Trabajo mecánico. Unidades de trabajo.
En la vida cotidiana entendemos todo por el concepto de “trabajo”.
En física, el concepto Trabajo algo diferente. Es una cantidad física definida, lo que significa que se puede medir. En física se estudia principalmente. trabajo mecanico .
Veamos ejemplos de trabajo mecánico.
El tren se mueve bajo la fuerza de tracción de una locomotora eléctrica y se realiza un trabajo mecánico. Cuando se dispara un arma, la fuerza de presión de los gases de la pólvora funciona: mueve la bala a lo largo del cañón y la velocidad de la bala aumenta.
De estos ejemplos queda claro que el trabajo mecánico se realiza cuando un cuerpo se mueve bajo la influencia de una fuerza. El trabajo mecánico también se realiza cuando una fuerza que actúa sobre un cuerpo (por ejemplo, una fuerza de fricción) reduce la velocidad de su movimiento.
Al querer mover el gabinete, lo presionamos con fuerza, pero si no se mueve, entonces no realizamos trabajo mecánico. Se puede imaginar un caso en el que un cuerpo se mueve sin la participación de fuerzas (por inercia, en este caso tampoco se realiza trabajo mecánico);
Entonces, El trabajo mecánico se realiza sólo cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo y éste se mueve. .
No es difícil entender que cuanto mayor es la fuerza que actúa sobre el cuerpo y cuanto más largo es el camino que recorre el cuerpo bajo la influencia de esta fuerza, mayor es el trabajo realizado.
El trabajo mecánico es directamente proporcional a la fuerza aplicada y directamente proporcional a la distancia recorrida. .
Por lo tanto, acordamos medir el trabajo mecánico por el producto de la fuerza y el camino recorrido en esta dirección de esta fuerza:
trabajo = fuerza × camino
Dónde A- Trabajo, F- fuerza y s- la distancia recorrida.
Se considera unidad de trabajo el trabajo realizado por una fuerza de 1N en un recorrido de 1m.
Unidad de trabajo - joule (j ) lleva el nombre del científico inglés Joule. De este modo,
1J = 1N·m.
También usado kilojulios (kJ) .
1 kJ = 1000 J.
Fórmula A = Fs aplicable cuando la fuerza F constante y coincide con la dirección del movimiento del cuerpo.
Si la dirección de la fuerza coincide con la dirección del movimiento del cuerpo, entonces esta fuerza realiza un trabajo positivo.
Si el cuerpo se mueve en dirección opuesta a la dirección de la fuerza aplicada, por ejemplo, la fuerza de fricción por deslizamiento, entonces esta fuerza realiza un trabajo negativo.
Si la dirección de la fuerza que actúa sobre el cuerpo es perpendicular a la dirección del movimiento, entonces esta fuerza no realiza ningún trabajo, el trabajo es cero:
En el futuro, hablando de trabajo mecánico, lo llamaremos brevemente en una palabra: trabajo.
Ejemplo. Calcule el trabajo realizado al levantar una losa de granito con un volumen de 0,5 m3 hasta una altura de 20 m. La densidad del granito es 2500 kg/m3.
Dado:
ρ = 2500 kg/m 3
Solución:
donde F es la fuerza que se debe aplicar para levantar uniformemente la losa. Esta fuerza es igual en módulo a la fuerza Fstrand que actúa sobre la losa, es decir, F = Fstrand. Y la fuerza de gravedad se puede determinar por la masa de la losa: Fpeso = gm. Calculemos la masa de la losa, conociendo su volumen y la densidad del granito: m = ρV; s = h, es decir, el recorrido es igual a la altura de elevación.
Entonces, m = 2500 kg/m3 · 0,5 m3 = 1250 kg.
F = 9,8 N/kg · 1250 kg ≈ 12250 N.
A = 12.250 N · 20 m = 245.000 J = 245 kJ.
Respuesta: A = 245 kJ.
Palancas.Poder.Energía
Diferentes motores requieren tiempos diferentes para completar el mismo trabajo. Por ejemplo, una grúa en una obra levanta cientos de ladrillos hasta el último piso de un edificio en pocos minutos. Si estos ladrillos los moviera un trabajador, le llevaría varias horas hacerlo. Otro ejemplo. Un caballo puede arar una hectárea de tierra en 10 a 12 horas, mientras que un tractor con arado múltiple ( reja del arado- parte del arado, que corta la capa de tierra desde abajo y la traslada al vertedero; varias rejas de arado (muchas rejas de arado), este trabajo se completará en 40-50 minutos.
Está claro que una grúa hace el mismo trabajo más rápido que un trabajador y un tractor hace el mismo trabajo más rápido que un caballo. La velocidad del trabajo se caracteriza por una cantidad especial llamada potencia.
La potencia es igual a la relación entre el trabajo y el tiempo durante el cual se realizó.
Para calcular la potencia, es necesario dividir el trabajo por el tiempo durante el cual se realiza este trabajo. potencia = trabajo/tiempo.
Dónde norte- fuerza, A- Trabajo, t- tiempo de finalización del trabajo.
La potencia es una cantidad constante cuando se realiza el mismo trabajo cada segundo; en otros casos la relación; En determina la potencia media:
norte promedio = En . La unidad de potencia se considera la potencia a la que se realiza J de trabajo en 1 s.
Esta unidad se llama vatio ( W.) en honor a otro científico inglés, Watt.
1 vatio = 1 julio/1 segundo, o 1 W = 1 J/s.
Watt (julios por segundo) - W (1 J/s).
Las unidades de potencia más grandes se utilizan ampliamente en tecnología. kilovatio (kilovatios), megavatio (megavatio) .
