Что стараются сделать конструкторы для увеличения коэффициента полезного действия механизма
Полезной называется работа по подъёму грузов или преодолению какого-либо сопротивления.
Затраченной (полной) называется работа, совершённая приложенной силой.
Примеры полной и полезной работы
- полезная работа равна работе по подъему ведра яблок на высоту \(h\);
- затраченная работа равна произведению приложенной силы на длину вытравленной веревки.
- полезная работа равна работе по подъему бочки на высоту \(h\);
- затраченная работа равна произведению приложенной силы на длину наклонной плоскости.
Затраченная работа равна сумме:
- полезной работы;
- работы против силы трения в различных частях механизма;
- работы по перемещению различных составных элементов механизма.
п.2. КПД механизма
Коэффициент полезного действия механизма – это отношение его полезной работы к затраченной работе. $$ \eta=\frac>>\cdot 100\text $$
Поскольку в реальных механизмах всегда \(A_\text\lt A_\text\), $$ \frac
Следовательно КПД реальных механизмов \(\eta\lt 100\text\).
Только в идеальном механизме, в котором нет потерь на трение, и все составные элементы не имеют веса, \(A_\text=A_\text\) и \(\eta=100\text\).
КПД никогда не может быть выше \(100\text\).
КПД реальных механизмов можно увеличить за счет снижения трение в подвижных узлах и уменьшения веса всех составных элементов конструкции.
Для этого нужны новые смазочные вещества и лёгкие, но прочные конструкционные материалы.
п.3. Задачи
Задача 1. По наклонной плоскости поднимают груз массой 50 кг, прикладывая к нему силу 250 Н, направленную вдоль плоскости. Чему равен КПД плоскости, если её длина 10 м, а высота 3 м?
Полезная работа по подъему груза \begin A_\text=mgh. \end Затраченная работа на перемещение груза вдоль наклонной плоскости \begin A_\text=FL. \end КПД плоскости: \begin \eta=\frac
Задача 2. С помощью подвижного блока поднимают груз массой 200 кг, прикладывая силу 1200 Н. Чему равен КПД блока?
Полезная работа по подъему груза на высоту \(h\): \begin A_\text=mgh. \end Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза и проигрыш в расстоянии. Т.е. при работе нужно вытянуть трос длиной \(2h\). Затраченная работа: \begin A_\text=F\cdot 2h. \end КПД блока \begin \eta=\frac
Задача 3. Груз массой 245 кг с помощью рычага равномерно подняли на высоту 6 см. При этом к длинному плечу рычага была приложена сила 500 Н, а точка приложения силы опустилась на 30 см. Найдите КПД рычага.
Полезная работа по подъему груза на высоту \(h_2\): \begin A_\text=mgh_2. \end Затраченная работа по опусканию длинного плеча рычага: \begin A_\text=F_1h_1. \end КПД рычага \begin \eta=\frac
Задача 4. Чему равен КПД гидравлической машины, если для равномерного подъема груза массой 1,2 т к меньшему поршню прикладывают силу 160 Н? Площади поршней равны 5 см 2 и 500 см 2 .
При опускании малого поршня на высоту \(h_1\) из малого в большой цилиндр вытекает объем жидкости равный $$ V=S_1h_1=S_2h_2\Rightarrow \frac=\frac $$ Полезная работа по подъему груза на высоту \(h_2\): \begin A_\text=mgh_2. \end Затраченная работа по опусканию поршня малого цилиндра: \begin A_\text=F_1h_1. \end КПД гидравлической машины \begin \eta=\frac
Задача 5*. Груз массой 12 кг поднимают с помощью подвижного блока массой 3 кг. Чему равен КПД блока?
Полезная работа по подъему груза на высоту \(h\): \begin A_\text=Mgh. \end Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза. Поэтому достаточно приложить силу, равную половине суммы весов груза и блока: \begin F=\frac 12(M+m)g \end При этом будет проигрыш в расстоянии. Потребуется вытянуть трос длиной \(2h\). Затраченная работа, приложенная к тросу: \begin A_\text=F\cdot 2h=\frac 12(M+m)g\cdot 2h=(M+m)gh. \end КПД подвижного блока \begin \eta=\frac
Задача 6. Сколько воды можно поднять из колодца глубиной 36 м за 1 ч, если мощность электродвигателя равна 5 кВт, КПД всей установки равно 70%?
