физике и физическим наукам, посвященную инженерии.

авторское право

© 2007 Регенты Университета Колорадо.

Авторы

Джейк Льюис; Малинда Шефер Зарске; Джанет Йоуэлл

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж Колорадского университета в Боулдере

Благодарности

Содержание этой цифровой библиотеки было разработано в рамках Интегрированной программы преподавания и обучения в рамках гранта Национального научного фонда ГК-12 №. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Национального научного фонда, и вы не должны исходить из того, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 2 февраля 2022 г.

Простая машинная задача | Национальное географическое общество

1. Познакомить с идеей о том, что простые машины облегчают работу.

Скажите классу, что определение работы, используемое в науке, может отличаться от того, что большинство людей считает работой.Работу можно определить как силу, умноженную на расстояние (Работа = Сила х Расстояние). Попросите учащегося переложить книгу с одного стола на другой . Спросите: Это произведение по научному определению? (Да, это работа.) Вы применяете силу на определенном расстоянии. Спросите: Является ли выполнение домашней работы работой по этому определению? (Нет, домашнее задание — это не работа. ) Толкать книгу по столу — это работа, потому что вы прикладываете силу (толчок) к книге на определенное расстояние (длина стола). Вы никуда не толкаете домашнюю работу.

 

Представьте, что вы хотите, чтобы тот же объем работы выполнялся с меньшими усилиями. В этом примере это означает, что вы по-прежнему хотите, чтобы книга переместилась с одной стороны стола на другую, но вы не хотите давить так сильно. Если вы приложите вдвое меньшее усилие, чтобы толкнуть книгу, то вам придется толкнуть книгу в два раза дальше, чтобы выполнить тот же объем работы. Или вы можете использовать простую машину, чтобы компенсировать разницу в силе, которую вы прикладываете. Объясните, что люди часто используют простые механизмы, чтобы облегчить работу.

 

Познакомьте класс с названиями различных простых механизмов и покажите им изображения каждого из фотогалереи «Простые механизмы»: рычаги, колесо и ось, шкивы, винты и наклонные плоскости. Скажите классу, что простые машины облегчают работу, увеличивая механическое преимущество. Скажите учащимся, что примером механического преимущества является использование когтя молотка для извлечения гвоздя. Небольшое усилие, приложенное к ручке молотка, создает большее усилие на конце молотка, что позволяет удалять застрявшие гвозди.

 

Объясните, что сложные механизмы, такие как роботы и автомобили, состоят из комбинаций простых механизмов и других частей. Роботы — это сложные машины, состоящие из множества простых машин. Некоторыми примерами простых машин, которые используются в роботостроении, являются колеса и оси для обеспечения мобильности, позволяющие роботам перемещаться с места на место, и руки роботов, которые представляют собой рычаги, позволяющие им манипулировать объектами.

 

Объясните, что учащиеся будут проводить простые эксперименты с простыми машинами, а затем использовать эти простые машины для решения задач.

 

2. Продемонстрируйте, как работают рычаги.

Соберите рычаг, приклеив маркер параллельно краю стола. Оторвите кусок малярной ленты, сделайте петлю и прикрепите к концу линейки. Поместите линейку на маркер в центральной точке, как качели, а затем плотно прижмите теннисный мяч к ленте. Пригласите студента-добровольца продемонстрировать рычаг; сначала попросите ученика осторожно поднять мяч, прикладывая силу к концу рычага (линейке), противоположному мячу.Во-вторых, попросите ученика переместить рычаг (линейку) так, чтобы мяч находился как можно ближе к точке опоры (маркеру). Попросите ученика снова нажать на рычаг, чтобы поднять мяч. Наконец, переместите рычаг (линейку) так, чтобы шарик находился как можно дальше от точки опоры (маркера), оставляя при этом часть рычага (линейки) нажатой. Попросите ученика снова нажать на рычаг, чтобы поднять мяч. Фотография каждой ситуации с рычагом доступна в фотогалерее Simple Machines Demonstrations.

 

Обсудите, что видел класс и что наблюдал доброволец. Спросите: При какой конфигурации рычагов легче всего поднять мяч? При какой конфигурации рычага было труднее всего поднять мяч? Какая конфигурация рычага переместила мяч дальше всего от исходного положения? Как рычаг обеспечивает механическое преимущество при перемещении мяча?

 

3. Учащиеся выполняют задание, используя рычаги.

Введите испытание с рычагом. Объясните, что каждая группа будет пытаться переместить теннисный мяч со стола в центр рулона малярной ленты на разное расстояние. Познакомить с правилами. Руки нельзя использовать для перемещения мяча к воротам, но можно использовать руки для установки мяча на рычаг и управления рычагом. Ничто не может быть использовано для крепления шара к рычагу. Маркер нельзя отодвигать от края стола. Рулон малярной ленты нельзя перемещать без указания учителя.Победителем станет группа, которая переместит шарик в центр рулона изоленты с трех разных расстояний с наименьшим количеством попыток.

 

Разделите класс на группы по 2-4 человека. Раздайте каждой группе следующие предметы: теннисный мяч, жесткую линейку, цилиндрический маркер и рулон малярной ленты. Попросите учеников приклеить маркер параллельно краю парты или стола, как это было продемонстрировано ранее учителем. Теперь поручите группам отмерить 24 см (9. 5 дюймов) от маркера и поместите край рулона малярной ленты, плоско на бок, в этой точке.

 

Дайте группам несколько минут для совместной работы над различными идеями по забиванию мяча в ворота. Затем дайте пять минут на исследования и эксперименты. Попросите учащихся записать расстояние 24 см (9,5 дюйма) в свой журнал и начертить конфигурацию рычага, которая лучше всего работает на этом расстоянии, непосредственно под числом. Выполните те же действия на расстоянии 15 см (6 дюймов) и 5 ​​см (2 дюйма).Наконец, учитель наблюдает, как группы демонстрируют свои конфигурации рычагов на разных расстояниях. Побеждает группа с наименьшим количеством попыток после прохождения всех трех дистанций.

 

4. Учащиеся знакомятся со шкивом с помощью демонстрации.

Расскажите классу, что шкивы облегчают работу, уменьшая усилие, необходимое для подъема предмета. Попросите учащегося поднять кувшин с молоком, наполненный водой, одной рукой. Затем попросите еще двух учеников держать ручку метлы на уровне плеч между собой. Теперь привяжите тонкую веревку к ручке кувшина и оставьте его на полу. Попросите ученика, который раньше поднимал кувшин, натянуть веревку на метлу и потянуть вниз конец веревки, чтобы поднять кувшин. Попросите студента описать разницу между двумя событиями. Теперь отвяжите веревку от кувшина и привяжите один конец веревки к метле. Пусть два ученика продолжают держать метлу на уровне плеч, а другой доброволец продевает свободный конец веревки через ручку кувшина, а затем обратно через метлу.Попросите того же ученика потянуть за конец веревки, чтобы поднять кувшин. Попросите студента описать различия в трех опытах. Фото второй и третьей ситуаций доступны в фотогалерее Simple Machines Demonstrations.

 

5. Учащиеся выполняют задание, используя блоки.

Представьте испытание со шкивом. Каждая группа будет поднимать металлические предметы с пола, используя разработанную ими систему шкивов. Познакомить с правилами.В дизайне могут быть использованы только предоставленные материалы. Руки нельзя использовать для захвата предметов. Предмет, поднятый в воздух на высоту не менее 10 см (4 дюйма), можно снять со шкива руками. В конструкции должно быть не менее двух катушек. Разрешается использовать ленту не более 15 см (6 дюймов). Часть системы шкивов может быть прикреплена скотчем к неподвижному объекту, например к столу.

 

Разделите класс на группы по 2-4 человека. Раздайте каждой группе следующие предметы: три пластиковые катушки; метр (3.2 фута струны; 1¼-дюймовый магнит для пончиков; различные мелкие металлические предметы, например скрепки; изоляционная лента; и три карандаша. Дайте группам время для совместной работы над различными идеями конструкции шкива. Затем дайте пять-десять минут на исследование и эксперименты с материалами. Предложите учащимся сделать наброски идей в своем дневнике. В заключение каждая группа продемонстрирует учителю наиболее удачную систему блоков, разработанную группой.

 

6.Учащиеся знакомятся с колесом и осью.