1 MW = 1.000.000 W
1kW = 1000W
1mW = 0,001W
1W = 0,000001MW
1W = 0,001kW
1W = 1000mW
Ejemplo. Encuentre la potencia del flujo de agua que fluye a través de la presa si la altura de la caída de agua es de 25 m y su caudal es de 120 m3 por minuto.
Dado:
ρ = 1000 kg/m3
Solución:
Masa de agua que cae: metro = ρV,
m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120 000 kg (12 104 kg).
La fuerza de gravedad que actúa sobre el agua:
F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)
Trabajo realizado por caudal por minuto:
A - 1.200.000 N · 25 m = 30.000.000 J (3 · 107 J).
Potencia de flujo: N = A/t,
N = 30.000.000 J / 60 s = 500.000 W = 0,5 MW.
Respuesta: N = 0,5MW.
Varios motores tienen potencias que van desde centésimas y décimas de kilovatio (motor de afeitadora eléctrica, máquina de coser) hasta cientos de miles de kilovatios (turbinas de agua y vapor).
Tabla 5.
Potencia de algunos motores, kW.
Cada motor tiene una placa (pasaporte del motor), que indica cierta información sobre el motor, incluida su potencia.
La potencia humana en condiciones normales de funcionamiento es en promedio de 70 a 80 W. Al saltar o subir escaleras corriendo, una persona puede desarrollar una potencia de hasta 730 W y, en algunos casos, incluso más.
De la fórmula N = A/t se deduce que
Para calcular el trabajo es necesario multiplicar la potencia por el tiempo durante el cual se realizó este trabajo.
Ejemplo. El motor del ventilador de la habitación tiene una potencia de 35 vatios. ¿Cuánto trabajo hace en 10 minutos?
Anotemos las condiciones del problema y resolvámoslo.
Dado:
Solución:
A = 35 W * 600 s = 21 000 W * s = 21 000 J = 21 kJ.
Respuesta A= 21 kJ.
Mecanismos simples.
Desde tiempos inmemoriales, el hombre ha utilizado diversos dispositivos para realizar trabajos mecánicos.
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Todo el mundo sabe que un objeto pesado (una piedra, un armario, una máquina herramienta), que no se puede mover con la mano, se puede mover con un palo suficientemente largo: una palanca.
Actualmente se cree que con la ayuda de palancas hace tres mil años, durante la construcción de las pirámides en el Antiguo Egipto, se movían y elevaban a grandes alturas pesadas losas de piedra.
En muchos casos, en lugar de levantar una carga pesada a una determinada altura, se puede hacer rodar o arrastrar hasta la misma altura a lo largo de un plano inclinado o levantarla mediante bloques.
Los dispositivos utilizados para convertir la fuerza se llaman mecanismos .
Los mecanismos simples incluyen: palancas y sus variedades. bloque, puerta; Plano inclinado y sus variedades: cuña, tornillo.. En la mayoría de los casos se utilizan mecanismos simples para ganar fuerza, es decir, aumentar varias veces la fuerza que actúa sobre el cuerpo.
Se encuentran mecanismos simples tanto en el hogar como en todas las máquinas industriales e industriales complejas que cortan, tuercen y estampan grandes láminas de acero o extraen los hilos más finos con los que luego se fabrican las telas. Los mismos mecanismos se pueden encontrar en máquinas automáticas, impresoras y contadoras modernas y complejas.
Palanca. Equilibrio de fuerzas sobre la palanca.
Consideremos el mecanismo más simple y común: la palanca.
Una palanca es un cuerpo rígido que puede girar alrededor de un soporte fijo.
Las imágenes muestran cómo un trabajador usa una palanca como palanca para levantar una carga. En el primer caso, el trabajador con fuerza F presiona el extremo de la palanca B, en el segundo - levanta el final B.
El trabajador necesita superar el peso de la carga. PAG- fuerza dirigida verticalmente hacia abajo. Para ello, hace girar la palanca alrededor de un eje que pasa por el único inmóvil el punto de ruptura es el punto de su apoyo ACERCA DE. Fortaleza F con la que el trabajador actúa sobre la palanca es menor la fuerza PAG, por lo que el trabajador recibe ganar fuerza. Con la ayuda de una palanca, puede levantar una carga tan pesada que no podrá levantarla usted mismo.
La figura muestra una palanca cuyo eje de rotación es ACERCA DE(fulcro) se encuentra entre los puntos de aplicación de fuerzas. A Y EN. Otra imagen muestra un diagrama de esta palanca. Ambas fuerzas F 1 y F 2 que actúan sobre la palanca están dirigidos en una dirección.
La distancia más corta entre el punto de apoyo y la línea recta a lo largo de la cual actúa la fuerza sobre la palanca se llama brazo de fuerza.
Para encontrar el brazo de la fuerza, debes bajar la perpendicular desde el punto de apoyo hasta la línea de acción de la fuerza.La longitud de esta perpendicular será el brazo de esta fuerza. La figura muestra que OA- fuerza del hombro F 1; transmisión exterior- fuerza del hombro F 2. Las fuerzas que actúan sobre la palanca pueden hacerla girar alrededor de su eje en dos direcciones: en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. si, fuerza F 1 gira la palanca en el sentido de las agujas del reloj y la fuerza F 2 lo gira en sentido antihorario.
La condición bajo la cual la palanca está en equilibrio bajo la influencia de las fuerzas que se le aplican se puede establecer experimentalmente. Hay que recordar que el resultado de la acción de una fuerza depende no sólo de su valor numérico (módulo), sino también del punto en el que se aplica al cuerpo, o cómo se dirige.
Se suspenden varios pesos de la palanca (ver figura) a ambos lados del punto de apoyo para que la palanca permanezca en equilibrio cada vez. Las fuerzas que actúan sobre la palanca son iguales a los pesos de estas cargas. Para cada caso se miden los módulos de fuerza y sus hombros. De la experiencia mostrada en la Figura 154, está claro que la fuerza 2 norte equilibra la fuerza 4 norte. En este caso, como se puede ver en la figura, el hombro de menor fuerza es 2 veces más grande que el hombro de mayor fuerza.