Дано:
\(N=5\ \text=5\cdot 10^3\ \text\)
\(\eta=70\text=0,7\)
\(h=36\ \text\)
\(t=1\ \text=3600\ \text\)
\(g\approx 10\ \text^2\)
__________________
\(m-?\)
Полезная работа по подъему груза на высоту \(h\): \begin A_\text=Mgh. \end Затраченная работа электродвигателя: \begin A_\text=Nt. \end КПД установки \begin \eta=\frac
Задача 7*. КПД подвижного блока при подъеме первого груза равен 80%, а при подъеме второго груза – 90%. Масса какого груза больше и во сколько раз? Трением в блоке можно пренебречь.
Дано:
\(\eta_1=80\text=0,8\)
\(\eta_2=90\text=0,9\)
__________________
\(\frac-?\)
КПД подвижного блока массой \(m\), с помощью которого поднимают груз массой \(M\) \begin \eta=\frac \end (см. Задачу 5 выше). Масса груза \begin \eta(M+m)=M\Rightarrow \eta m=(1-\eta)M\Rightarrow M=\fracm \end Получаем: \begin M_1=\fracm=4m,\\[6pt] M_2=\fracm=9m \end Масса второго груза больше.
Отношение масс \begin \frac=\frac=2,25\ (\text) \end Ответ: масса второго груза больше в 2,25 раз
п.4. Лабораторная работа №13. Определение КПД наклонной плоскости
Цель работы
Научиться проводить измерения и рассчитывать КПД простого механизма на примере наклонной плоскости. Исследовать зависимость КПД наклонной плоскости от высоты.
Теоретические сведения
Работа по подъему тела весом \(P\) вертикально на высоту \(h\) (из точки C в точку B): $$ A_\text=Ph $$
Работа по перемещению того же тела силой \(F\), направленной вдоль наклонной плоскости длиной \(L\) (из точки A в точку B): $$ A_\text=FL $$
В обоих случаях тело перемещается с нулевого уровня AC, где \(h_0=0\), на уровень с высотой \(h\) в точку B. Работа сторонних сил в этом случае равна изменению потенциальной энергии тела: $$ A=A_\text=A_\text=\Delta E_p $$
Получаем уравнение для идеальной наклонной плоскости (без трения): $$ Ph=FL $$
При наличии трения получаем неравенство: $$ Ph\lt FL $$
Полезная и затраченная работа для наклонной плоскости: $$ A_\text=Ph,\ \ A_\text=FL $$
КПД наклонной плоскости: $$ \eta=\frac>>\cdot 100\text=\frac\cdot 100\text $$
Затраченная работа равна сумме полезной работы и работы по преодолению силы трения: $$ A_\text=A_\text+F_\textL $$
Откуда сила трения равна: $$ F_\text=\frac-A_\text>=\frac=F-P\frac hL $$
Вес \(P\) и сила \(F\) определяются в работе с помощью динамометра с ценой деления \(d=0,1\ \text\).
Абсолютная погрешность прямых измерений $$ \Delta_F=\Delta_P=\frac d2=0,05\ \text. $$
Сила \(F\) определяется в серии из пяти опытов с вычислением средних величин.
Высота наклонной плоскости \(h\) и длина наклонной плоскости \(L\) определяются с помощью мерной ленты с ценой деления \(d=5\ \text\). Абсолютная погрешность \(\Delta_L=2,5\ \text\).
Относительные погрешности измерений вычисляются как обычно.
Относительная погрешность расчета КПД: $$ \delta_\eta=\delta_F+\delta_P+\delta_h+\delta_L $$
Абсолютная погрешность расчета КПД: $$ \Delta_\eta=\eta\cdot \delta_\eta $$
Приборы и материалы
Доска длиной от 70 см, штатив с муфтой и лапкой, брусок массой не менее 300 г, мерная лента, динамометр.