Скажите учащимся, что колесо и ось используют вращательное движение для облегчения работы. Когда усилие прикладывается к колесу, оно вызывает движение в оси, а когда оно прикладывается к оси, оно вызывает движение в колесе. Попросите учащегося взяться за узкий конец воронки и прокатить им широкий конец воронки по столу . Спросите: Это пример приложения усилия к оси или к колесу? (Усилие, приложенное к оси.) Затем пусть учащийся прикрепит конец отрезка веревки длиной 1 м (3,2 фута) к узкому концу воронки. Теперь попросите ученика повернуть воронку круговыми движениями, используя большой конец воронки. Спросите: Это пример приложения усилия к оси или колесу? (Усилие, приложенное к колесу.)

 

7. Учащиеся применяют знания о колесе и оси, чтобы выполнить задание.

Представьте испытание «Колесо и ось». Каждая группа попытается переместить теннисный мяч на 3 метра (примерно 10 футов), используя конструкцию, включающую колесо и ось. Познакомить с правилами. Можно использовать только предоставленные материалы. К мячу нельзя прикасаться после того, как он начал движение. Колесо и ось должны быть основным механизмом, с помощью которого достигается движение мяча.

 

Разделите класс на группы по 2-4 человека. Раздайте каждой группе следующие предметы: два листа картона, примерно 57 г (2 унции) глины для лепки, две питьевые соломинки, 30 см (12 дюймов) малярного скотча и 30 см (12 дюймов) веревки. Дайте группам время для совместной работы над различными идеями перемещения мяча.Затем дайте десять минут на исследования и эксперименты. Предложите учащимся делать наброски идей в своих дневниках. Когда все группы будут готовы, они будут соревноваться, какая конструкция сможет переместить мяч на наибольшее расстояние. Дайте группам пять минут на то, чтобы перестроить или отремонтировать свои автомобили после первого теста, а затем протестируйте второй раз.

 

8. С помощью простых машин учащиеся сконструируют робота на бумаге.

Попросите класс представить, как простые механизмы, с которыми они экспериментировали, можно использовать для создания различных рабочих частей робота.Задайте следующие вопросы: Как можно использовать рычаг? (Возможно, как часть руки или ноги.) Как насчет шкива? (Его можно использовать для управления захватом на руке робота.) А как насчет колеса и оси? (Его можно использовать как часть модуля мобильности.) Попросите учащихся создать чертежи своих собственных роботов, используя все простые механизмы, с которыми они экспериментировали в классе.

Неформальная оценка

Соберите чертежи студенческих роботов, чтобы убедиться, что все необходимые простые механизмы включены и правильно применены.

Расширение обучения

Предложите учащимся найти в классе примеры рычагов, шкивов, колеса и оси. Некоторыми распространенными примерами рычагов являются ножницы, дырокол и смыв на унитазе в ванной. Типичные примеры шкивов включают подъемный механизм на жалюзи и механизм, используемый для подъема флага на флагштоке. Неожиданными примерами колеса и оси являются диспенсеры для ленты, дверные ручки и внутренние устройства точилок для карандашей.Более распространенными примерами колеса и оси являются колеса тележек и лопастной механизм вентиляторов. Предложите учащимся рассказать о случаях, когда они использовали рычаги, шкивы и/или колесо и ось для выполнения работы.

9.3 Простые машины | Техасский шлюз

Простые машины

Простые машины облегчают работу, но не уменьшают ее объем. Почему простые машины не могут изменить объем выполняемой вами работы? Напомним, что в закрытых системах общее количество энергии сохраняется.Машина не может увеличить количество энергии, которую вы в нее вкладываете. Итак, чем полезна простая машина? Хотя она не может изменить объем выполняемой вами работы, простая машина может изменить величину силы, которую вы должны приложить к объекту, и расстояние, на котором вы прикладываете силу. В большинстве случаев для уменьшения силы, которую необходимо приложить для выполнения работы, используется простая машина. Обратной стороной является то, что вы должны прикладывать силу на большее расстояние, потому что произведение силы на расстояние f d (равное работе) не меняется.

Давайте посмотрим, как это работает на практике. На рис. 9.8(а) рабочий использует своего рода рычаг, чтобы приложить небольшое усилие на большом расстоянии, в то время как монтировка тянет гвоздь с большой силой на небольшом расстоянии. На рис. 9.8(b) показано, как математически работает рычаг. Сила усилия, приложенная в точке F e , поднимает груз (сила сопротивления), который давит вниз в точке F r . Треугольный стержень называется точкой опоры; часть рычага между точкой опоры и F e – плечо усилия, L e ; а часть слева – это рычаг сопротивления, L r . Механическое преимущество — это число, которое говорит нам, во сколько раз простая машина увеличивает силу усилия. Идеальное механическое преимущество, IMA , представляет собой механическое преимущество совершенной машины без потери полезной работы, вызванной трением между движущимися частями. Уравнение для IMA показано на рис. 9.8(b).

Рисунок 9.8 (a) Монтировка представляет собой тип рычага. (b) Идеальное механическое преимущество равно длине плеча усилия, деленному на длину плеча сопротивления рычага.

В общем, IMA = сила сопротивления, F r , деленная на силу усилия, F e . IMA также равно расстоянию, на которое прикладывается усилие, d e , деленному на расстояние, которое проходит груз, d r .

IMA=FrFe=dedrIMA=FrFe=dedr

Возвращаясь к сохранению энергии, для любой простой машины работа, вложенная в машину, Вт i равна работе, производимой машиной, Вт o .Объединив это с информацией из предыдущих абзацев, мы можем написать

. Wi=WoFede=FrdrIf  FeFr, затем de>dr.Wi=WoFede=FrdrIf  FeFr, затем de>dr.

Уравнения показывают, как простая машина может производить тот же объем работы, уменьшая величину усилия за счет увеличения расстояния, на котором действует усилие.

Watch Physics

Введение в Mechanical Advantage

В этом видеоролике показано, как рассчитать IMA рычага тремя различными методами: (1) по силе усилия и силе сопротивления; (2) от длин плеч рычагов, и; (3) от расстояния, на котором приложена сила, и расстояния, на которое перемещается груз.

Проверка захвата

Двое детей разного веса катаются на качелях. Как они располагаются относительно точки опоры (точки опоры), чтобы сохранять равновесие?

  1. Более тяжелый ребенок сидит ближе к точке опоры.
  2. Более тяжелый ребенок сидит дальше от точки опоры.
  3. Оба ребенка сидят на одинаковом расстоянии от точки опоры.
  4. Поскольку оба имеют разный вес, они никогда не будут сбалансированы.

Некоторые рычаги прикладывают большое усилие к короткому рычагу. Это приводит к тому, что на конце рычага сопротивления действует меньшая сила на большем расстоянии. Примерами этого типа рычага являются бейсбольные биты, молотки и клюшки для гольфа. В другом типе рычага точка опоры находится на конце рычага, а груз — посередине, как в конструкции тачки.

Простая машина, показанная на рис. 9.9, называется колесом и осью . На самом деле это форма рычага.Разница в том, что рычаг усилия может вращаться по полному кругу вокруг точки опоры, которая является центром оси. Сила, приложенная к внешней стороне колеса, вызывает большее усилие, приложенное к веревке, обернутой вокруг оси. Как показано на рисунке, идеальное механическое преимущество рассчитывается путем деления радиуса колеса на радиус оси. Любое устройство с кривошипным приводом является примером колеса и оси.

Рисунок 9.9 Сила, приложенная к колесу, действует на его ось.

Наклонная плоскость и клин — две формы одной и той же простой машины. Клин — это просто две наклонные плоскости, расположенные спиной к спине. На рис. 9.10 показаны простые формулы для расчета IMA s этих машин. Все наклонные мощеные поверхности для ходьбы или вождения представляют собой наклонные плоскости. Ножи и головки топоров являются примерами клиньев.

Рис. 9.10 Слева показана наклонная плоскость, справа — клин.

Винт, показанный на рисунке 9.11 на самом деле представляет собой рычаг, прикрепленный к круглой наклонной плоскости. Шурупы по дереву (конечно) также являются примерами шурупов. Рычажная часть этих винтов представляет собой отвертку. В формуле для IMA расстояние между витками резьбы называется шагом и имеет символ P .

Рисунок 9.11 Показанный здесь винт используется для подъема очень тяжелых предметов, например, угла автомобиля или дома на небольшое расстояние.

На рис. 9.12 показаны три различные системы шкивов.Из всех простых машин механическое преимущество легче всего рассчитать для шкивов. Просто посчитайте количество канатов, поддерживающих груз. Это IMA . И снова мы должны применять силу на более длинном расстоянии, чтобы умножить силу. Чтобы поднять груз на 1 метр с помощью системы шкивов, вам нужно потянуть N метров веревки. Системы шкивов часто используются для подъема флагов и оконных жалюзи и являются частью механизма строительных кранов.