Sobre la base de tales experimentos, se estableció la condición (regla) del equilibrio de la palanca.
Una palanca está en equilibrio cuando las fuerzas que actúan sobre ella son inversamente proporcionales a los brazos de dichas fuerzas.
Esta regla se puede escribir como una fórmula:
F 1/F 2 = yo 2/ yo 1 ,
Dónde F 1Y F 2 - fuerzas que actúan sobre la palanca, yo 1Y yo 2 , - los hombros de estas fuerzas (ver figura).
La regla del equilibrio de palancas fue establecida por Arquímedes alrededor del año 287-212. ANTES DE CRISTO mi. (¿Pero en el último párrafo se dijo que las palancas fueron utilizadas por los egipcios? ¿O la palabra "establecido" juega un papel importante aquí?)
De esta regla se deduce que se puede utilizar una fuerza menor para equilibrar una fuerza mayor utilizando una palanca. Deje que un brazo de la palanca sea 3 veces más grande que el otro (ver figura). Luego, aplicando una fuerza de, por ejemplo, 400 N en el punto B, se puede levantar una piedra que pesa 1200 N. Para levantar una carga aún más pesada, es necesario aumentar la longitud del brazo de palanca sobre el que actúa el trabajador.
Ejemplo. Con una palanca, un trabajador levanta una losa que pesa 240 kg (ver Fig. 149). ¿Qué fuerza aplica al brazo de palanca más grande de 2,4 m si el brazo más pequeño mide 0,6 m?
Anotemos las condiciones del problema y resolvámoslo.
Dado:
Solución:
Según la regla del equilibrio de palanca, F1/F2 = l2/l1, de donde F1 = F2 l2/l1, donde F2 = P es el peso de la piedra. Peso de la piedra asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N
Entonces, F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.
Respuesta: F1 = 600N.
En nuestro ejemplo, el trabajador vence una fuerza de 2400 N, aplicando una fuerza de 600 N a la palanca pero en este caso, el brazo sobre el que actúa el trabajador es 4 veces más largo que aquel sobre el que actúa el peso de la piedra. ( yo 1 : yo 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).
Al aplicar la regla del apalancamiento, una fuerza menor puede equilibrar una fuerza mayor. En este caso, el hombro de menor fuerza debe ser más largo que el hombro de mayor fuerza.
Momento de poder.
Ya conoces la regla del equilibrio de palancas:
F 1 / F 2 = yo 2 / yo 1 ,
Usando la propiedad de la proporción (el producto de sus miembros extremos es igual al producto de sus miembros medios), lo escribimos de esta forma:
F 1yo 1 = F 2 yo 2 .
En el lado izquierdo de la ecuación está el producto de la fuerza. F 1 en su hombro yo 1, y a la derecha, el producto de la fuerza. F 2 en su hombro yo 2 .
El producto del módulo de fuerza que gira el cuerpo y su hombro se llama momento de fuerza; se designa con la letra M. Esto significa
Una palanca está en equilibrio bajo la acción de dos fuerzas si el momento de la fuerza que la hace girar en el sentido de las agujas del reloj es igual al momento de la fuerza que la hace girar en el sentido contrario a las agujas del reloj.
Esta regla se llama regla de los momentos , se puede escribir como una fórmula:
M1 = M2
De hecho, en el experimento que consideramos (§ 56), las fuerzas actuantes fueron iguales a 2 N y 4 N, sus hombros ascendieron respectivamente a 4 y 2 presiones de palanca, es decir, los momentos de estas fuerzas son los mismos cuando la palanca está en equilibrio. .
El momento de fuerza, como cualquier magnitud física, se puede medir. La unidad de momento de fuerza se toma como un momento de fuerza de 1 N, cuyo brazo mide exactamente 1 m.
Esta unidad se llama metro newton (SUST.).
El momento de fuerza caracteriza la acción de una fuerza y muestra que depende simultáneamente tanto del módulo de la fuerza como de su apalancamiento. De hecho, ya sabemos, por ejemplo, que la acción de una fuerza sobre una puerta depende tanto de la magnitud de la fuerza como del lugar donde se aplica la fuerza. Cuanto más fácil es girar la puerta, más lejos del eje de rotación se aplica la fuerza que actúa sobre ella. Es mejor desenroscar la tuerca con una llave larga que con una corta. Cuanto más fácil es sacar un cubo del pozo, más larga será la manija de la puerta, etc.
Palancas en la tecnología, la vida cotidiana y la naturaleza.
La regla del apalancamiento (o la regla de los momentos) subyace a la acción de diversos tipos de herramientas y dispositivos utilizados en la tecnología y la vida cotidiana donde se requiere ganar fuerza o viajar.
Tenemos una ganancia de fuerza al trabajar con tijeras. Tijeras - esto es una palanca(fig), cuyo eje de rotación se produce a través de un tornillo que conecta ambas mitades de las tijeras. fuerza actuante F 1 es la fuerza muscular de la mano de quien agarra las tijeras. contrafuerza F 2 es la fuerza de resistencia del material que se corta con tijeras. Dependiendo del propósito de las tijeras, su diseño varía. Las tijeras de oficina, diseñadas para cortar papel, tienen hojas largas y mangos de casi la misma longitud. Cortar papel no requiere mucha fuerza y una hoja larga facilita el corte en línea recta. Las cizallas para cortar chapa (Fig.) tienen mangos mucho más largos que las hojas, ya que la fuerza de resistencia del metal es grande y para equilibrarla es necesario aumentar significativamente el brazo de la fuerza actuante. La diferencia entre la longitud de los mangos y la distancia de la parte cortante y el eje de rotación es aún mayor cortadores de alambre(Fig.), diseñado para cortar alambre.