Ход работы
1. Измерьте мерной лентой длину доски \(L\).
2. Определите вес бруска \(P\) с помощью динамометра.
3. Соберите наклонную плоскость: закрепите один конец доски в лапке штатива на высоте около \(h=\frac L3.\)
4. Положите брусок на наклонную плоскость, прикрепите к нему динамометр и равномерно тяните по наклонной плоскости. Следите, чтобы динамометр располагался параллельно наклонной плоскости. Запишите измеренное значение \(F\). Повторите измерение \(F\) в серии из пяти опытов.
5. Соберите новую наклонную плоскость: закрепите один конец доски в лапке штатива на высоте около \(h=\frac L4\). Перейдите на шаг 4 и повторите серию опытов для определения \(F\).
6. Рассчитайте КПД для двух исследованных наклонных плоскостей. Найдите относительные и абсолютные погрешности расчетов КПД.
7. Для каждой из наклонных плоскостей укажите величину полезной и затраченной работы, найдите силу трения.
8. Сделайте выводы о зависимости силы трения и КПД от высоты наклонной плоскости.
Результаты измерений и вычислений
Длина наклонной плоскости (доски) \begin L=80\ \text=800\ \text,\\[7pt] \Delta_L=2,5\ \text,\\[6pt] \delta_L=\frac=\frac\approx 0,0031=0,31\text \end
Вес бруска \begin P=4,4\ \text,\\[7pt] \Delta_P=0,05\ \text,\\[6pt] \delta_P=\frac=\frac\approx 0,0011=1,1\text \end
1. Наклонная плоскость высотой \(h=27\ \text\)
Высота наклонной плоскости \begin h=27\ \text=270\ \text,\\[7pt] \Delta_h=2,5\ \text,\\[6pt] \delta_h=\frac=\frac\approx 0,0093=0,93\text \end
Определение силы тяги \(F\) в серии опытов
| № опыта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Сумма |
| $$ F,\ H $$ | 2,9 | 2,8 | 3,0 | 2,7 | 2,8 | 14,2 |
| $$ \Delta_F,\ H $$ | 0,06 | 0,04 | 0,16 | 0,14 | 0,04 | 0,44 |
Полезная работа: $$ A_\text=Ph=4,4\cdot 0,27=1,188\ (\text) $$
Затраченная работа: $$ A_\text=FL=2,84\cdot 0,8=2,272\ (\text) $$
Сила трения: $$ F_\text=F-P\frac hL=2,84-4,4\cdot \frac\approx 1,36\ (\text) $$
Погрешности расчета КПД: $$ \delta_\eta=\delta_F+\delta_P+\delta_h+\delta_L=0,032+0,011+0,0093+0,0031=0,0554\approx 0,056=5,6\text $$
При расчете \(\delta_\eta\) использовали округление с избытком. $$ \Delta_\eta=0,523\cdot 0,056\approx 0,029=2,9\text $$
Окончательно получаем: $$ \eta=(52,3\pm 2,9)\text,\ \ \delta_\eta=5,6\text $$
2. Наклонная плоскость высотой \(h=20\ \text\)
Высота наклонной плоскости \begin h=20\ \text=200\ \text,\\[7pt] \Delta_h=2,5\ \text,\\[6pt] \delta_h=\frac=\frac\approx 0,013=1,3\text \end
Определение силы тяги \(F\) в серии опытов
| № опыта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Сумма |
| $$ F,\ H $$ | 2,4 | 2,6 | 2,5 | 2,6 | 2,5 | 12,6 |
| $$ \Delta_F,\ H $$ | 0,12 | 0,08 | 0,02 | 0,08 | 0,02 | 0,32 |
Полезная работа: $$ A_\text=Ph=4,4\cdot 0,2=0,88\ (\text) $$
Затраченная работа: $$ A_\text=FL=2,52\cdot 0,8=2,016\ (\text) $$
Сила трения: $$ F_\text=F-P\frac hL=2,52-4,4\cdot \frac\approx 1,42\ (\text) $$
Погрешности расчета КПД: $$ \delta_\eta=\delta_F+\delta_P+\delta_h+\delta_L=0,024+0,011+0,013+0,0031=0,0511\approx 0,052=5,2\text $$
При расчете \(\delta_\eta\) использовали округление с избытком. $$ \Delta_\eta=0,437\cdot 0,052\approx 0,023=2,3\text $$
Окончательно получаем: $$ \eta=(43,7\pm 2,3)\text,\ \ \delta_\eta=5,2\text $$
Выводы
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.