Рисунок 9.12 Здесь показаны три системы шкивов.

Watch Physics

Механические преимущества наклонных плоскостей и шкивов

В первой части этого видео показано, как рассчитать IMA систем шкивов. В последней части показано, как рассчитать IMA наклонной плоскости.

Проверка захвата

Как можно использовать систему шкивов, чтобы поднять легкий груз на большую высоту?

  1. Уменьшить радиус шкива.
  2. Увеличить количество шкивов.
  3. Уменьшите количество канатов, поддерживающих груз.
  4. Увеличьте количество канатов, поддерживающих груз.

Сложная машина представляет собой комбинацию двух или более простых машин. Кусачки на рис. 9.13 сочетают в себе два рычага и два клина. Велосипеды включают в себя колеса и оси, рычаги, винты и шкивы. Автомобили и другие транспортные средства представляют собой комбинации многих машин.

Рисунок 9.13 Кусачки для проволоки представляют собой обычный сложный станок.

Изменение того, где и как люди работают

Кратко об идее

Может ли ваша организация извлечь выгоду из альтернативного рабочего места, когда сотрудники работают вне офиса, в основном из дома?

AT&T, IBM и даже армия США значительно экономят на недвижимости и инфраструктуре, заставляя сотрудников работать из дома — даже с учетом дополнительных затрат на предоставление этим сотрудникам компьютеров, программного обеспечения, технической поддержки и т. д.Повышение производительности — еще одно неоспоримое преимущество: при исследовании одного хорошо управляемого офиса разговоры и другие офисные нормы отвлекали людей от работы в среднем на 70 минут за восьмичасовой рабочий день. Не менее важны и менее ощутимые результаты, такие как повышение удовлетворенности сотрудников, что приводит к улучшению отношения к обслуживанию клиентов. Тем не менее, альтернативное рабочее место подходит не для каждой компании или каждой работы. Как и многие другие тенденции управления бизнесом, эта требует осторожного применения.

Идея на практике

Заметная экономия средств за счет альтернативных рабочих мест заставляет некоторых лиц, принимающих решения, думать, что за этими механизмами будущее. Другие цепляются за представление о том, что офис компании по-прежнему является самым продуктивным местом для работы — кулер с водой и все такое. Некоторые менеджеры утверждают, что альтернативные рабочие места вредят сплоченности сотрудников, в то время как другие говорят: «Просто дайте им ноутбук и мобильный телефон, и все будет в порядке».

Как разобраться в мифах и заблуждениях, чтобы определить, подходит ли альтернативное рабочее место для вашей организации? Задайте себе эти семь вопросов:

1. Вы привержены новым методам работы? Например, вознаграждение за результаты, полученные на альтернативном рабочем месте, а не за усилия, затраченные в офисе?

2. Ваша организация является промышленной или информационной? Если ваша структура и системы предназначены для взаимодействия лицом к лицу, потенциал альтернативных рабочих мест может быть ограничен.

3. У вас открытая культура и инициативные менеджеры? Усилия не увенчаются успехом, если менеджеры не будут полны энтузиазма, знаний и готовы отказаться от традиций.

4. Можете ли вы установить четкие связи между персоналом, функциями и временем? Какую функцию выполняет задание? Как выполняется работа? Продумывание этих вопросов поможет определить рабочие места, которые можно заполнить через альтернативные рабочие места.

5. Готовы ли вы к «отталкиванию»? Некоторые менеджеры беспокоятся, когда их непосредственные подчиненные больше не находятся в непосредственной физической близости.

6. Можете ли вы преодолеть внешние барьеры? Определили ли вы, например, есть ли у большинства сотрудников дома комната для организации рабочего места?

7.Готовы ли вы инвестировать в инструменты и обучение, необходимые для успеха альтернативного рабочего места?

Если ваши ответы благоприятствуют альтернативному рабочему месту, запустите простой пилотный проект, а затем постепенно добавляйте людей, адаптируя программу с учетом отзывов сотрудников по мере продвижения. Начните с продаж, разработки проектов и других областей, где сотрудники в основном руководят собой. Разделите пилотную группу на работающих в офисе, путешествующих и независимых, а затем продумайте логистику того, как они будут работать друг с другом после того, как некоторые из них начнут работать дома.Тщательно продумайте, что вы будете делать, чтобы удаленные сотрудники по-прежнему чувствовали себя «в теме».

Наконец, позаботьтесь о том, чтобы менеджеры получали рекомендации по наблюдению за удаленными сотрудниками, чтобы сотрудники знали, каких результатов они должны достичь, и чтобы другие заинтересованные стороны, такие как клиенты, были полностью информированы.

20 сентября 1994 года около 32 000 сотрудников AT&T остались дома. Они не болели и не бастовали. Они работали удаленно. Сотрудники, начиная от генерального директора и заканчивая телефонными операторами, участвовали в эксперименте, в котором участвовало 100 000 человек.Это цель? Исследовать, как далеко может зайти крупная организация в преобразовании рабочего места, передав работу работнику, а не работнику работу.

Сегодня AT&T является лишь одной из многих организаций, впервые внедряющих альтернативное рабочее место (AW) — сочетание нетрадиционных методов работы, условий и местоположений, которое начинает дополнять традиционные офисы. Это не причуда. Хотя оценки сильно различаются, от 30 до 40 миллионов человек в Соединенных Штатах в настоящее время работают либо надомно, либо надомно.

Что побуждает менеджеров исследовать, как люди проводят свое время в офисе и где еще они могли бы работать? Самая очевидная причина — снижение себестоимости. С 1991 года AT&T высвободила около 550 миллионов долларов денежного потока — улучшение на 30 % — за счет ликвидации ненужных людям офисов, объединения других и сокращения связанных с ними накладных расходов. Благодаря программе AW под названием Mobility Initiative IBM ежегодно экономит более 100 миллионов долларов только в своем подразделении по продажам и дистрибуции в Северной Америке.

Другой причиной является возможность повышения производительности. Сотрудники на альтернативном рабочем месте, как правило, уделяют меньше времени и энергии обычной офисной рутине и больше — клиентам. В IBM опрос сотрудников, участвующих в инициативе Mobility Initiative, показал, что 87% считают, что их личная производительность и эффективность на работе значительно возросли.

Альтернативное рабочее место также может дать компаниям преимущество в борьбе и удержании талантливых, высокомотивированных сотрудников.Президент и главный операционный директор American Express Кеннет И. Шено говорит, что инициативы AmEx в области AW помогают компании удерживать опытных сотрудников, которые находят возможность работать из дома особенно привлекательной.

Наконец, программы AW начинают предлагать возможности для использования государственных стимулов и избежания дорогостоящих санкций. Многие сообщества смягчают правила зонирования, чтобы больше жителей могли создавать домашние офисы. Кроме того, компании соблюдают требования Закона о чистом воздухе и избегают крупных штрафов благодаря региональным стратегиям рабочих мест с обширными компонентами AW.Наконец, налоговые кодексы могут быть изменены, чтобы позволить большему количеству сотрудников вычитать расходы домашнего офиса.

Потенциальные преимущества очевидны. Но в то же время программы AW не для всех. Действительно, такие программы может быть трудно внедрить даже для тех организаций, которые лучше всего подходят для них. Укоренившееся поведение и практические препятствия трудно преодолеть. И проблемы управления как культурными изменениями, так и системными улучшениями, требуемыми инициативой AW, являются существенными.

Что высшее руководство должно думать о программах AW? Каковы критерии определения того, подходит ли альтернативное рабочее место для данной организации? Каковы наиболее распространенные подводные камни при реализации? Уроки, извлеченные менеджерами, которые успешно запустили такие программы, и теми, кто изо всех сил пытается это сделать, показывают, что лучше всего начать с четкого понимания множества форм, которые может принять альтернативное рабочее место.

Спектр вариантов

Различные компании используют различные вариации темы AW, чтобы адаптировать новые рабочие схемы к своим потребностям. Например, для одной компании создание альтернативного рабочего места может означать просто то, что некоторые работники работают в разных сменах или в разных графиках поездок, делят столы и офисные помещения. AT&T определила, что для некоторых групп сотрудников до шести человек могут использовать один и тот же стол и оборудование, ранее закрепленные за одним. В настоящее время в компании работает 14 000 сотрудников с общим рабочим столом.

Другой вариант — заменить традиционные личные кабинеты пространствами открытой планировки. В таких договоренностях компания обычно предоставляет комнаты для команд и рабочие места на открытых площадках. Услуги бесплатного адреса являются разновидностью этого формата. Как описывает их Джилл М. Джеймс, директор инициативы AT&T Creative Workplace Solutions: «Вас прикрепляют к одному объекту, но вы можете перемещаться и выбирать различные условия работы в течение дня. Вам не нужно входить в систему или размещать свою метку имени на определенном рабочем месте.И каждый может найти вас, потому что ваш телефон, пейджер и компьютер идут с вами».