Muchas máquinas tienen diferentes tipos de palancas. El mango de una máquina de coser, los pedales o el freno de mano de una bicicleta, los pedales de un automóvil y un tractor y las teclas de un piano son ejemplos de palancas utilizadas en estas máquinas y herramientas.
Ejemplos del uso de palancas son los mangos de vicios y bancos de trabajo, la palanca de una perforadora, etc.
El funcionamiento de la báscula de palanca se basa en el principio de la palanca (Fig.). Las escalas de entrenamiento que se muestran en la Figura 48 (p. 42) actúan como palanca de brazo igual . EN escalas decimales El hombro del que se suspende la copa con pesas es 10 veces más largo que el hombro que lleva la carga. Esto hace que pesar cargas grandes sea mucho más fácil. Al pesar una carga en una báscula decimal, debes multiplicar la masa de las pesas por 10.
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El dispositivo de báscula para pesar vagones de mercancías también se basa en la regla del apalancamiento.
Las palancas también se encuentran en diferentes partes del cuerpo de animales y humanos. Estos son, por ejemplo, brazos, piernas, mandíbulas. Se pueden encontrar muchas palancas en el cuerpo de los insectos (leyendo un libro sobre los insectos y la estructura de sus cuerpos), en las aves y en la estructura de las plantas.
Aplicación de la ley de equilibrio de una palanca a un bloque.
Bloquear Es una rueda con ranura, montada en un soporte. Se pasa una cuerda, cable o cadena a través de la ranura del bloque.
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Bloque fijo Se trata de un bloque cuyo eje es fijo y no sube ni baja al levantar cargas (Fig).
Un bloque fijo puede considerarse como una palanca de brazos iguales, en la que los brazos de las fuerzas son iguales al radio de la rueda (Fig.): OA = OB = r. Un bloque de este tipo no proporciona una ganancia de fuerza. ( F 1 = F 2), pero le permite cambiar la dirección de la fuerza. bloque móvil - esto es un bloque. cuyo eje sube y baja junto con la carga (Fig.). La figura muestra la palanca correspondiente: ACERCA DE- punto de apoyo de la palanca, OA- fuerza del hombro R Y transmisión exterior- fuerza del hombro F. desde el hombro transmisión exterior 2 veces el hombro OA, entonces la fuerza F 2 veces menos fuerza R:
F = P/2 .
De este modo, el bloque móvil aumenta 2 veces la resistencia .
Esto se puede demostrar utilizando el concepto de momento de fuerza. Cuando el bloque está en equilibrio, los momentos de fuerzas F Y R iguales entre sí. Pero el hombro de la fuerza F 2 veces el apalancamiento R, y, por tanto, el poder mismo F 2 veces menos fuerza R.
Normalmente, en la práctica se utiliza una combinación de un bloque fijo y uno móvil (Fig.). El bloque fijo se utiliza únicamente por conveniencia. No aumenta la fuerza, pero cambia la dirección de la fuerza. Por ejemplo, permite levantar una carga estando de pie en el suelo. Esto resulta útil para muchas personas o trabajadores. ¡Sin embargo, proporciona una ganancia de fuerza 2 veces mayor de lo habitual!
Igualdad de trabajo cuando se utilizan mecanismos simples. "Regla de oro" de la mecánica.
Los mecanismos simples que hemos considerado se utilizan para realizar trabajo en los casos en que es necesario equilibrar otra fuerza mediante la acción de una fuerza.
Naturalmente, surge la pregunta: si bien se gana en poder o en camino, ¿no dan los mecanismos simples una ganancia en trabajo? La respuesta a esta pregunta se puede obtener de la experiencia.
Equilibrando dos fuerzas de diferente magnitud sobre una palanca F 1 y F 2 (fig.), ponga la palanca en movimiento. Resulta que al mismo tiempo el punto de aplicación de la fuerza menor F 2 va más allá s 2, y el punto de aplicación de la fuerza mayor F 1 - camino más corto s 1. Habiendo medido estas trayectorias y módulos de fuerza, encontramos que las trayectorias recorridas por los puntos de aplicación de fuerzas sobre la palanca son inversamente proporcionales a las fuerzas:
s 1 / s 2 = F 2 / F 1.
Así, actuando sobre el brazo largo de la palanca, ganamos fuerza, pero al mismo tiempo perdemos la misma cantidad en el camino.
Producto de la fuerza F en el camino s hay trabajo. Nuestros experimentos muestran que el trabajo realizado por las fuerzas aplicadas a la palanca es igual entre sí:
F 1 s 1 = F 2 s 2, es decir A 1 = A 2.
Entonces, Al utilizar el apalancamiento, no podrá ganar en el trabajo.
Al utilizar el apalancamiento, podemos ganar poder o distancia. Al aplicar fuerza al brazo corto de la palanca, ganamos en distancia, pero perdemos la misma cantidad en fuerza.
Cuenta la leyenda que Arquímedes, encantado con el descubrimiento de la regla del apalancamiento, exclamó: "¡Dadme un punto de apoyo y haré girar la Tierra!".
Por supuesto, Arquímedes no podría hacer frente a tal tarea incluso si le hubieran dado un punto de apoyo (que debería haber estado fuera de la Tierra) y una palanca de la longitud requerida.
Para elevar la Tierra sólo 1 cm, el largo brazo de la palanca tendría que describir un arco de enorme longitud. ¡Se necesitarían millones de años para mover el extremo largo de la palanca a lo largo de esta trayectoria, por ejemplo, a una velocidad de 1 m/s!
Un bloque estacionario no proporciona ninguna ganancia de trabajo, lo cual es fácil de verificar experimentalmente (ver figura). Caminos recorridos por los puntos de aplicación de fuerzas. F Y F, son iguales, las fuerzas son las mismas, lo que significa que el trabajo es el mismo.