В работе проводился расчет КПД наклонной плоскости постоянной длины, но разной высоты.
Повысить КПД двигателя (т. е. форсировать) можно по следующим параметрам:
Повышение механического КПД:
- снижением массы возвратно-поступательно движущихся деталей поршня, пальца, шатуна;
- снижение трения в контакте «цилиндр – поршень - кольцо» ;
- уменьшением числа поршневых колец, снижением их толщины;
Повышение термического КПД:
- увеличение степени сжатия;
- повышение температуры двигателя;
Задачи разноплановые, но наиболее полно всем этим требованиям отвечает увеличение объема двигателя с использованием специально подготовленных кованых поршней. В отличие от серийных, у кованных имеется ряд преимуществ: выше механическая надежность, меньше удельный вес. При всем этом, не смотря на относительно малый вес при сборке, поршневая группа дорабатывается для снижения веса: облегчается юбка, снимаются излишки металла на бобышках пальцев, дорабатывается форма днища поршня. Возможно облегчение и других деталей кривошипно-шатунного механизма и маховика. Очень удачным средством поднятия мощности является доработка головки блока цилиндров. Это тривиальный путь форсирования мотора, известный с начала века, но сравнительно мало применяемый из-за большой трудоемкости работ.
Прежде всего, требуется доработка впускных и выпускных каналов. Это необходимо для улучшения наполнения цилиндров за счет снижения потерь. При этом необходимо учесть, что смесь газов в каналах движется со звуковыми скоростями (отсюда шум впуска и выпуска) . Любые местные нестыковки и шероховатости ведут к торможению потока, соответственно, к ухудшению наполнения и потере мощности. Исходя из всего сказанного, вытекает объем работ:
Доработки каналов
- увеличение диаметра канала;
- изменение геометрии и выведение необходимых радиусов закруглений;
- доработка седла клапана;
- шлифовка острых кромок седла, которые создают сильное сопротивление.
Совмещение коллекторов с каналами в головке блока.
- любые местные нестыковки очень сильно тормозят потоки газов.
Шлифовка каналов и впускного коллектора до чистоты 4-5 классов.
- в идеале зеркальная поверхность для спортивного мотора.
Доработка клапанов
- облегчение клапана и увеличение поперечного сечения (высокая чистота обработки поверхности клапана резко снижает риск прогара клапана, улучшает охлаждение тарелки) .
Работа эта тонкая и кропотливая. В результате всех этих действий возможно увеличение мощности на 20%. Это базовый набор действий по головке блока. Замена клапанов на увеличенные, установка других пружин.. . подготавливает голову практически по группе А автоспорта. Заканчивает объём работ по голове установка распредвала с измененными фазами и разрезной шестерни для более точного выставления фаз газораспределения.
Все вышеозначенные доработки производятся на основе стандартных деталей. Варианты с заменой клапанов на brandname, каналов на металлокерамику, и т. д. не лишены привлекательности. Как всегда, есть в этом и свое НО, для многих это перевесит все бесспорные плюсы. Поломка где-нибудь в Тамбове гарантированно закончится возвратом домой на веревке, а всего-то лопнул ремень ГРМ на 7.000 или еще что из разряда каверз. Да и еще, привязанность к конкретной фирме, конюшне в элементарных настройках, на наш взгляд, не совсем удобна.