Некоторые компании приняли концепцию «отелей». Как и в других вариантах совместного офиса, «гостиничные» рабочие места обставлены, оборудованы и поддерживаются типичными офисными услугами. У сотрудников могут быть мобильные кабинеты, картотеки или запирающиеся шкафчики для личного хранения; и компьютерная система направляет телефонные звонки и электронную почту по мере необходимости. Но «гостиничные» рабочие места резервируются по часам, дням или неделям, а не закрепляются за ними постоянно.Кроме того, «консьерж» может оказывать сотрудникам транспортную и материально-техническую поддержку. В наиболее продвинутом варианте рабочее пространство «гостиницы» настраивается с помощью личных фотографий и памятных вещей людей, которые хранятся в электронном виде, извлекаются и «размещаются» на рабочих столах посетителей непосредственно перед их прибытием, а затем удаляются, как только они уходят.

Дополнительные офисы — еще одна форма альтернативного рабочего места. Такие офисы разбивают большие централизованные объекты на сеть небольших рабочих мест, которые могут быть расположены рядом с клиентами или домами сотрудников.Сателлиты могут сэкономить компании до 50% расходов на недвижимость, диверсифицировать риск чрезмерной концентрации в одном месте и расширить круг потенциальных сотрудников. Некоторые из них представляют собой раковины — скудно обставленные и оснащенные только основными технологиями; другие полностью оборудованы и обслуживаются. Спутники обычно располагаются в сравнительно недорогих городах и пригородах. Чаще всего они имеют более простую и менее дорогую мебель и приспособления, чем их коллеги в центре города.

Удаленная работа — одна из наиболее широко признанных форм альтернативного рабочего места.Удаленная работа, то есть выполнение работы в электронном виде, где бы работник ни выбрал, обычно дополняет традиционное рабочее место, а не заменяет его. Однако в IBM удаленные сотрудники составляют целое бизнес-подразделение. А в PeopleSoft удаленная работа является доминирующим стилем работы во всей компании.

Генерал Деннис Дж. Реймер, начальник штаба армии США, дает убедительную информацию о том, что руководитель может делать удаленно. Реймер путешествует с ноутбуком и регулярно общается по электронной почте с 350 генералами и 150 командирами гарнизонов по всему миру.Используя веб-сеть под названием America’s Army On-line, которая также включает в себя внутренний чат, аналогичный тем, которые предлагаются коммерческими провайдерами, Реймер может поднимать проблемы со своими офицерами и получать советы по ключевым решениям, часто в течение нескольких часов. «Сеть позволяет мне работать продуктивно и быть в курсе того, что происходит, независимо от того, нахожусь ли я в Вашингтоне или за границей», — говорит Реймер. «Это не только экономит транспортные расходы, но и обеспечивает совместную командную работу, невзирая на организационные и географические границы по всему миру. Постепенно это меняет культуру с той, в которой «моя информация — сила», на культуру, в которой «обмен информацией — это сила».

Генерал армии США Реймер быстро получает онлайн-консультации от офицеров со всего мира.

Домашние офисы дополняют спектр возможностей AW. Компании сильно различаются в своих подходах к домашним офисам. Некоторые просто разрешают определенным сотрудникам работать дома по своему усмотрению и за свой счет. Другие, такие как AT&T, IBM и Lucent Technologies, предоставляют ноутбуки, выделенные телефонные линии, поддержку программного обеспечения, факс-принтеры, линии помощи и полную техническую поддержку на ближайшем корпоративном объекте.Одна крупная компания идет еще дальше, предоставляя сотрудникам, работающим дома, пособие в размере 1000 долларов на мебель и оборудование, которые они могут использовать по своему усмотрению.

Большинство организаций считают, что сочетание вариантов AW лучше универсального подхода. Действительно, сама концепция альтернативного рабочего места означает адаптацию программы к конкретным потребностям организации. Например, стратегия AT&T Creative Workplace Solutions сочетает в себе три варианта: общие офисы, удаленная работа и виртуальные офисы.Эти опции могут выполнять почти все офисные функции AT&T.

Подходит ли альтернативное рабочее место для вашей организации?

Первый шаг к тому, чтобы определить, подходят ли какие-либо или все из описанных мной вариантов AW для вашей организации, — это ответить на несколько основных вопросов.

Вы привержены новым способам работы?

Например, готовы ли вы пересмотреть показатели эффективности по мере необходимости, чтобы привести их в соответствие с новыми способами работы сотрудников? Готовы ли вы к культурному штопору, когда ваши сотрудники изучают новые способы связи друг с другом на расстоянии? Готовы ли вы изучить свою политику поощрения и вознаграждения в свете различных способов выполнения работы? Рассмотрим, что сказал Кевин Рири, менеджер по маркетингу IBM, об измерении производительности и поощрении в своем подразделении после того, как была запущена Инициатива мобильности: «Мы всегда вознаграждаем за результаты, но когда вы находитесь в традиционной офисной среде и видите усилия которые люди вкладывают в работу, очень трудно не вознаградить их хотя бы частично за эти усилия. Мы больше не склонны к этому. Мы гораздо больше ориентируемся на результат, чем на усилия. Но это трудный переход».

Является ли ваша организация информационной, а не промышленной?

Это различие относится к философии и стилю управления, а не к сектору экономики или клиентской базе. Industrial в этом контексте означает, что структура организации, системы и процессы управления предназначены для интенсивного личного взаимодействия и что сотрудники остаются привязанными к конкретным рабочим местам.В такой среде возможности организации AW ограничены.

Информационные организации, напротив, работают в основном посредством передачи голоса и данных, когда речь идет как о их сотрудниках, так и о их клиентах. Информационное, , как используется здесь, не обязательно означает высокотехнологичный. Но это означает, что менеджеры и сотрудники движутся вверх по кривой к грамотности информационного века, которая характеризуется гибкостью, неформальностью, способностью меняться при необходимости, уважением личного времени и приоритетов, а также стремлением использовать технологии для повышения производительности. .

До недавнего времени AT&T и IBM входили в число многих компаний, воспринимавшихся клиентами и аналитиками как промышленные организации; то есть они считались связанными традициями, формальными, бюрократическими и медленно изменяющимися. Как отметил бывший председатель AT&T Роберт Аллен в День удаленной работы компании в 1994 году: «Работа там, где телефон, и логично, что мы должны работать как телефонная организация. Однако, когда наша инициатива только начиналась, AT&T выглядела как устаревшая компания с фиксированным графиком, дорогим пространством и жесткой иерархией.Когда две компании запустили свои программы AW почти десять лет назад, топ-менеджеры уже начали позиционировать свои организации как информационные.

У вас открытая культура и инициативные менеджеры?

Динамичная, неиерархическая, технологически продвинутая организация с большей вероятностью успешно реализует программу AW, чем хорошо структурированная, управляемая командами. Вот почему так много новых и небольших компаний, особенно тех, которые активно участвуют в информационном бизнесе или электронной коммерции, используют методы AW с большим успехом и с небольшими трудностями при переходе. Тем не менее, как мы видели, даже организации, заботящиеся о традициях, могут использовать такие методы для устранения постоянных затрат и содействия повышению производительности. Ключевым моментом является то, открыты ли менеджеры всех уровней для изменений.

Ричард Карл Гольц, вице-председатель и финансовый директор American Express, комментирует: «Важно иметь многофункциональную команду старших менеджеров, продвигающую и поддерживающую инициативу виртуального офиса с самого начала. В нашей работе участвовали три отдела: HR, технологий и недвижимости.Члены команды должны быть полны энтузиазма и не должны быть скованы традиционными подходами. И они должны быть осведомлены обо всех ключевых вопросах — от способов переопределения корпоративной политики для решения различных типов проблем и возможностей до различных вариантов предоставления мебели или пособий сотрудникам. Тем не менее, я бы скептически отнесся к тому, будет ли управление с помощью фиата работать очень хорошо. Лучше иметь возможность сказать: «Вот вам возможность сделать свою работу лучше, эффективнее и экономичнее». Вам не обязательно использовать его, но он есть здесь». Я видел, как это происходит в других местах — и мы начинаем видеть это в наших собственных инициативах — так это то, что как только довольно большой отдел делает первый шаг, другие быстро следовать.”

Можете ли вы установить четкие связи между персоналом, функциями и временем?