Puedes medir y comparar el trabajo realizado con la ayuda de un bloque móvil. Para elevar una carga a una altura h mediante un bloque móvil, es necesario mover el extremo de la cuerda a la que está unido el dinamómetro, como muestra la experiencia (Fig.), a una altura de 2h.
De este modo, Al obtener el doble de fuerza, pierden el doble en el camino, por lo tanto, el bloque móvil no aumenta el trabajo.
La práctica centenaria ha demostrado que Ninguno de los mecanismos proporciona una ganancia de rendimiento. Utilizan diversos mecanismos para ganar en fuerza o en recorrido, dependiendo de las condiciones de trabajo.
Los científicos antiguos ya conocían una regla aplicable a todos los mecanismos: No importa cuantas veces ganemos en fuerza, la misma cantidad de veces perdemos en distancia. Esta regla ha sido llamada la "regla de oro" de la mecánica.
Eficiencia del mecanismo.
Al considerar el diseño y la acción de la palanca, no tomamos en cuenta la fricción ni el peso de la palanca. En estas condiciones ideales, el trabajo realizado por la fuerza aplicada (a este trabajo lo llamaremos lleno), es igual a útil trabajos de elevación de cargas o superación de cualquier resistencia.
En la práctica, el trabajo total realizado por un mecanismo es siempre ligeramente mayor que el trabajo útil.
Parte del trabajo se realiza contra la fuerza de fricción en el mecanismo y moviendo sus partes individuales. Entonces, cuando se usa un bloque móvil, es necesario trabajar adicionalmente para levantar el bloque, la cuerda y determinar la fuerza de fricción en el eje del bloque.
Cualquiera que sea el mecanismo que adoptemos, el trabajo útil realizado con su ayuda constituye siempre sólo una parte del trabajo total. Esto significa que, denotando el trabajo útil con la letra Ap y el trabajo total (gastado) con la letra Az, podemos escribir:
Arriba< Аз или Ап / Аз < 1.
La relación entre el trabajo útil y el trabajo total se denomina eficiencia del mecanismo.
El factor de eficiencia se abrevia como eficiencia.
Eficiencia = Ap/Az.
La eficiencia generalmente se expresa como porcentaje y se denota con la letra griega η, leída como “eta”:
η = Ap/Az · 100%.
Ejemplo: Una carga que pesa 100 kg está suspendida del brazo corto de una palanca. Para levantarlo, se aplica una fuerza de 250 N al brazo largo. La carga se eleva a una altura de h1 = 0,08 m, mientras que el punto de aplicación de la fuerza motriz desciende a una altura de h2 = 0,4 m. eficiencia de la palanca.
Anotemos las condiciones del problema y resolvámoslo.
Dado :
Solución :
η = Ap/Az · 100%.
Trabajo total (gastado) Az = Fh2.
Trabajo útil Ap = Рh1
P = 9,8 100 kg ≈ 1000 N.
Ap = 1000 N · 0,08 = 80 J.
Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.
η = 80 J/100 J 100% = 80%.
Respuesta : η = 80%.
Pero en este caso también se aplica la “regla de oro”. Parte del trabajo útil, el 20%, se gasta en superar la fricción en el eje de la palanca y la resistencia del aire, así como en el movimiento de la propia palanca.
La eficiencia de cualquier mecanismo es siempre inferior al 100%. Al diseñar mecanismos, las personas se esfuerzan por aumentar su eficiencia. Para conseguirlo se reducen los rozamientos en los ejes de los mecanismos y su peso.
Energía.
En las fábricas y fábricas, las máquinas y las máquinas son accionadas por motores eléctricos, que consumen energía eléctrica (de ahí el nombre).
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Un resorte comprimido (Fig.), cuando se endereza, realiza trabajo, eleva una carga a una altura o hace que un carro se mueva. Una carga estacionaria elevada sobre el suelo no realiza trabajo, pero si esta carga cae, puede realizar trabajo (por ejemplo, puede clavar un pilote en el suelo). Todo cuerpo en movimiento tiene la capacidad de realizar un trabajo. Así, una bola de acero A (arroz) que rueda hacia abajo desde un plano inclinado y golpea un bloque de madera B, lo mueve una cierta distancia. Al mismo tiempo se hace el trabajo. Si un cuerpo o varios cuerpos que interactúan (un sistema de cuerpos) pueden realizar trabajo, se dice que tienen energía. Energía - una cantidad física que muestra cuánto trabajo puede realizar un cuerpo (o varios cuerpos). La energía se expresa en el sistema SI en las mismas unidades que el trabajo, es decir, en julios. Cuanto más trabajo puede hacer un cuerpo, más energía tiene. Cuando se realiza trabajo, la energía de los cuerpos cambia. El trabajo realizado es igual al cambio de energía. Energía potencial y cinética.Potencial (del lat. potencia - posibilidad) la energía es la energía que está determinada por la posición relativa de los cuerpos que interactúan y las partes de un mismo cuerpo. La energía potencial, por ejemplo, la posee un cuerpo elevado con respecto a la superficie de la Tierra, porque la energía depende de la posición relativa de éste y la Tierra. y su atracción mutua. Si consideramos que la energía potencial de un cuerpo que se encuentra en la Tierra es cero, entonces la energía potencial de un cuerpo elevado a una cierta altura estará determinada por el trabajo realizado por la gravedad cuando el cuerpo cae a la Tierra. Denotemos la energía potencial del cuerpo. mi n, porque mi = un, y el trabajo, como sabemos, es igual al producto de la fuerza por la trayectoria, entonces A = Fh, Dónde F- gravedad. Esto significa que la energía potencial En es igual a: E = Fh, o E = gmh, Dónde gramo- aceleración de caída libre, metro- peso corporal, h- la altura a la que se eleva el cuerpo. El agua de los ríos represados tiene una enorme energía potencial. Al caer, el agua funciona, impulsando potentes turbinas de centrales eléctricas. La energía potencial de un martillo de copra (Fig.) se utiliza en la construcción para realizar los trabajos de hincado de pilotes. Al abrir una puerta con resorte, se realiza trabajo para estirar (o