залить синтетическое масло пониженной вязкости. И понизить его уровень до минимальной отметки, чтобы уменьшить потери на разбрызгивание.
просто, но малодейственно
Из непростых- увеличение степени сжатия, повышение рабочей температуры двигателя, улучшенное охлаждение поршней, оптимизация камеры сгорания и впускного/ выпускного тракта, снижение массы поступательно движущихся деталей кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов.
Избавить от лишней нагрузки - генератор, гидроусилитель, вентилятор и т.д. Снятие глушителя наоборот ухудшит характеристики.
P.S. Не путайтесь! Можно перелопатить двигатель и увеличить мощность в два раза, но КПД при этом может и снизиться. Более качественное масло действительно снизит механические потери и увеличит КПД на 0,000000 хрен % :)))
КПД в двигателе внутреннего сгорания около 25 процентов , механические изменения не приводят к увелечению Онного либо увелечивается минимально, все это связано с механическими и тепловыми потерями в самм двигател,
предпологая что вопростоял о мощности
V сред. /t (S/tt)=F/m. КПД при ЛЮБЫХ параметрах останется 16%. КПД двс-это отношение "мощности ДВС на стенде к достаточной мощности".
Пример: ("Жигули"). m=1165 кг. Разгон до сотни=18 с. n =75 л. с. КПД ?
13,9/18=F/1165. F=900 кг. м/с. Это=12 л. с. КПД=16%.
"Nissan-1,4". m=1050 кг. Разгон=13,9 с. n=87 л. с. (6525 кг. м/с) КПД ?
13,9/13,9=F/1050. F=1050 кг. м/с. Это=14 л. с. 14*100/87. КПД=16%.
Вывод: увеличим мощность мотора-машина будет быстрее разгоняться;
Увеличим вес машины-снизится разгон, (или надо повышать мощность), но КПД ОСТАНЕТСЯ =16%.
Метод передачи вращательного движения повдоль оси. Повышение КПД в обычных механизмах.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть применено в различных механизмах, машинах и устройствах для передачи вращательного движения меж вращающимися элементами.
Издавна и обширно известны методы передачи вращательного движения. Это зубчатые, червячные, цепные и другие передачи, которые обширно употребляются в механике. Передавая вращательное движение от 1-го вращающегося элемента другому, все эти передачи зависят от соотношения величины «рычагов» этих частей. Говоря по другому, передавая вращательное движение, меж вращающимися элементами, изменение длины окружности 1-го из их, приведет к повышению либо уменьшению силы либо скорости. Закон рычага в действии. Недочеты имеющихся передач вращательного движения, это неразрывная связь в их, меж расстоянием (скоростью) и силой.
Что происходит, к примеру, при передаче вращательного движения, одной прямозубой шестерней (ведущей), на другую прямозубую шестерню (ведомой), воздействие зубьев одной шестерни на зубья другой, происходит по касательной к окружности с центром, в направлении перпендикулярном оси вращения шестерни. В месте зацепления шестерен, происходит передача вращательного движения одной шестерни другой, один оборот шестерни, это расстояние пройденное местом зацепления (нагрузкой), по поверхности (зубьям) шестерни, расстояние, которое равно длине окружности шестерни. Если передавать вращение не только лишь по окружности, в направлении перпендикулярном оси вращения, а сразу с этим и повдоль оси вращения, возрастет расстояние, где проходит место зацепления по вращающимися элементами.
Изобретение позволяет, передавать вращательное движение одним вращающимся вокруг собственной оси элементом, другому вращающемуся вокруг собственной оси элементу, при всем этом воздействуя поверхностью вращающегося вокруг собственной оси элемента, на поверхность другого вращающегося вокруг собственной оси элемента, по касательной к окружности с центром, лежащим на оси вращения и сразу с этим, воздействуя, на эту же поверхность, по касательной, повдоль оси вращения окружности вращающегося элемента, тем увеличивая проходимое расстояние, места зацепления (нагрузки) меж элементами, по поверхности вращающегося элемента, относительно длины его окружности, что приводит к росту КПД обычного механизма.