Программы

AW предполагают, что определенные виды работ либо не зависят от конкретных местоположений и типов объектов, либо зависят от них только часть времени. Чтобы проанализировать, может ли программа AW работать в вашей компании, вы должны подробно понимать параметры каждой работы, которую вы рассматриваете для программы.Какую функцию выполняет работа? Работа выполняется по телефону? Лично? Через компьютер? Все вышеперечисленное? Сколько времени сотрудник должен проводить в прямом контакте с другими сотрудниками, клиентами и деловыми контактами? Является ли местоположение офиса критическим для производительности? Имеет ли значение работа с 9 до 5? Важно ли, чтобы другие могли немедленно связаться с сотрудником?

Руководителей, которые полагают, что альтернативное рабочее место подходит только разъездным бойцам из отдела продаж, может ждать сюрприз.

Если критическая масса корпоративных функций не может работать в среде AW, потенциальные выгоды могут быть слишком незначительными по сравнению с требуемыми инвестициями и усилиями. Но менеджеры, которые интуитивно предполагают, что инициатива AW ограничивается только дорожными воинами из отдела продаж, могут быть удивлены; часто больше рабочих мест подходят для другого способа работы, чем это кажется на первый взгляд возможным. Руководители Dun and Bradstreet, например, первоначально думали, что только 5% их глобальной рабочей силы могут быть вовлечены в программу AW, но узнали, что две пятых функций компании, в которых задействована половина их сотрудников, могут адаптироваться с помощью лишь незначительных корректировок в работе. практики.

Готовы ли вы к некоторому «отпору»?

Как отмечает Лоррейн Фентон, вице-президент по информационным технологиям IBM в Северной Америке, у большинства «двадцатилетних», поступающих на работу, никогда не было личного кабинета, поэтому начать свою трудовую жизнь без него — не травматическое изменение. Но для многих сотрудников переход с обычных рабочих мест на альтернативные дается не так просто. Сотрудникам, привыкшим к структурированной офисной среде, может быть трудно приспособиться к самостоятельному графику, а тем, кто привык работать в пределах слышимости многих коллег, может быть одиноко в удаленной обстановке.Более того, менеджеры среднего звена, которые теряют визуальную и вербальную близость к своим непосредственным подчиненным, должны изменить свое отношение к этим сотрудникам. На самом деле менеджеры среднего звена обычно оказывают сильнейшее сопротивление альтернативному месту работы, в значительной степени потому, что они чувствуют, что у них вырывают из-под ног самые основы их роли.

Можете ли вы преодолеть внешние барьеры на пути к программе AW?

Даже если работа подходит для формата AW и менеджеры и сотрудники одинаково поддаются изменениям, могут существовать физические и логистические барьеры.Если в домах сотрудников не хватает места — например, если многие сотрудники живут в небольших квартирах, — то инициатива AW, призывающая людей работать дома, может оказаться неосуществимой. Это ключевое соображение в городах США и в большинстве стран за рубежом. В Японии, например, в домах большинства сотрудников просто нет «подменных» помещений, которые можно было бы использовать в качестве офисных помещений; чтобы разместить там инициативу домашнего офиса, сотрудникам пришлось бы пожертвовать жилой площадью. Проведение фокус-групп сотрудников на этапах исследования и планирования инициативы AW может эффективно выявить такие проблемы.

Будете ли вы инвестировать в инструменты, обучение и методы, которые заставят инициативы AW работать?

Чтобы повысить шансы на успех программы AW, все участники должны быть вооружены полным набором инструментов; соответствующее обучение; и соответствующую, гибкую административную поддержку. Готовы ли вы, например, предоставить стандартизированное компьютерное программное обеспечение для людей, работающих во всех местах? Доступная, квалифицированная техническая помощь? Есть ли у вас финансовые ресурсы для обеспечения вышеперечисленного?

Слишком много программ AW осуществляется при частичной поддержке со стороны организации. Неизбежно возникают путаница и разочарование, не говоря уже о снижении производительности. Эти программы лишь незначительно успешны и в конечном итоге могут потерпеть неудачу. Когда сотрудник дома не может общаться с другими сотрудниками или клиентами, получать доступ к нужной информации или легко связаться со службой поддержки для решения технической проблемы, инициатива обречена на провал. Как говорит Джеймс из AT&T, «технология должна работать с самого начала. Когда вы просите людей отказаться от своего пространства и всего, что с ним связано, вы обязаны сделать так, чтобы системы были безупречны.Поскольку сотрудники мобильны, инструменты, которые они используют, являются их спасательным кругом. Без них не выжить».

Если вы ответили «да» на предыдущие вопросы, вы можете серьезно подумать о программе AW. Следующий шаг — углубиться в экономику инициатив AW.

Материальная и нематериальная экономика

Как я уже говорил ранее, основной причиной программ AW является сокращение текущих затрат и избежание будущих. Для устоявшихся организаций, которым не хватает денег, экономия за счет отказа от места и более эффективного использования того, что осталось, может превзойти необходимые инвестиции в оборудование и обучение.Для молодых организаций программа AW может дать менеджерам жизнеспособную альтернативу дорогостоящим долгосрочным обязательствам по аренде.

Но для типичного предприятия экономика альтернативного рабочего места более сложна, и решение о внедрении программы AW зависит от нематериальных активов в той же или большей степени, что и от простых финансов. Джером Т. Роат, менеджер IBM по расходам на инфраструктуру, говорит: «Очевидная экономия от снижения затрат на недвижимость может скрывать качественные улучшения в удовлетворенности сотрудников и обслуживании клиентов, которые менее измеримы, но не менее важны и в конечном итоге могут оправдать [AW ] программа.”

С другой стороны, Гольц из AmEx комментирует, как бизнес может думать о спутниковых локациях: «Вместо 2000 человек, сосредоточенных в одном месте, можно было бы рассмотреть 100 площадок по 20 человек в каждой по всей стране. Это может значительно сократить расходы на недвижимость. Но будут и другие критические вопросы, требующие решения. Например, будет ли компания предоставлять кафетерий и оздоровительный клуб или вместо этого предоставлять пособия, чтобы помочь людям оплачивать свои собственные услуги? И как координировать деятельность HR в рассредоточенной группе?»

Менеджеры должны рассматривать экономику потенциальной программы AW с трех точек зрения — компании, сотрудника и клиента — и сопоставлять материальные и нематериальные затраты с соответствующими выгодами.Ощутимые затраты компании на установку включают оборудование, программное обеспечение, обучение и любое оборудование или мебель, которые предоставляет компания; текущие расходы включают надбавки, расходы на телефонную связь и техническую поддержку. В домашних офисах сотрудники предоставляют собственное пространство и некоторую, если не всю мебель и оборудование. Нематериальные затраты компании и ее сотрудников включают время, потраченное на изучение новых привычек работы и способов общения с коллегами и клиентами.

Помимо экономии на недвижимости, организация выигрывает от повышения производительности труда, набора и удержания сотрудников — обычно потому, что у сотрудников AW больше профессионального и личного времени.Например, в одном подразделении AT&T средний участник AW выигрывал почти пять недель в год, избавляясь от 50-минутных ежедневных поездок на работу. Сотрудники в домашних офисах и других удаленных местах также могут быть более эффективными в течение рабочего дня, поскольку они меньше отвлекаются и меньше времени простоя. Как отмечает Джеймс из AT&T: «Когда у меня есть 30 минут между встречами, я могу загрузить свой диск и приступить к работе на месте». Удовлетворенность клиентов также повышается: поскольку клиенты привыкают к электронному общению с организацией, они могут быстрее связываться с сотрудниками и получать более непосредственное личное внимание.

Нематериальные преимущества включают более тесную командную работу и большую гибкость. Простое действие по сносу стен, разделяющих людей в традиционных частных офисах, часто способствует командной работе. Стивен М. Браззел, вице-президент AT&T по глобальной недвижимости, говорит: «Связь между отдельными лицами и группами осуществляется во многих формах, как физических, так и электронных. Те, кто работает в общих офисах, говорят нам: «Новая договоренность работает. Это действительно помогает нам общаться быстро и эффективно, потому что мы все вместе.’ Есть определенное улучшение в коммуникации, а коммуникация означает продуктивность». Более того, встречи на альтернативном рабочем месте занимают меньше времени, потому что участники лучше распоряжаются своим временем; они встречаются не только для обсуждения вопросов, но и для их решения.

Демонтаж стен, разделяющих людей в традиционных офисах, может способствовать командной работе.