comprimir) el resorte. Debido a la energía adquirida, el resorte, al contraerse (o enderezarse), funciona y cierra la puerta. La energía de los resortes comprimidos y no torcidos se utiliza, por ejemplo, en relojes, diversos juguetes de cuerda, etc. Cualquier cuerpo elástico deformado tiene energía potencial. La energía potencial del gas comprimido se utiliza en el funcionamiento de motores térmicos, en martillos neumáticos, muy utilizados en la industria minera, en la construcción de carreteras, excavación de suelos duros, etc. La energía que posee un cuerpo como resultado de su movimiento se llama cinética (del griego. cine - movimiento) energía. La energía cinética de un cuerpo se denota con la letra. mi A. El agua en movimiento, que impulsa las turbinas de las centrales hidroeléctricas, gasta su energía cinética y realiza trabajo. El aire en movimiento, el viento, también tiene energía cinética. ¿De qué depende la energía cinética? Pasemos a la experiencia (ver figura). Si haces rodar la bola A desde diferentes alturas, notarás que cuanto mayor es la altura desde la que rueda la bola, mayor es su velocidad y más lejos mueve el bloque, es decir, hace más trabajo. Esto significa que la energía cinética de un cuerpo depende de su velocidad. Debido a su velocidad, una bala voladora tiene una gran energía cinética. La energía cinética de un cuerpo también depende de su masa. Hagamos nuestro experimento nuevamente, pero haremos rodar otra bola de mayor masa desde el plano inclinado. La barra B se moverá más, es decir, se realizará más trabajo. Esto significa que la energía cinética de la segunda bola es mayor que la de la primera. Cuanto mayor es la masa de un cuerpo y la velocidad a la que se mueve, mayor es su energía cinética. Para determinar la energía cinética de un cuerpo se utiliza la fórmula: Ek = mv^2/2, Dónde metro- peso corporal, v- velocidad del movimiento del cuerpo. La energía cinética de los cuerpos se utiliza en tecnología. El agua retenida por la presa tiene, como ya se ha comentado, una gran energía potencial. Cuando el agua cae de una presa, se mueve y tiene la misma energía cinética alta. Impulsa una turbina conectada a un generador de corriente eléctrica. Debido a la energía cinética del agua se genera energía eléctrica. La energía del agua en movimiento es de gran importancia en la economía nacional. Esta energía se aprovecha mediante potentes centrales hidroeléctricas. La energía del agua que cae es una fuente de energía respetuosa con el medio ambiente, a diferencia de la energía combustible. Todos los cuerpos en la naturaleza, en relación con el valor cero convencional, tienen energía potencial o cinética y, a veces, ambas juntas. Por ejemplo, un avión en vuelo tiene energía cinética y potencial en relación con la Tierra. Conocimos dos tipos de energía mecánica. Otros tipos de energía (eléctrica, interna, etc.) se discutirán en otras secciones del curso de física. Conversión de un tipo de energía mecánica en otro. El fenómeno de transformación de un tipo de energía mecánica en otro es muy conveniente de observar en el dispositivo que se muestra en la figura. Al enrollar el hilo sobre el eje, se levanta el disco del dispositivo. Un disco elevado hacia arriba tiene cierta energía potencial. Si lo sueltas, girará y empezará a caer. A medida que cae, la energía potencial del disco disminuye, pero al mismo tiempo aumenta su energía cinética. Al final de la caída, el disco tiene tal reserva de energía cinética que puede volver a elevarse casi hasta su altura anterior. (Parte de la energía se gasta trabajando contra la fuerza de fricción, por lo que el disco no alcanza su altura original). Una vez elevado, el disco vuelve a caer y luego vuelve a subir. En este experimento, cuando el disco se mueve hacia abajo, su energía potencial se convierte en energía cinética y cuando se mueve hacia arriba, la energía cinética se convierte en energía potencial. La transformación de energía de un tipo a otro también se produce cuando dos cuerpos elásticos chocan, por ejemplo, una pelota de goma en el suelo o una bola de acero sobre una placa de acero. Si levantas una bola de acero (arroz) sobre una placa de acero y la sueltas de tus manos, caerá. A medida que la pelota cae, su energía potencial disminuye y su energía cinética aumenta a medida que aumenta la velocidad de la pelota. Cuando la pelota golpea el plato, tanto la pelota como el plato se comprimen. La energía cinética que tenía la bola se convertirá en energía potencial del plato comprimido y de la bola comprimida. Luego, gracias a la acción de fuerzas elásticas, la placa y la pelota tomarán su forma original. La pelota rebotará en la losa y su energía potencial se convertirá nuevamente en energía cinética de la pelota: la pelota rebotará a una velocidad casi igual a la velocidad que tenía en el momento en que golpeó la losa. A medida que la pelota se eleva, su velocidad y, por lo tanto, su energía cinética disminuye, mientras que la energía potencial aumenta. Al rebotar en la losa, la pelota se eleva casi a la misma altura desde la que comenzó a caer. En el punto más alto de la subida, toda su energía cinética volverá a convertirse en potencial. Los fenómenos naturales suelen ir acompañados de la transformación de un tipo de energía en otro. La energía se puede transferir de un cuerpo a otro. Por ejemplo, en el tiro con arco, la energía potencial de la cuerda tensada del arco se convierte en energía cinética de una flecha voladora. |
En nuestra experiencia cotidiana, la palabra “trabajo” aparece con mucha frecuencia. Pero hay que distinguir entre trabajo fisiológico y trabajo desde el punto de vista de la ciencia física. Cuando llegas a casa de clase, dices: "¡Oh, estoy tan cansada!" Este es un trabajo fisiológico. O, por ejemplo, el trabajo del equipo en el cuento popular "Nabo".