Техническим результатом изобретения является обеспечение способности роста КПД в обычных механизмах.
Технический итог изобретения достигается, благодаря методу передачи вращательного движения повдоль оси, заключающемуся в воздействии приводным элементом на ведущий элемент, для придания ему вращательного движения вокруг своей оси, который повлияет собственной поверхностью на поверхность вращающегося вокруг собственной оси ведомого элемента, по касательной к окружности с центром, лежащим на оси вращения, сразу с этим, воздействуя на эту же поверхность по касательной, повдоль оси вращения окружности ведомого элемента, вращая его, отличающегося тем, что при передаче вращательного движения, воздействие поверхностью ведущего элемента, на поверхность ведомого элемента, происходит не только лишь по касательной к окружности с центром, перпендикулярно его оси вращения, да и сразу с этим, воздействие на эту же поверхность происходит по касательной, повдоль оси вращения окружности ведомого элемента.
Изобретение реализуется при помощи механизма передачи вращательного движения, который изображен на чертежах, где на Фиг. 1 и Фиг. 2, где показан вид механизма для воплощения метода. Вид А (сверху), вид Б (с боковой стороны).
Механизм состоит:
Ведомый элемент Фиг. 3 и Фиг. 4. Ведомый элемент 1 представляет собой широкую, цилиндрическую, прямозубую шестерню с 24 зубьями, закрепленной бездвижно на оси 2, которая установлена на раме 4, вращаясь на ней. С одной стороны оси 2, бездвижно закреплена выходная шестерня 3, через которую происходит выход вращательного движения.
Ведущий элемент Фиг. 5 и Фиг. 6. Ведущий элемент 5 представляет собой ось 6, на которой бездвижно, через расстояние, друг от друга, закреплено семь частей 11,12,13,14,15,16,17 у каждого из которых по четыре зуба Фиг. 5, вид В (прямо и с боковой стороны). Элементы 11-17, это однообразные, узенькие, прямозубые шестерни, с этим же поперечником и модулем, как у ведомого элемента 1, но у их после каждого зуба из 4 отсутствует по 5 зубьев, итого в каждом элементе 11-17, отсутствует по 20 зубьев. Расстояние меж оставшимися 4-мя зубами равно расстоянию 5 отсутствующих меж ними зубьев. Элементы 11-17 размещены на оси таким макаром, что бы зуб элемента 11, был сдвинут на один шаг перпендикулярно их оси вращения Фиг. 5, вид Г, относительно зуба элемента 12, а зуб элемента 12 сдвинут на один шаг относительно зуба элемента 13 и т.д. смещаясь в одном направлении Фиг. 6. Смещенные относительно друг дружку зубы частей 11-17, образуют на ведущем элементе четыре ряда зубьев, один из которых показан линией 7 на Фиг. 6. Расстояние от элемента 11, до элемента 17, совпадает с шириной ведомого элемента. На краю оси ведущего элемента бездвижно закреплена входная шестерня 8, через которую происходит воздействие приводным элементом (приводной элемент не показан). Ведущий элемент, как и ведомый, установлен на раме 4.
Передавать вращательное движение данным методом можно, не только лишь при помощи зубьев, да и при помощи, к примеру звездочек и шариковых колес, Фиг. 7. Нужно при всем этом соблюдение критерий, при которых передача вращательного движения будет происходить с одновременным воздействием, поверхности 1-го вращающегося элемента, на поверхность другого вращающегося элемента, и по касательной к окружности, в направлении перпендикулярном оси вращения, и совместно с этим, повдоль оси вращения вращающегося элемента, что будет приводить к повышению, проходимого расстояния места зацепления (нагрузки), по поверхности вращающегося элемента, относительно его длины окружности.
Из этой формулы следует, что для повышения КПД надо уменьшать отношение Теоретически этого можно достичь двумя способами: либо понижая температуру холодильника либо повышая температуру нагревателя Однако поскольку температура холодильника не может быть ниже температуры окружающего воздуха, реально увеличивать можно, только увеличивая температуру нагревателя Но и тут возникают ограничения: например, температура нагревателя не может превышать температуру плавления материалов, из которых изготовлен двигатель.