Реймер из армии США подчеркивает важность нематериальных выгод в его широко рассредоточенной организации: «Самое большое преимущество, которое я обнаружил, заключается в том, что лидеры, находящиеся «далеко от флагштока» в таких местах, как Босния и Корея, имеют прямой доступ ко мне и к моей последней информации. мысли по многим вопросам.В свою очередь, я получаю обратную связь от полевой армии так же быстро, как и от своих сотрудников в Пентагоне. Это расширяет возможности нашей руководящей команды и позволяет армии говорить и действовать единым фронтом в быстро меняющихся ситуациях».

Важнейшим нематериальным преимуществом программы AW является то значение, которое сотрудники придают увеличению личного времени и контроля. Несмотря на то, что они, как правило, работают дольше и могут даже с трудом покидать свои домашние офисы, сотрудники AW находят обещание гибкости привлекательным, поэтому их легче нанимать и удерживать.Как говорит Реймер: «Теперь мы обучаем солдат, когда и где это необходимо. Это не только снижает затраты и повышает боеготовность, но также сокращает время, которое солдаты проводят вдали от дома и семьи — постоянно растущее бремя с учетом наших интенсивных тренировок и оперативных требований. Это помогает нам удерживать качественных солдат и их семьи».

На диаграмме «План креативного рабочего места AT&T» показана оценка одной компанией своих материальных экономических показателей. Ожидается, что в течение следующих пяти лет инициатива AT&T принесет ежегодную экономию почти 50 миллионов долларов, поскольку люди привыкнут к новому стилю работы и в полной мере воспользуются его преимуществами.Это станет существенным вкладом в достижение общей цели AT&T по сокращению ежегодных расходов на аренду на 200 миллионов долларов. План начинается с определения соотношения числа обитателей к рабочему пространству для каждого типа офиса, площади в квадратных футах и ​​стоимости на человека, а также ожидаемой экономии и окупаемости. Работники общих и виртуальных офисов используют от одной трети до одной десятой того объема корпоративного пространства, что и в традиционных офисах. Со временем эти изменения могут дать ежегодную экономию от 5000 до 10 000 долларов на человека. Для группы из 100 сотрудников, занимающих площадь стоимостью 24 доллара за квадратный фут, экономия составляет от 200 000 до 600 000 долларов, а окупаемость — от одного до трех лет.Джеймс из AT&T, автор плана, считает, что к 2003 году около 34 000 сотрудников — четверть от общего числа — могут быть размещены в условиях AW.

Опыт IBM в области альтернативных рабочих мест — еще один хороший пример хорошо сбалансированного соотношения затрат и выгод. IBM начала тестировать различные варианты AW в 1989 году, чтобы сократить расходы, связанные с недвижимостью, и изучить возможности использования технологий для поддержки продаж. Но к 1993 году прибыльность и конкурентоспособность компании снизились до такой степени, что потребовались более фундаментальные изменения в корпоративной стратегии.В этом контексте ранние пилотные проекты были преобразованы в основную инициативу в организации продаж и обслуживания в Северной Америке — инициативу, направленную на повышение скорости реагирования на запросы клиентов, снижение затрат и повышение производительности.

Ли А. Дейтон, вице-президент IBM по корпоративному развитию и недвижимости, вспоминает: «В основе этой инициативы лежали и остаются два принципа. Во-первых, мы хотим сократить время в пути наших сотрудников. Когда они путешествуют от одного клиента к другому или из офиса IBM к клиенту, они не продуктивны. Во-вторых, если сотрудники находятся дома или в офисе заказчика, мы хотим избавить их от необходимости ездить в офис IBM. И если они не собираются работать в офисе IBM, мы хотим избавиться от выделенного пространства со всеми его накладными расходами и услугами».

В настоящее время весь торговый персонал IBM в США может работать независимо от традиционного рабочего места. Более 12 500 сотрудников отказались от своих выделенных рабочих мест, а еще 13 000 могут работать мобильно. IBM также реализовала инициативы по обеспечению мобильности, охватив около 15 000 сотрудников в Азии, Европе и Латинской Америке.Таким образом, примерно 17% всего персонала IBM по всему миру достаточно оснащены и обучены для работы в форматах AW, а треть всех отделов компании имеет хотя бы несколько мобильных сотрудников.

Результаты? В 1992 г. мировые расходы на размещение и голосовые ИТ (то есть расходы на телефонную связь) составили 5,7 млрд долларов. К 1997 году общая сумма упала на 42% до 3,3 миллиарда долларов. За этот период экономия на недвижимости составила 1 миллиард долларов только благодаря инициативам в области мобильности. Еще более показательно то, что мировые затраты на человека снизились на 38% с 15 900 до 9 800 долларов, а совокупное отношение расходов на аренду и голосовые ИТ к доходам снизилось с 8.с 8% до 4,2% — улучшение на 52%. (См. диаграмму «Экономика мобильности в IBM North America» для разбивки этих показателей.)

Как отмечает Роат, IBM должна внимательно следить за оплатой услуг голосовой связи. Они по-прежнему невелики по сравнению с затратами на аренду и другими расходами на ИТ, но они могут резко возрасти по мере того, как все больше людей переходят на мобильные устройства. Тем не менее, Дейтон говорит: «Затраты на мобильность — ИТ-технологии, связь, беспроводная связь — снижаются, в то время как относительная стоимость недвижимости продолжает расти.

Dayton также отмечает, что ключом к успеху является оценка и управление инициативой с учетом конечной бизнес-цели: «Мы оправдали затраты на нашу программу, основываясь на сокращении расходов, в первую очередь на недвижимость. С самого начала мы позволили бизнес-менеджерам найти компромисс между сбережениями на недвижимость и инвестициями в технологии. И мы настаивали на том, чтобы экономить больше, чем мы тратили. Стоимость каждого ноутбука и сотового телефона, которые мы купили в рамках этой инициативы, была оправдана. Мы также представили ежегодную всемирную оценочную карту, в которой подсчитывались затраты и квадратные футы на человека.Система показателей применялась к отделам производства и разработки, а также к продажам и дистрибуции. Мы опубликовали результаты внутри компании, и, конечно же, никто не хотел быть последним».

Забегая вперед, Джон Ньютон, менеджер IBM по ИТ-планам и измерениям, полагает, что чрезвычайная экономия средств компании стабилизируется: «Основная краткосрочная проблема экономики мобильности заключается в том, что по мере того, как все больше людей переходят на мобильные устройства, нам по-прежнему нужна структура поддержки для их. Мы приближаемся к точке убывающей отдачи, потому что мы не можем вечно вытаскивать людей из офисов. Будет повышена производительность, но не будет снижена стоимость проживания».

В самом деле, можно ожидать, что любая организация, принявшая инициативу AW, достигнет нового плато — с более низкими фиксированными затратами, более высокой производительностью и большей удовлетворенностью сотрудников и клиентов, чем раньше. Но, перенаправляя часть сэкономленных средств на лучшее оборудование, техническую поддержку и даже корпоративный пикник, организация, получающая выгоду от инициатив AW, может получить дополнительные дивиденды в виде приверженности и лояльности сотрудников.

Реализация инициативы AW

Если экономика благоприятна, вам следует рассмотреть возможность реализации инициативы AW. Следующие рекомендации помогут вам наметить свой курс.

Начните с пилотного проекта и не усложняйте его.

Программа AW может быть разработана либо для пилотного тестирования, либо для полной реализации. Выбор будет зависеть от многих факторов. Если компания истекает кровью, то полномасштабное развертывание имеет смысл: необходимость радикальных изменений для снижения затрат будет ясно и повсеместно понятна. А если компания уже информационная, с большим количеством командированных и самостоятельных работников, то риск провала при полной реализации невысок. Однако для большинства организаций программа AW включает в себя так много инноваций и отклонений от глубоко укоренившихся норм, что поэтапный экспериментальный подход необходим для проверки того, что приемлемо, и изменения того, что неприемлемо. Поскольку это не «обычный бизнес», для обеспечения успеха потребуются дополнительное время и внимание руководства, талантливый персонал, опытные консультанты и некоторые расходы.

Поэтапный подход к программе AW необходим для проверки приемлемости.

Рекомендуется начать с очевидных функций, таких как личные продажи, телемаркетинг, проектирование и консультирование, в которых люди уже работают со своими клиентами по телефону или на территории клиентов. Такие сотрудники в значительной степени самостоятельны, и им нужны только их телефоны и ноутбуки для работы на альтернативном рабочем месте. Их вклад может сыграть решающую роль в обеспечении успеха проекта.На самом деле Дейтон из IBM приписывает большую часть успеха инициативы своей компании тому факту, что она была предпринята снизу вверх. «Мы давали указания сверху о наших целях, — объясняет он, — но мы углубились в организацию, чтобы заставить программу работать. Планировать его помогали люди относительно низкого уровня, а реализовывало местное руководство. Мы призвали их экспериментировать. Это была инициатива сверстников для людей, которые должны были пострадать».

Дэвид Хаус (David House), президент по международным услугам в American Express, в 1993 году начал инициативу по созданию альтернативных рабочих мест с пилотного проекта для 300 представителей по продажам и обслуживанию клиентов в 85 отделениях на местах по всей территории Соединенных Штатов.К 1995 году требовалось всего 7 офисов, участники были полны энтузиазма, а уровень удовлетворенности клиентов повысился. Основываясь на этом успехе, в штаб-квартире в Нью-Йорке был запущен второй пилотный проект — гораздо более сложная задача. Алан Хабер, директор проекта AmEx, говорит: «Экономия от программы виртуального офиса намного больше в штаб-квартире, чем в полевых офисах, потому что у нас здесь так много инфраструктуры и административной поддержки. Но есть и большее сопротивление виртуальным офисам.Многие люди любят приходить в это здание и не хотят от него отказываться».

В зарубежных операциях пилотные проекты могут быть особенно ценными, поскольку они дают компании свободу экспериментировать в среде, в которой культурные и физические различия могут быть глубокими. Например, упреждающий подход, который работает в Соединенных Штатах, может быть контрпродуктивным или откровенно разрушительным за границей. Концепцию AW лучше всего развивать в небольших ситуациях, когда местное руководство полно энтузиазма, сотрудники готовы к инновациям, а рабочая среда способствует изменениям.

Сегментируйте рабочую силу, которую вы рассматриваете для альтернативного рабочего места, и оцените логистику предлагаемого нового соглашения.

Независимо от того, разрабатываете ли вы пилотный проект или внедряете полную программу, первым шагом будет разделение целевых сотрудников на три сегмента, которые определяют их связи с рабочим местом: работающие в офисе, путешествующие и независимые. Работников лучше всего группировать по должностям, а не по отдельным лицам, и рабочие места следует анализировать настолько подробно, насколько позволяют данные.Выяснение логистики того, как сотрудники будут работать вместе, когда они больше не привязаны к традиционным условиям, является более простой задачей, если у вас есть четкое представление о том, что они делают в настоящее время, как и когда они это делают. К каждому сегменту могут применяться различные форматы AW, поэтому чем точнее будет этот анализ, тем проще будет разработать соответствующую программу. Критерии, приведенные ниже, представляют собой не жесткие определения, а рекомендации, которые каждая организация должна адаптировать к своей ситуации.

Работающие в офисе Сотрудники проводят почти все свое время в одном фиксированном назначенном месте независимо от того, работают ли они в одиночку или в составе группы. Их рабочее место обычно состоит из личных кабинетов, рабочих станций или «кубов» и конференц-залов. Чем больше эти пространства сгруппированы, тем больше происходит командного взаимодействия, но тем сложнее обеспечить конфиденциальность отдельных лиц. Для работающих в офисе сотрудников совместное использование рабочего стола может применяться при работе в несколько смен, когда характер работы предсказуем. Например, два или три человека могут быть назначены в один и тот же офис или рабочее место во время ежедневных смен при круглосуточной работе, или до шести человек могут использовать одно и то же помещение в разные дни недели.

В командировках Сотрудники тратят не менее половины своего времени на посещение объектов за пределами назначенных мест, обычно в связи с транзакциями и проектами. На самом деле их эффективность во многом зависит от их способности проводить как можно больше времени вне офиса, либо с клиентами (для тех, кто занимается продажами и консалтингом), либо во время работы над проектами (для аудиторов и инженеров). Технологии могут почти полностью освободить этих путешественников от назначенных им рабочих мест, потому что им нужно время лицом к лицу с клиентами и коллегами.

Независимые сотрудники могут установить в любом месте и в любое время компьютер, модем и телефонную линию. В отличие от двух других сегментов, этим сотрудникам не нужно физически присутствовать в определенных местах. Они не зависят от прямого контакта с клиентами или коллегами, поэтому им не нужны выделенные, заранее выделенные рабочие места. Писатели, консультанты и ученые — традиционные примеры независимых работников. Однако сегодня люди, выполняющие многие функции, могут работать независимо, даже если они являются членами крупных взаимозависимых предприятий.Такие люди часто предпочитают домашний офис, чтобы их не отвлекали; быть рядом со своими семьями; и чтобы исключить время, расходы и стресс, связанные с поездками на работу. Независимые работники также пользуются свободой обустраивать свое рабочее пространство в соответствии со своими личными вкусами — возможность, недоступная в большинстве корпоративных сред, где стандартная планировка и стандартная обстановка являются нормой.

Убедитесь, что менеджеры и сотрудники четко понимают как цели производительности, так и то, как будет измеряться производительность.

В традиционном офисе проверка повседневного прогресса сотрудников и изменение хода их работы — относительно простой процесс. Но мониторинг производительности людей, которых вы не видите, — это совсем другое. Работнику слишком легко упасть на какое-то время без ведома своего руководителя. Постановка четких целей с самого начала и согласование способов отслеживания прогресса и измерения производительности имеют решающее значение для успеха любого предприятия AW. Как говорит Карен Сансоне, директор по альтернативным решениям для рабочих мест в Lucent Technologies, «вы должны приступить к основам.Есть ли результат? Как узнать, сделал ли сотрудник или отдел что-то ценное? Для некоторых типов сотрудников производительность четко измерима. Для других это не так. Рассматривая различные группы для удаленной работы, менеджеры понимают, что им необходимо как улучшить свое понимание того, что делают их люди, так и сосредоточиться на производительности. Удаленная работа заставляет менеджеров серьезно задумываться о целях и результатах каждой работы».

Следить за работой людей, которых вы не видите, непросто.Ставьте перед собой четкие цели с самого начала, иначе ваши сотрудники могут провалиться.

После того, как цели и меры установлены, задача управления становится адаптацией к новому стилю работы. Сансоне продолжает: «Удаленное управление — это совсем другая форма общения. Например, если сотрудник на традиционном рабочем месте испытывает трудности с достижением цели, он или она может зайти в кабинет менеджера и сказать: «У меня проблема. Мне нужна твоя помощь». Или, как менеджер, вы бы все равно связывались с ними.В виртуальном офисе люди учатся разным методам. В обычных офисах сотрудники иногда ждут у дверей, чтобы поймать своего начальника для быстрой встречи. Это пустая трата времени, с которой вы не встретитесь в виртуальном офисе. Более того, менеджер виртуального офиса и сотрудник устанавливают повестку дня для своих разговоров, чтобы оба были лучше подготовлены».

Сансоне и другие менеджеры согласны с тем, что некоторый прямой контакт необходим на альтернативном рабочем месте. «Оценка производительности и пересмотр заработной платы должны проводиться лично», — говорит Сансоне.«Очень большая часть влияния менеджеров обусловлена ​​чувствительностью к индивидуальным реакциям и способностью оценивать язык тела, а также слова — реакции, которые просто невозможно интерпретировать по телефону или по электронной почте».

Менеджеры в среде AW, особенно в среде, в которой сотрудники работают удаленно, также должны уделять пристальное внимание тайм-менеджменту. Когда сотрудники находятся в офисе только один раз в неделю или несколько раз в месяц, очень важно, чтобы их время не было потрачено впустую. В обычном офисе изменение времени или дня встречи в последнюю минуту может быть неудобно для сотрудников; в виртуальном офисе это может нарушить их рабочие планы на весь день, а то и похуже.

Не менее важны отношения со сверстниками — столь важные для любой карьеры, — которые автоматически процветают в обычном офисе, но могут атрофироваться на альтернативном рабочем месте. Джоэл В. Рэйткин, директор программы виртуальных офисов в American Express, описывает дилемму сотрудника: «Для менеджера вполне естественно схватить любого, кто сидит в офисе, чтобы потушить пожар. Удаленный работник может быть даже более эффективным, потому что он может быть более сосредоточенным и может посвятить проблеме больше часов.Но чтобы этот человек возглавил команду или стал ее частью, менеджер должен подумать о том, чтобы связаться с ним». В одном из подразделений AmEx используется система друзей, в которой у удаленных работников есть коллеги на месте, с которыми они должны разговаривать каждое утро. То, о чем говорят сотрудники, зависит от них. Идея состоит в том, чтобы держать удаленного работника в курсе, поощряя неформальные беседы о новых клиентах, идеях о продуктах, смене работы, офисных политиках — те самые темы, которые привлекают людей у ​​кулера с водой в обычном офисе.

Тренируйтесь не только в технике, но и в культуре.

Так много нового и необычного в альтернативном рабочем месте, что менеджеры должны заново обучать людей тому, что раньше было интуитивным аспектом офисной жизни: когда они должны работать, как часто они должны общаться, говорить или печатать, и что говорить, когда они делать. С раннего возраста мы учимся жить в организациях в определенных местах. На альтернативном рабочем месте мы должны научиться быть в организации и вне ее; в то же время мы должны различать нашу работу и семейную жизнь, пока мы дома.Сообразительные лидеры понимают, что организационная культура не может быть само собой разумеющейся на альтернативном рабочем месте, потому что люди физически не собираются вместе, чтобы ее создать. Но на практике создать или поддерживать офисную культуру в определенных форматах AW непросто — например, когда менеджеры и люди, которыми они руководят, редко встречаются лицом к лицу. Нелегко также понять, в какой степени или в малой мере руководитель должен помогать сотрудникам сбалансировать границы между работой и семейной жизнью.

На альтернативном рабочем месте менеджеры и сотрудники должны научиться быть в и в организации, не будучи в в ней.

Merrill Lynch управляет лабораторией дистанционной работы, чтобы акклиматизировать кандидатов для альтернативного рабочего места, прежде чем они официально перейдут на новый стиль работы. После обширного предварительного отбора сотрудники проводят две недели на работе в моделируемом домашнем офисе. Установившись в большом помещении с рабочими станциями в обычном офисном здании, потенциальные удаленные работники общаются со своими менеджерами, клиентами и коллегами исключительно по телефону и электронной почте. Если им не нравится такой способ работы, они могут бросить учебу и вернуться на свое обычное рабочее место.На сегодняшний день около 400 человек успешно перешли из лаборатории моделирования в свои собственные домашние офисы. Лаборатория оказалась жизнеспособным способом минимизировать риски размещения людей на альтернативных рабочих местах.

Все организации, которые я упомянул, разработали обширные учебные материалы и методы, соответствующие их конкретным потребностям и ситуациям. Джеймс из AT&T подчеркивает основы курса «обучения выживанию»: как мне зарезервировать рабочее место? Как подключить телефон и пейджер? Как получить доступ к базе данных? Эти компании также используют ритуалы для обучения новым нормам участников AW, особенно тех, кто будет работать из дома.Ритуалы Lucent включают в себя такие простые задачи, как написание списков дел, одевание для работы, прощальный поцелуй иждивенцев при «уходе» в офис в начале рабочего дня, затем уборка стола, переадресация звонков, закрытие компьютер и смотреть вечерние новости в конце дня. Эти ритуалы заменяют традиционные офисные будни, такие как утренние разговоры, перерывы на кофе и даже саму поездку на работу. Они также создают перерывы между домом и работой, что помогает поддерживать баланс.Сансоне из Lucent, работающая полный рабочий день «домашним офицером», считает, что такие ритуалы крайне важны для удаленных сотрудников, поскольку они связывают традиции обычного офиса с новыми реалиями домашнего офиса.

Точно так же сотрудники AW адаптируются к «телеработе», создавая ритуалы, соответствующие их новому графику. В одном из офисов Lucent по средам утром открылся клуб пончиков, куда продавцы виртуального офиса заглядывают поболтать за чашечкой кофе. Раньше они неформально встречались у кулера с водой, чтобы обсудить особенно выгодные продажи или проблемы с клиентами.Теперь, по словам Сансоне, они заранее думают о том, чем они хотят поделиться с группой, и о том, какая обратная связь им нужна. Джеймс из AT&T спроектировал кафе в одном из пунктов приема клиентов, чтобы поощрять «случайные столкновения»: те спонтанные встречи, которые происходят там, где люди собираются и общаются. «У нас также есть стулья с мягкой обивкой и откидными столиками, которые кладут вам на колени, чтобы вы могли работать за ними», — говорит она. «Это другая среда — как снова в колледже».

Обучайте клиентов и другие заинтересованные стороны.

Не ожидайте, что клиенты, поставщики и другие заинтересованные стороны сразу поймут вашу новую систему работы. Точно так же, как сотрудникам нужно время, чтобы набраться сил, вашим внешним партнерам тоже нужно время. Им должна быть предоставлена ​​информация и время для адаптации. Поэтому, прежде чем запускать инициативу AW, сообщите клиентам и другим заинтересованным сторонам, что происходит. Объясните, как новый способ работы может повлиять на их контакты с организацией, подчеркните преимущества, которые они получат от изменений, и проявите терпение.

Дэвид Рассел, представитель IBM по маркетингу клиентов, говорит, что его клиентам потребовалось некоторое время, чтобы приспособиться, но отмечает, что теперь общение стало более эффективным, чем когда-либо: «Я не так много бываю в офисе, поэтому мне труднее связаться с мне лично сразу. Поначалу, я думаю, клиентов это расстраивало. Но теперь они понимают, что я всегда на расстоянии нескольких минут от голосовой почты и что я могу довольно быстро перезванивать. Многие из них находятся в подобных ситуациях; поэтому мы гораздо больше общаемся с помощью голосовой почты.И люди усвоили, что если они не связываются со мной лично, они должны оставить очень конкретное сообщение о характере своего звонка, чтобы я мог немедленно начать удовлетворять их потребности, а не играть в телефонные звонки».

Следите за тем, как участники совмещают свою работу с домашней жизнью.

Если одной из ключевых причин, по которой вы внедряете программу AW, является привлечение и удержание сотрудников, которые принесут наибольшую пользу вашей организации, вы должны убедиться, что они способны совмещать свою работу и личную жизнь.Для этого требуется большая честность с обеих сторон. В значительной степени решение заключается в способности сотрудника провести границу между работой и домом и быть уверенным, что эта линия находится в нужном месте.

Сотрудники

AW должны провести четкую грань между своей домашней и рабочей жизнью и быть уверенными, что эта грань находится в правильном месте.

Два вопроса из опроса сотрудников AW, проведенного IBM: «Насколько хорошо вы совмещаете свою рабочую нагрузку и личную жизнь?» и «Создает ли компания среду, которая позволяет вам это делать?» Как говорит Брэд Гири, специалист по продажам IBM techline: «Даже если компания поддерживает такую ​​среду, реальный вопрос заключается в том, насколько хорошо вы делаете? Один из моих товарищей по команде находится в Сан-Диего, и в обеденный перерыв он бегает по пляжу.Но он чувствует вину за то, что развлекается в это время дня. Компания может подчеркнуть сообщение о том, что до тех пор, пока это компенсируется каким-то другим образом и вы все еще достигаете своих целей, все в порядке. Но сотрудник должен в это поверить».

Джеффри Хилл, руководитель проекта IBM Global Employee Research, согласен с тем, что ответственность лежит как на компании, так и на отдельных лицах. Хилл живет в Логане, штат Юта, и работает удаленно с внутренними клиентами по всей стране.Он отчитывается перед руководителем в Нью-Йорке, с которым видится всего несколько раз в год. Он говорит: «Речь идет об изменении мышления. Когда я читаю письменные комментарии к опросам сотрудников, те, кто добился успеха в мобильности, действительно воодушевлены тем, что «тренируют футбольную команду моей дочери в 3:30 дня» или «завтракают с семьей впервые за 15 лет». лет в IBM.» Но есть и другие, которые говорят: «Я всегда на работе. У меня есть электронный поводок. Я никогда не свободен».

Что можно сделать в корпоративной культуре, чтобы поддерживать здоровый баланс? «Мы получаем много советов, что нам не следует подчеркивать привычку Лу Герстнера каждый вечер приносить домой чемоданы с работой», — шутит Хилл.Но, как он указывает, истинное решение заключается в постоянных усилиях как сотрудника, так и компании постоянно предлагать положительное подкрепление, до и после того момента, когда обе стороны будут довольны новой организацией работы.

Сегодня организации стоят на пороге новых рубежей: альтернативное рабочее место предлагает широкие возможности для пользы как отдельного человека, так и предприятия. Но за одной границей лежит другая — то, что можно назвать парадоксом мобильности .Дейтон из IBM объясняет: «Мы говорим о мобильности, но следующий рубеж — отсутствие мобильности. Альтернативное рабочее место и все технологии, которые его обеспечивают, меняют способ совместной работы людей». Действительно, мы переходим от эпохи, в которой люди ищут связи друг с другом, к эпохе, в которой людям придется решать, когда и где отключаться — как в электронном, так и в социальном плане. Организации, реализующие инициативы AW, особенно те, у которых есть домашний офис, должны помнить об этом парадоксе.