Figura 1. Trabajo en el sentido cotidiano de la palabra.
Hablaremos aquí sobre el trabajo desde el punto de vista de la física.
El trabajo mecánico se realiza si un cuerpo se mueve bajo la influencia de una fuerza. El trabajo se designa con la letra latina A. Una definición más estricta de trabajo suena así.
El trabajo de una fuerza es una cantidad física igual al producto de la magnitud de la fuerza por la distancia recorrida por el cuerpo en la dirección de la fuerza.
Figura 2. El trabajo es una cantidad física
La fórmula es válida cuando actúa una fuerza constante sobre el cuerpo.
En el sistema internacional de unidades SI, el trabajo se mide en julios.
Esto significa que si bajo la influencia de una fuerza de 1 newton un cuerpo se mueve 1 metro, esta fuerza realiza 1 julio de trabajo.
La unidad de trabajo lleva el nombre del científico inglés James Prescott Joule.
Figura 3. James Prescott Joule (1818 - 1889)
De la fórmula para calcular el trabajo se deduce que hay tres casos posibles en los que el trabajo es igual a cero.
El primer caso es cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, pero el cuerpo no se mueve. Por ejemplo, una casa está sometida a una enorme fuerza de gravedad. Pero ella no hace ningún trabajo porque la casa está inmóvil.
El segundo caso es cuando el cuerpo se mueve por inercia, es decir, no actúan fuerzas sobre él. Por ejemplo, una nave espacial se mueve en el espacio intergaláctico.
El tercer caso es cuando una fuerza actúa sobre el cuerpo perpendicular a la dirección de movimiento del cuerpo. En este caso, aunque el cuerpo se mueve y sobre él actúa una fuerza, no hay movimiento del cuerpo. en la dirección de la fuerza.
Figura 4. Tres casos en los que el trabajo es cero
También hay que decir que el trabajo realizado por una fuerza puede ser negativo. Esto sucederá si el cuerpo se mueve. en contra de la dirección de la fuerza. Por ejemplo, cuando una grúa levanta una carga del suelo mediante un cable, el trabajo realizado por la gravedad es negativo (y el trabajo realizado por la fuerza elástica del cable dirigido hacia arriba, por el contrario, es positivo).
Supongamos que al realizar trabajos de construcción, es necesario llenar el pozo con arena. Una excavadora tardaría unos minutos en hacer esto, pero un trabajador que usara una pala tendría que trabajar durante varias horas. Pero tanto el excavador como el trabajador habrían completado el mismo trabajo.
Fig 5. El mismo trabajo se puede completar en diferentes momentos.
Para caracterizar la velocidad del trabajo realizado en física, se utiliza una cantidad llamada potencia.
La potencia es una cantidad física igual a la relación entre el trabajo y el tiempo que se realiza.
El poder se indica con una letra latina. norte.
La unidad de potencia del SI es el vatio.
Un vatio es la potencia a la que se realiza un julio de trabajo en un segundo.
La unidad de potencia lleva el nombre del científico inglés inventor de la máquina de vapor, James Watt.
Figura 6. James Watt (1736 - 1819)
Combinemos la fórmula para calcular el trabajo con la fórmula para calcular la potencia.
Recordemos ahora que la relación del camino recorrido por el cuerpo es S, en el momento del movimiento t representa la velocidad de movimiento del cuerpo v.
De este modo, La potencia es igual al producto del valor numérico de la fuerza por la velocidad del cuerpo en la dirección de la fuerza..
Es conveniente utilizar esta fórmula al resolver problemas en los que una fuerza actúa sobre un cuerpo que se mueve a una velocidad conocida.
Referencias
- Lukashik V.I., Ivanova E.V. Colección de problemas de física para los grados 7-9 de instituciones de educación general. - 17ª edición. - M.: Educación, 2004.
- Peryshkin A.V. Física. 7mo grado - 14ª ed., estereotipo. - M.: Avutarda, 2010.
- Peryshkin A.V. Colección de problemas de física, grados 7-9: 5ª ed., estereotipo. - M: Editorial “Examen”, 2010.
- Portal de Internet Física.ru ().
- Portal de Internet Festival.1september.ru ().
- Portal de Internet Fizportal.ru ().
- Portal de Internet Elkin52.narod.ru ().
Tarea
- ¿En qué casos el trabajo es igual a cero?
- ¿Cómo se realiza el trabajo a lo largo del camino recorrido en la dirección de la fuerza? ¿En la dirección opuesta?
- ¿Cuánto trabajo realiza la fuerza de fricción que actúa sobre el ladrillo cuando se mueve 0,4 m? La fuerza de fricción es de 5 N.
El caballo tira del carro con cierta fuerza, denotémoslo. F tracción. El abuelo, sentado en el carro, lo presiona con cierta fuerza. vamos a denotarlo F presión El carro se mueve en la dirección de la fuerza de tracción del caballo (hacia la derecha), pero en la dirección de la fuerza de presión del abuelo (hacia abajo) el carro no se mueve. Por eso en física dicen eso. F la tracción funciona en el carro, y F La presión no funciona en el carro.
Entonces, trabajo de fuerza sobre el cuerpo o trabajo mecanico– una cantidad física cuyo módulo es igual al producto de la fuerza por el camino recorrido por el cuerpo en la dirección de acción de esta fuerza s:
En honor al científico inglés D. Joule, la unidad de trabajo mecánico recibió el nombre 1 julio(según la fórmula, 1 J = 1 N m).