Приведенная выше формула — это формула для максимального КПД теплового двигателя. Такой КПД мог бы иметь идеальный тепловой двигатель, в котором полностью отсутствует трение, а также отсутствуют «посторонние» потери тепла. Однако в любом реальном двигателе есть и трение, и потери тепла. Поэтому реальный тепловой двигатель имеет намного меньший КПД, чем максимально возможный. Например, для двигателя внутреннего сгорания а реальный КПД — всего около 20%. Дизельные двигатели имеют КПД около 40%.
Молекулярная физика и термодинамика. 2014
Смотрите также похожие статьи.
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Термодинамика
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Кинематика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
Иллюстрации по физике для 11 класса -> Квантовая физика
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Термодинамика
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Термодинамика
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика
Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Ответы на вопросы и задачи
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
Учебник по Физике для 11 класса -> Строение и эволюция Вселенной
Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
Молекулярная физика и термодинамика
Возникает вопрос: а дают ли применяемые устройства выигрыш в работе? Работа есть произведение пройденного пути на приложенную силу. Рассмотрим рычаг с плечами, различающимися в два раза по длине плеча. Этот рычаг даст нам выигрыш в силе в два раза, однако, в два раза большее плечо при этом пройдет в два раза больший путь. То есть, несмотря на выигрыш в силе, совершенная работа будет одинакова. В этом и заключается равенство работ при использовании простых механизмов: во сколько раз мы имеем выигрыш в силе, во столько раз, мы проигрываем в расстоянии. Это правило называется золотым правилом механики, и оно применимо абсолютно ко всем простым механизмам. Поэтому простые механизмы облегчают труд человека, но не уменьшают совершаемую им работу. Они просто помогают переводить одни виды усилий в другие, более удобные в конкретной ситуации.
Коэффициент полезного действия механизмов (КПД)
Известно, что вечный двигатель невозможен. Это связано с тем, что для любого механизма справедливо утверждение: совершённая с помощью этого механизма полная работа (в том числе на нагревание механизма и окружающей среды, на преодоление силы трения) всегда больше полезной работы.
Например, больше половины работы двигателя внутреннего сгорания совершается впустую тратится на нагревание составных частей двигателя; некоторое количество теплоты уносят выхлопные газы.
Часто необходимо оценивать эффективность механизма, целесообразность его использования. Поэтому, чтобы рассчитывать, какая часть от совершённой работы тратится впустую и какая часть с пользой, вводится специальная физическая величина, которая показывает эффективность механизма.
Эта величина называется коэффициентом полезного действия механизма
Коэффициент полезного действия механизма равен отношению полезной работы к полной работе. Очевидно, коэффициент полезного действия всегда меньше единицы. Эту величину часто выражают в процентах. Обычно её обозначают греческой буквой η (читается «эта»). Сокращённо коэффициент полезного действия записывают КПД.
η = (А_полн /А_полезн) * 100 %,
где η КПД, А_полн полная работа, А_полезн полезная работа.
Среди двигателей наибольший коэффициент полезного действия имеет электрический двигатель (до 98 %). Коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания 20 % - 40 %, паровой турбины примерно 30 %.
Отметим, что для увеличения коэффициента полезного действия механизма часто стараются уменьшить силу трения. Это можно сделать, используя различные смазки или шарикоподшипники, в которых трение скольжения заменяется трением качения.
Примеры расчета КПД
Рассмотрим пример. Велосипедист массой 55 кг поднялся на велосипеде массой 5 кг на холм, высота которого 10 м, совершив при этом работу 8 кДж. Найдите коэффициент полезного действия велосипеда. Трение качения колёс о дорогу не учитывайте.