Si una determinada fuerza actúa sobre el cuerpo en cuestión, entonces algún cuerpo actúa sobre él. Es por eso el trabajo de la fuerza sobre el cuerpo y el trabajo del cuerpo sobre el cuerpo son sinónimos completos. Sin embargo, la obra del primer cuerpo sobre el segundo y la obra del segundo cuerpo sobre el primero son sinónimos parciales, ya que los módulos de estas obras son siempre iguales y sus signos siempre opuestos. Por eso hay un signo “±” en la fórmula. Analicemos las señales de trabajo con más detalle.
Los valores numéricos de fuerza y trayectoria son siempre cantidades no negativas. Por el contrario, el trabajo mecánico puede tener signos tanto positivos como negativos. Si la dirección de la fuerza coincide con la dirección del movimiento del cuerpo, entonces el trabajo realizado por la fuerza se considera positivo. Si la dirección de la fuerza es opuesta a la dirección del movimiento del cuerpo, el trabajo realizado por una fuerza se considera negativo(tome “-” de la fórmula “±”). Si la dirección del movimiento del cuerpo es perpendicular a la dirección de la fuerza, entonces dicha fuerza no realiza ningún trabajo, es decir, A = 0.
Considere tres ilustraciones de tres aspectos del trabajo mecánico.
Hacer un trabajo por la fuerza puede parecer diferente desde la perspectiva de distintos observadores. Consideremos un ejemplo: una niña sube en un ascensor. ¿Realiza trabajo mecánico? Una niña sólo puede trabajar en aquellos cuerpos sobre los que actúa por la fuerza. Sólo existe un cuerpo así: la cabina del ascensor, ya que la niña presiona el suelo con su peso. Ahora necesitamos saber si la cabina va en una determinada dirección. Consideremos dos opciones: con un observador estacionario y en movimiento.
Deje que el niño observador se siente primero en el suelo. En relación con él, la cabina del ascensor se mueve hacia arriba y recorre una cierta distancia. El peso de la niña se dirige en la dirección opuesta: hacia abajo, por lo tanto, la niña realiza un trabajo mecánico negativo en la cabina: A desarrollador< 0. Вообразим, что мальчик-наблюдатель пересел внутрь кабины движущегося лифта. Как и ранее, вес девочки действует на пол кабины. Но теперь по отношению к такому наблюдателю кабина лифта не движется. Поэтому с точки зрения наблюдателя в кабине лифта девочка не совершает механическую работу: A desarrollo = 0.
Cuando los cuerpos interactúan legumbres un cuerpo puede transferirse total o parcialmente a otro cuerpo. Si sobre un sistema de cuerpos no actúan fuerzas externas de otros cuerpos, dicho sistema se llama cerrado.
Esta ley fundamental de la naturaleza se llama Ley de conservación del impulso. Es consecuencia de la segunda y tercera. Las leyes de Newton.
Consideremos dos cuerpos cualesquiera que interactúan y que forman parte de un sistema cerrado. Denotamos las fuerzas de interacción entre estos cuerpos por y Según la tercera ley de Newton Si estos cuerpos interactúan durante el tiempo t, entonces los impulsos de las fuerzas de interacción son iguales en magnitud y están dirigidos en direcciones opuestas: apliquemos la segunda ley de Newton a estos cuerpos :
donde y son los impulsos de los cuerpos en el momento inicial del tiempo, y son los impulsos de los cuerpos al final de la interacción. De estas relaciones se sigue:
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Esta igualdad significa que como resultado de la interacción de dos cuerpos, su impulso total no ha cambiado. Ahora, considerando todas las posibles interacciones de pares de cuerpos incluidos en un sistema cerrado, podemos concluir que las fuerzas internas de un sistema cerrado no pueden cambiar su momento total, es decir, la suma vectorial del momento de todos los cuerpos incluidos en este sistema.
Trabajo mecánico y potencia.
Las características energéticas del movimiento se introducen basándose en el concepto. trabajo mecanico o trabajo de fuerza.
Trabajo A realizado por una fuerza constante es una cantidad física igual al producto de los módulos de fuerza y desplazamiento multiplicado por el coseno del ángulo α entre los vectores de fuerza y movimientos(Figura 1.1.9):
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El trabajo es una cantidad escalar. Puede ser positivo (0° ≤ α< 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в julios (J).
Un julio es igual al trabajo realizado por una fuerza de 1 N para moverse 1 m en la dirección de la fuerza.
Si la proyección de la fuerza sobre la dirección del movimiento no permanece constante, se debe calcular el trabajo para movimientos pequeños y sumar los resultados:
Un ejemplo de una fuerza cuyo módulo depende de la coordenada es la fuerza elástica de un resorte, que obedece ley de hooke. Para estirar un resorte, se le debe aplicar una fuerza externa, cuyo módulo es proporcional al alargamiento del resorte (Fig. 1.1.11).
La dependencia del módulo de fuerza externa de la coordenada x se representa en el gráfico como una línea recta (Fig. 1.1.12).
Basado en el área del triángulo de la Fig. 1.18.4 se puede determinar el trabajo realizado por una fuerza externa aplicada al extremo libre derecho del resorte:
La misma fórmula expresa el trabajo realizado por una fuerza externa al comprimir un resorte. En ambos casos, el trabajo de la fuerza elástica es igual en magnitud al trabajo de la fuerza externa y de signo opuesto.
Si se aplican varias fuerzas a un cuerpo, entonces el trabajo total realizado por todas las fuerzas es igual a la suma algebraica del trabajo realizado por las fuerzas individuales y es igual al trabajo resultante de las fuerzas aplicadas.
El trabajo realizado por una fuerza por unidad de tiempo se llama fuerza. La potencia N es una cantidad física igual a la relación entre el trabajo A y el período de tiempo t durante el cual se realizó este trabajo.