Решение. Найдём общую массу велосипеда и велосипедиста:
m = 55 кг + 5 кг = 60 кг
Найдем их общий вес:
P = mg = 60 кг * 10 Н/кг = 600 Н
Найдём работу, совершённую на подъём велосипеда и велосипедиста:
Aполезн = РS = 600 Н * 10 м = 6 кДж
Найдём КПД велосипеда:
= А_полн /А_полезн * 100 % = 6 кДж / 8 кДж * 100 % = 75 %
Ответ: КПД велосипеда равен 75 %.
Рассмотрим ещё один пример. На конец плеча рычага подвешено тело массой m. К другому плечу прилагают силу F, направленную вниз, и его конец опускается на h. Найдите, насколько поднялось тело, если коэффициент полезного действия рычага равен η %.
Решение. Найдём работу, совершённую силой F:
η % от этой работы совершено на то, чтобы поднять тело массой m. Следовательно, на поднятие тела затрачено Fhη / 100. Так как вес тела равен mg, тело поднялось на высоту Fhη / 100 / mg.
Ответ: тело поднялось на высоту Fhη / 100 / mg.
Энергия: потенциальная и кинетическая энергия
Слово «энергия» в переводе с греческого означает «действие». Энергичным мы называем человека, который активно двигается, производя при этом множество разнообразных действий.
Энергия в физике
И если в жизни энергию человека мы можем оценивать в основном по последствиям его деятельности, то в физике энергию можно измерять и изучать множеством различных способов. Ваш бодрый друг или сосед, скорее всего, откажется повторить тридцать-пятьдесят раз одно и то же действие, когда вдруг вам взбредет на ум исследовать феномен его энергичности.
А вот в физике вы можете повторять почти любые опыты сколь угодно много раз, производя необходимые вам исследования. Так и с изучением энергии. Ученые-исследователи изучили и обозначили множество видов энергии в физике. Это электрическая, магнитная, атомная энергия и так далее. Но сейчас мы поговорим о механической энергии. А конкретнее о кинетической и потенциальной энергии.
Кинетическая и потенциальная энергия
В механике изучают движение и взаимодействие тел друг с другом. Поэтому принято различать два вида механической энергии: энергию, обусловленную движением тел, или кинетическую энергию, и энергию, обусловленную взаимодействием тел, или потенциальную энергию.
В физике существует общее правило, связывающее энергию и работу. Чтобы найти энергию тела, надо найти работу, которая необходима для перевода тела в данное состояние из нулевого, то есть такого, при котором его энергия равна нулю.
Потенциальная энергия
В физике потенциальной энергией называют энергию, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела. То есть, если тело поднято над землей, то оно обладает возможностью падая, произвести какую-либо работу.
И возможная величина этой работы будет равна потенциальной энергии тела на высоте h. Для потенциальной энергии формула определяется по следующей схеме:
A=Fs=Fт*h=mgh, или Eп=mgh,
где Eп потенциальная энергия тела,
m масса тела,
h - высота тела над поверхностью земли,
g ускорение свободного падения.
Причем за нулевое положение тела может быть принято любое удобное нам положение в зависимости от условий проводимых опыта и измерений, не только поверхность Земли. Это может быть поверхность пола, стола и так далее.
Кинетическая энергия
В случае, когда тело движется под влиянием силы, оно уже не только может, но и совершает какую-то работу. В физике кинетической энергией называется энергия, которой обладает тело вследствие своего движения. Тело, двигаясь, расходует свою энергию и совершает работу. Для кинетической энергии формула рассчитывается следующей образом:
A = Fs = mas = m * v / t * vt / 2 = (mv^2) / 2 , или Eк= (mv^2) / 2 ,
где Eк кинетическая энергия тела,
m масса тела,
v скорость тела.
Из формулы видно, что чем больше масса и скорость тела, тем выше его кинетическая энергия.
Каждое тело обладает либо кинетической, либо потенциальной энергией, либо и той, и другой сразу, как, например, летящий самолет.
Формула энергии в физике всегда показывает, какую работу совершает или может совершить тело. Соответственно, единицы измерения энергии такие же, как и работы джоуль (1 Дж).
Читайте также: