Mechaninis darbas. Darbo vienetai.
Kasdieniame gyvenime „darbo“ sąvoka suprantame viską.
Fizikoje sąvoka Darbas kiek kitaip. Tai yra tam tikras fizinis dydis, o tai reiškia, kad jį galima išmatuoti. Fizikoje pirmiausia tiriama mechaninis darbas .
Apsvarstykite mechaninio darbo pavyzdžius.
Traukinys juda veikiamas elektrinio lokomotyvo traukos jėgos, dirbdamas mechaninį darbą. Kai šaunamas ginklas, parako dujų slėgio jėga veikia – ji judina kulką išilgai vamzdžio, o kulkos greitis didėja.
Iš šių pavyzdžių matyti, kad mechaninis darbas atliekamas, kai kūnas juda veikiamas jėgos. Mechaniniai darbai atliekami ir tuo atveju, kai kūną veikianti jėga (pavyzdžiui, trinties jėga) sumažina jo judėjimo greitį.
Norintys perkelti spintelę, spaudžiame ją su jėga, bet jei ji nejuda vienu metu, tai mechaninio darbo neatliekame. Galima įsivaizduoti atvejį, kai kūnas juda nedalyvaujant jėgoms (inercija), tokiu atveju mechaninis darbas taip pat neatliekamas.
Taigi, mechaninis darbas atliekamas tik tada, kai kūną veikia jėga ir jis juda .
Nesunku suprasti, kad kuo didesnė jėga veikia kūną ir kuo ilgesnis kelias, kurį kūnas eina veikiant šiai jėgai, tuo didesnis darbas.
Mechaninis darbas yra tiesiogiai proporcingas taikomai jėgai ir tiesiogiai proporcingas nuvažiuotam atstumui. .
Todėl sutarėme mechaninį darbą matuoti jėgos sandauga ir keliu, nueinančiu šia šios jėgos kryptimi:
darbas = jėga × kelias
Kur A- Darbas, F- jėga ir s- nuvažiuotas atstumas.
Darbo vienetas yra darbas, atliktas 1 N jėga 1 m keliu.
Darbo vienetas - džaulis (J ) pavadintas anglų mokslininko Joule vardu. Taigi,
1 J = 1 N m.
Taip pat naudotas kilodžaulių (kJ) .
1 kJ = 1000 J.
Formulė A = Fs taikoma, kai galia F yra pastovus ir sutampa su kūno judėjimo kryptimi.
Jei jėgos kryptis sutampa su kūno judėjimo kryptimi, tai ši jėga atlieka teigiamą darbą.
Jei kūno judėjimas vyksta priešinga kryptimi, nei veikia jėgos, pavyzdžiui, slydimo trinties jėga, tai ši jėga atlieka neigiamą darbą.
Jei kūną veikiančios jėgos kryptis yra statmena judėjimo krypčiai, tai ši jėga neveikia, darbas lygus nuliui:
Ateityje, kalbėdami apie mechaninį darbą, trumpai pavadinsime vienu žodžiu – darbas.
Pavyzdys. Apskaičiuokite atliktus darbus keliant 0,5 m3 tūrio granito plokštę į 20 m aukštį Granito tankis 2500 kg/m 3.
Duota:
ρ \u003d 2500 kg / m 3
Sprendimas:
čia F yra jėga, kurią reikia taikyti, kad plokštė tolygiai pakiltų. Šios jėgos modulis yra lygus plokštę veikiančios gijos Fstrand jėgai, t.y. F = Fstrand. O gravitacijos jėgą galima nustatyti pagal plokštės masę: Ftyazh = gm. Apskaičiuojame plokštės masę, žinodami jos tūrį ir granito tankį: m = ρV; s = h, t.y. kelias yra lygus pakilimo aukščiui.
Taigi, 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.
Atsakymas: A = 245 kJ.
Svirtys.Jėga.Energija
Skirtingi varikliai tą patį darbą atlieka skirtingai. Pavyzdžiui, kranas statybvietėje per kelias minutes pakelia šimtus plytų į viršutinį pastato aukštą. Jei darbuotojas perkeltų šias plytas, jam tai padaryti prireiktų kelių valandų. Kitas pavyzdys. Arklys hektarą žemės gali suarti per 10-12 valandų, o traktorius su daugiadaliu plūgu ( plūgas- plūgo dalis, kuri nupjauna žemės sluoksnį iš apačios ir perkelia jį į sąvartyną; multi-share – daug akcijų), šis darbas bus atliktas 40-50 min.
Aišku, kad kranas tą patį darbą atlieka greičiau nei darbininkas, o traktorius greičiau už arklį. Darbo greitį apibūdina ypatinga reikšmė, vadinama galia.
Galia yra lygi darbo ir laiko, kurį jis buvo atliktas, santykiui.
Norint apskaičiuoti galią, reikia padalyti darbą iš laiko, per kurį šis darbas atliekamas. galia = darbas / laikas.
Kur N- galia, A- Darbas, t- atlikto darbo laikas.
Galia yra pastovi reikšmė, kai kas sekundę atliekamas tas pats darbas, kitais atvejais santykis A/t nustato vidutinę galią:
N plg = A/t . Galios vienetas buvo paimtas kaip galia, kuria darbas J atliekamas per 1 s.
Šis vienetas vadinamas vatais ( antradienis) kito anglų mokslininko Watto garbei.
1 vatas = 1 džaulis / 1 sekundė, arba 1 W = 1 J/s.
Vatas (džaulis per sekundę) - W (1 J / s).
Didesni galios vienetai plačiai naudojami inžinerijoje - kilovatas (kW), megavatų (MW) .
1 MW = 1 000 000 W
1 kW = 1000 W
1 mW = 0,001 W
1 W = 0,000001 MW
1 W = 0,001 kW
1 W = 1000 mW
Pavyzdys. Raskite per užtvanką tekančio vandens tėkmės galią, jei vandens kritimo aukštis 25 m, o debitas 120 m3 per minutę.
Duota:
ρ = 1000 kg/m3
Sprendimas:
Kritančio vandens masė: m = ρV,
m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120 000 kg (12 104 kg).
Vandenį veikianti gravitacijos jėga:
F = 9,8 m/s2 120 000 kg ≈ 1 200 000 N (12 105 N)
Per minutę atliktas darbas:
A – 1 200 000 N 25 m = 30 000 000 J (3 107 J).
Srauto galia: N = A/t,
N = 30 000 000 J / 60 s = 500 000 W = 0,5 MW.
Atsakymas: N = 0,5 MW.
Įvairių variklių galia svyruoja nuo šimtųjų ir dešimtųjų kilovatų (elektrinio skustuvo variklis, siuvimo mašina) iki šimtų tūkstančių kilovatų (vandens ir garo turbinos).
5 lentelė
Kai kurių variklių galia, kW.
Kiekvienas variklis turi lentelę (variklio pasą), kurioje yra tam tikri duomenys apie variklį, įskaitant jo galią.
Žmogaus galia normaliomis darbo sąlygomis yra vidutiniškai 70-80 vatų. Darydamas šuolius, bėgiodamas laiptais, žmogus gali išvystyti iki 730 vatų galią, o kai kuriais atvejais ir daugiau.
Iš formulės N = A/t išplaukia, kad
Norėdami apskaičiuoti darbą, turite padauginti galią iš laiko, per kurį buvo atliktas šis darbas.
Pavyzdys. Kambario ventiliatoriaus variklio galia yra 35 vatai. Kiek darbo jis padaro per 10 minučių?
Užrašykime problemos būklę ir ją išspręskime.
Duota:
Sprendimas:
A = 35 W * 600 s = 21 000 W * s = 21 000 J = 21 kJ.
Atsakymas A= 21 kJ.
paprasti mechanizmai.
Nuo neatmenamų laikų žmogus mechaniniams darbams atlikti naudojo įvairius prietaisus.
|
|
Visi žino, kad sunkus daiktas (akmuo, spintelė, mašina), kurio negalima pajudinti rankomis, gali būti perkeltas gana ilga lazda – svirtimi.
Šiuo metu manoma, kad svertų pagalba prieš tris tūkstančius metų, statant piramides senovės Egipte, sunkios akmens plokštės buvo perkeltos ir iškeltos į didelį aukštį.
Daugeliu atvejų, užuot pakėlus sunkų krovinį į tam tikrą aukštį, jį galima suvynioti arba patraukti į tą patį aukštį nuožulnia plokštuma arba pakelti naudojant blokus.
Galiai transformuoti naudojami įrenginiai vadinami mechanizmai .
Paprasti mechanizmai apima: svirtis ir jų rūšis - blokas, vartai; pasvirusi plokštuma ir jos atmainos - pleištas, sraigtas. Daugeliu atvejų naudojami paprasti mechanizmai, siekiant padidinti jėgą, ty kelis kartus padidinti jėgą, veikiančią kūną.
Paprasti mechanizmai randami tiek buityje, tiek visose sudėtingose gamyklinėse ir gamyklinėse mašinose, kurios pjauna, suka ir štampuoja didelius plieno lakštus arba traukia pačius geriausius siūlus, iš kurių vėliau gaminami audiniai. Tokius pačius mechanizmus galima rasti šiuolaikiniuose sudėtinguose automatuose, spausdinimo ir skaičiavimo mašinose.
Svirties rankena. Jėgų balansas ant svirties.
Apsvarstykite paprasčiausią ir labiausiai paplitusią mechanizmą - svirtį.
Svirtis yra standus korpusas, kuris gali suktis aplink fiksuotą atramą.
Paveiksluose parodyta, kaip darbuotojas naudoja laužtuvą, kad pakeltų krovinį kaip svirtį. Pirmuoju atveju darbuotojas su jėga F spaudžia laužtuvo galą B, antroje - pakelia galą B.
Darbuotojas turi įveikti krovinio svorį P- jėga nukreipta vertikaliai žemyn. Tam jis sukasi laužtuvą aplink ašį, einančią per vienintelę nejudėdamas lūžio taškas – jo atramos taškas APIE. Jėga F, su kuria darbuotojas veikia svirtį, mažesnė jėga P, todėl darbuotojas gauna įgyti jėgų. Svirties pagalba galite pakelti tokį sunkų krovinį, kad negalite jo pakelti savarankiškai.
Paveikslėlyje parodyta svirtis, kurios sukimosi ašis yra APIE(atramos taškas) yra tarp jėgų taikymo taškų A Ir IN. Kitame paveikslėlyje parodyta šios svirties schema. Abi jėgos F 1 ir F 2, veikiantys svirtį, yra nukreipti ta pačia kryptimi.
Trumpiausias atstumas tarp atramos taško ir tiesės, išilgai kurios jėga veikia svirtį, vadinamas jėgos svirtimi.
Norint rasti jėgos petį, reikia nuleisti statmeną nuo atramos taško iki jėgos veikimo linijos.Šio statmens ilgis bus šios jėgos petys. Paveikslas tai rodo OA- pečių jėga F 1; OV- pečių jėga F 2. Jėgos, veikiančios svirtį, gali sukti ją aplink ašį dviem kryptimis: pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę. Taip, galia F 1 sukasi svirtį pagal laikrodžio rodyklę ir jėga F 2 sukasi prieš laikrodžio rodyklę.
Sąlyga, kuriai esant svirtis yra pusiausvyroje, veikiant ją veikiančioms jėgoms, gali būti nustatyta eksperimentiškai. Kartu reikia atsiminti, kad jėgos veikimo rezultatas priklauso ne tik nuo jos skaitinės vertės (modulio), bet ir nuo taško, kuriame ji veikia kūnui arba kaip ji nukreipta.
Įvairūs svoriai pakabinami ant svirties (žr. pav.) abiejose atramos taško pusėse, kad kiekvieną kartą svirtis išliktų pusiausvyroje. Jėgos, veikiančios svirtį, lygios šių apkrovų svoriams. Kiekvienu atveju išmatuojami jėgų moduliai ir jų pečiai. Iš patirties, parodytos 154 paveiksle, matyti, kad jėga 2 H subalansuoja galią 4 H. Šiuo atveju, kaip matyti iš paveikslo, mažesnės jėgos petys yra 2 kartus didesnis nei didesnės jėgos petys.
Tokių eksperimentų pagrindu buvo nustatyta svirties pusiausvyros sąlyga (taisyklė).
Svirtis yra pusiausvyroje, kai ją veikiančios jėgos yra atvirkščiai proporcingos šių jėgų pečiams.
Šią taisyklę galima parašyti kaip formulę:
F 1/F 2 = l 2/ l 1 ,
Kur F 1Ir F 2 - svirtį veikiančios jėgos, l 1Ir l 2 , - šių jėgų pečiai (žr. pav.).
Svirties pusiausvyros taisyklę nustatė Archimedas apie 287–212 m. pr. Kr e. (Bet ar paskutinėje pastraipoje nebuvo parašyta, kad svertus naudojo egiptiečiai? O gal čia svarbus žodis „įkurta“?)
Iš šios taisyklės išplaukia, kad mažesnė jėga gali būti subalansuota naudojant didesnės jėgos svertą. Tegul viena svirties svirtis yra 3 kartus didesnė už kitą (žr. pav.). Tada, taške B pritaikius, pavyzdžiui, 400 N jėgą, galima pakelti 1200 N sveriantį akmenį. Norint pakelti dar sunkesnį krovinį, reikia padidinti svirties svirties ilgį, ant kurios sveria 1200 N. darbuotojo veiksmai.
Pavyzdys. Naudodamas svirtį darbininkas pakelia 240 kg sveriančią plokštę (žr. 149 pav.). Kokia jėga jis veikia didesnę svirties ranką, kuri yra 2,4 m, jei mažesnė svirtis yra 0,6 m?
Užrašykime problemos būklę ir ją išspręskime.
Duota:
Sprendimas:
Pagal svirties pusiausvyros taisyklę F1/F2 = l2/l1, iš kur F1 = F2 l2/l1, kur F2 = P – akmens svoris. Akmens svoris asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N
Tada F1 = 2400 N 0,6 / 2,4 = 600 N.
Atsakymas: F1 = 600 N.
Mūsų pavyzdyje darbuotojas įveikia 2400 N jėgą, paveikdamas svirtį 600 N. Tačiau tuo pat metu ranka, kurią veikia darbuotojas, yra 4 kartus ilgesnė nei ta, kurią veikia akmens svoris. ( l 1 : l 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).
Taikant sverto taisyklę, mažesnė jėga gali subalansuoti didesnę jėgą. Šiuo atveju mažesnės jėgos petys turi būti ilgesnis nei didesnės jėgos petys.
Galios akimirka.
Jūs jau žinote svirties pusiausvyros taisyklę:
F 1 / F 2 = l 2 / l 1 ,
Naudodami proporcijos savybę (jos kraštutinių narių sandauga yra lygi vidurinių narių sandaugai), rašome ją tokia forma:
F 1l 1 = F 2 l 2 .
Kairėje lygties pusėje yra jėgos sandauga F 1 ant jos peties l 1, o dešinėje - jėgos sandauga F 2 ant jos peties l 2 .
Jėgos, sukančios kūną ir jo ranką, modulio sandauga vadinama jėgos momentas; tai žymima raide M. Taigi,
Svirtis yra pusiausvyroje veikiant dviem jėgoms, jei jėgos momentas, sukantis ją pagal laikrodžio rodyklę, yra lygus jėgos, sukančios ją prieš laikrodžio rodyklę, momentui.
Ši taisyklė vadinama momento taisyklė , galima parašyti kaip formulę:
M1 = M2
Iš tiesų, mūsų nagrinėtame eksperimente (§ 56) veikiančios jėgos buvo lygios 2 N ir 4 N, jų pečiai buvo atitinkamai 4 ir 2 svirties spaudimai, t. y. šių jėgų momentai yra vienodi, kai svirtis yra pusiausvyroje.
Jėgos momentą, kaip ir bet kurį fizikinį dydį, galima išmatuoti. Jėgos momento vienetu imamas 1 N jėgos momentas, kurio petys lygiai 1 m.
Šis vienetas vadinamas niutonmetras (N m).
Jėgos momentas apibūdina jėgos veikimą ir parodo, kad jis vienu metu priklauso nuo jėgos modulio ir nuo jos peties. Iš tiesų, mes jau žinome, pavyzdžiui, kad jėgos poveikis durims priklauso ir nuo jėgos modulio, ir nuo to, kur ji veikia. Duris lengviau pasukti, kuo toliau nuo sukimosi ašies veikia jas veikianti jėga. Veržlę geriau atsukti ilgu nei trumpu veržliarakčiu. Kuo lengviau iš šulinio pakelti kibirą, tuo ilgesnė vartų rankena ir pan.
Svertai technikoje, kasdienybėje ir gamtoje.
Svirties taisyklė (arba momentų taisyklė) yra įvairių įrankių ir prietaisų, naudojamų technikoje ir kasdieniame gyvenime, kai reikia stiprinti jėgas ar kelyje, veikimo pagrindas.
Dirbdami su žirklėmis įgyjame jėgų. Žirklės - tai svirtis(ryžiai), kurių sukimosi ašis vyksta per varžtą, jungiantį abi žirklių puses. veikianti jėga F 1 – žmogaus, spaudžiančio žirkles, rankos raumenų jėga. Priešinga jėga F 2 - tokios medžiagos pasipriešinimo jėga, kuri pjaunama žirklėmis. Priklausomai nuo žirklių paskirties, jų įtaisas skiriasi. Biuro žirklės, skirtos popieriui pjauti, turi ilgus peiliukus ir beveik tokio pat ilgio rankenas. Popieriaus pjovimui nereikia daug jėgos, o ilgu peiliuku patogiau pjauti tiesia linija. Lakštinio metalo pjovimo žirklės (pav.) turi daug ilgesnes rankenas nei ašmenys, kadangi metalo pasipriešinimo jėga yra didelė ir norint ją subalansuoti, reikia gerokai padidinti veikiančios jėgos petį. Dar didesnis skirtumas tarp rankenų ilgio ir pjovimo dalies atstumo bei sukimosi ašies vielos pjaustytuvai(Pav.), Skirtas vielos pjovimui.
Daugelyje mašinų yra įvairių tipų svirtys. Siuvimo mašinos rankena, dviračio pedalai ar rankiniai stabdžiai, automobilių ir traktorių pedalai, pianino klavišai – tai šiose mašinose ir įrankiuose naudojamų svirčių pavyzdžiai.
Svirčių panaudojimo pavyzdžiai yra veržlių ir darbastalių rankenos, gręžimo staklių svirtis ir kt.
Svirties balansų veikimas taip pat pagrįstas svirties principu (pav.). Treniruotės skalė, parodyta 48 paveiksle (p. 42), veikia kaip vienodos rankos svirtis . IN dešimtainės skalės ranka, prie kurios pakabinamas puodelis su svarmenimis, yra 10 kartų ilgesnė už ranką, kuri neša krovinį. Tai labai supaprastina didelių krovinių svėrimą. Sverdami krovinį dešimtainėmis svarstyklėmis, svarmenų svorį padauginkite iš 10.
|
|
|
Svarstyklių, skirtų automobilių prekiniams vagonams sverti, įtaisas taip pat pagrįstas svirties taisykle.
Svertai taip pat randami įvairiose gyvūnų ir žmonių kūno vietose. Tai, pavyzdžiui, rankos, kojos, žandikauliai. Daug svertų galima rasti vabzdžių kūne (perskaičius knygą apie vabzdžius ir jų kūno sandarą), paukščių, augalų struktūroje.
Svirties pusiausvyros dėsnio taikymas blokui.
Blokuoti yra ratas su grioveliu, sustiprintas laikiklyje. Išilgai bloko latako pervedama virvė, kabelis arba grandinė.
|
|
Fiksuotas blokas vadinamas toks blokas, kurio ašis yra fiksuota, o keliant krovinius nekyla ir nenukrenta (pav.
Fiksuotas blokas gali būti laikomas vienodo svirties svirtimi, kurioje jėgų rankos yra lygios rato spinduliui (pav.): OA = OB = r. Toks blokas nesuteikia jėgų. ( F 1 = F 2), bet leidžia keisti jėgos kryptį. Kilnojamas blokas yra blokas. kurio ašis kyla ir krinta kartu su apkrova (pav.). Paveikslėlyje parodyta atitinkama svirtis: APIE- svirties atramos taškas, OA- pečių jėga R Ir OV- pečių jėga F. Nuo peties OV 2 kartus per petį OA, tada jėga F 2 kartus mažesnė galia R:
F = P/2 .
Taigi, kilnojamas blokas suteikia stiprumo 2 kartus .
Tai taip pat galima įrodyti naudojant jėgos momento sąvoką. Kai blokas yra pusiausvyroje, jėgų momentai F Ir R yra lygūs vienas kitam. Bet jėgos petys F 2 kartus didesnė už pečių jėgą R, o tai reiškia, kad pati jėga F 2 kartus mažesnė galia R.
Paprastai praktikoje naudojamas fiksuoto bloko derinys su kilnojamu (pav.). Fiksuotas blokas naudojamas tik patogumui. Jis nesuteikia stiprybės, bet keičia jėgos kryptį. Pavyzdžiui, jis leidžia pakelti krovinį stovint ant žemės. Tai praverčia daugeliui žmonių ar darbuotojų. Tačiau tai suteikia 2 kartus daugiau galios nei įprastai!
Darbo lygybė naudojant paprastus mechanizmus. Mechanikos „auksinė taisyklė“.
Mūsų svarstyti paprasti mechanizmai naudojami atliekant darbus tais atvejais, kai vienos jėgos veikimu reikia subalansuoti kitą jėgą.
Natūralu, kad kyla klausimas: ar paprasti mechanizmai neduoda naudos darbui? Atsakymą į šį klausimą galima gauti iš patirties.
Subalansavus ant svirties dvi skirtingo modulio jėgas F 1 ir F 2 (pav.), paleiskite svirtį. Pasirodo, kad tuo pačiu metu mažesnės jėgos taikymo taškas F 2 eina ilgą kelią s 2, ir didesnės jėgos taikymo taškas F 1 - mažesnis kelias s 1. Išmatavę šiuos kelius ir jėgos modulius, nustatome, kad keliai, kuriuos kerta svirties jėgų taikymo taškai, yra atvirkščiai proporcingi jėgoms:
s 1 / s 2 = F 2 / F 1.
Taigi, veikdami ilgą svirties ranką, laimime jėgą, bet kartu tiek pat prarandame kelyje.
Jėgos produktas F pakeliui s yra darbo. Mūsų eksperimentai rodo, kad svirtį veikiančių jėgų darbas yra lygus viena kitai:
F 1 s 1 = F 2 s 2, t.y. A 1 = A 2.
Taigi, naudojant svertą, laimėjimas darbe neveiks.
Naudodami svirtį galime laimėti tiek jėga, tiek distancija. Veikdami jėga trumpąją svirties ranką, įveikiame atstumą, bet tiek pat prarandame jėgą.
Sklando legenda, kad Archimedas, apsidžiaugęs svirties taisyklės atradimu, sušuko: „Duok man atramos tašką, ir aš apversiu Žemę!“.
Žinoma, Archimedas nebūtų galėjęs susidoroti su tokia užduotimi net jei jam būtų duotas atramos taškas (kuris turėtų būti už Žemės) ir reikiamo ilgio svirtis.
Norint pakelti žemę tik 1 cm, ilgoji svirties rankena turėtų apibūdinti milžiniško ilgio lanką. Norint pajudinti ilgą svirties galą šiuo keliu, pavyzdžiui, 1 m/s greičiu, prireiktų milijonų metų!
Neduoda naudos iš darbo ir fiksuoto bloko, kurią nesunku patikrinti patirtimi (žr. pav.). Jėgų taikymo taškais nueiti keliai F Ir F, yra vienodi, tos pačios yra jėgos, o tai reiškia, kad darbas yra tas pats.
Galima išmatuoti ir palyginti tarpusavyje atliekamus darbus kilnojamo blokelio pagalba. Norint pakelti krovinį į aukštį h kilnojamo bloko pagalba, reikia pakelti lyno galą, prie kurio pritvirtintas dinamometras, kaip rodo patirtis (pav.), į 2h aukštį.
Taigi, 2 kartus priaugę jėgų, pakeliui pralaimi 2 kartus, todėl kilnojamasis blokas neduoda naudos.
Šimtmečių praktika tai parodė nė vienas mechanizmas neduoda naudos iš darbo. Priklausomai nuo darbo sąlygų, naudojami įvairūs mechanizmai, siekiant laimėti jėgas arba kelyje.
Jau senovės mokslininkai žinojo visiems mechanizmams taikomą taisyklę: kiek kartų laimime jėga, kiek kartų pralaimime per atstumą. Ši taisyklė buvo vadinama „auksine mechanikos taisykle“.
Mechanizmo efektyvumas.
Atsižvelgdami į svirties įrenginį ir veikimą, neatsižvelgėme į trintį, taip pat į svirties svorį. tokiomis idealiomis sąlygomis darbas, atliktas pritaikytos jėgos (vadinsime tai darbu užbaigti), yra lygus naudinga kelti krovinius ar įveikti bet kokį pasipriešinimą.
Praktiškai bendras mechanizmo atliktas darbas visada yra šiek tiek didesnis nei naudingas darbas.
Dalis darbo atliekama prieš mechanizme esančią trinties jėgą ir judant atskiras jo dalis. Taigi, naudojant kilnojamąjį bloką, papildomai tenka atlikti paties bloko, virvės kėlimo ir trinties jėgos nustatymo bloko ašyje darbus.
Kad ir kokį mechanizmą pasirinktume, jo pagalba atliktas naudingas darbas visada yra tik dalis viso darbo. Taigi, naudingą darbą pažymėdami raide Ap, visą (išleistą) – raide Az, galime rašyti:
Aukštyn< Аз или Ап / Аз < 1.
Naudingo darbo ir bendro darbo santykis vadinamas mechanizmo efektyvumu.
Efektyvumas sutrumpintas kaip efektyvumas.
Efektyvumas = Ap / Az.
Efektyvumas paprastai išreiškiamas procentais ir žymimas graikiška raide η, jis skaitomas kaip "tai":
η \u003d Ap / Az 100%.
Pavyzdys: Ant trumposios svirties svirties pakabinama 100 kg masė. Jai pakelti į ilgą ranką buvo pritaikyta 250 N jėga Krovinys pakeltas į aukštį h1 = 0,08 m, o varomosios jėgos taikymo taškas nukrito iki aukščio h2 = 0,4 m. Raskite efektyvumą svirtis.
Užrašykime problemos būklę ir ją išspręskime.
Duota :
Sprendimas :
η \u003d Ap / Az 100%.
Visas (išleistas) darbas Az = Fh2.
Naudingas darbas Ап = Рh1
P \u003d 9,8 100 kg ≈ 1000 N.
Ap \u003d 1000 N 0,08 \u003d 80 J.
Az \u003d 250 N 0,4 m \u003d 100 J.
η = 80 J/100 J 100 % = 80 %.
Atsakymas : η = 80%.
Tačiau „auksinė taisyklė“ įvykdyta ir šiuo atveju. Dalis naudingo darbo – 20% jo – skiriama trinčiai svirties ašyje ir oro pasipriešinimui įveikti bei pačios svirties judėjimui.
Bet kurio mechanizmo efektyvumas visada yra mažesnis nei 100%. Kurdami mechanizmus žmonės linkę padidinti savo efektyvumą. Tam sumažinama mechanizmų ašių trintis ir jų svoris.
Energija.
Gamyklose ir gamyklose mašinos ir mašinos yra varomos elektros varikliais, kurie suvartoja elektros energiją (iš čia ir kilęs pavadinimas).
|
Suspausta spyruoklė (ryžiai), išsitiesindama, veikia, pakelia krovinį į aukštį arba verčia pajudėti vežimėlį. Nejudantis krovinys, pakeltas virš žemės, darbo neatlieka, bet jei šis krovinys nukrenta, gali dirbti (pavyzdžiui, gali įkalti krūvą į žemę). Kiekvienas judantis kūnas turi galimybę atlikti darbą. Taigi iš pasvirusios plokštumos nusiritęs plieninis rutulys A (ryžiai), atsitrenkęs į medinį bloką B, pajudina jį tam tikru atstumu. Tai darant, dirbama. Jei kūnas ar keli tarpusavyje sąveikaujantys kūnai (kūnų sistema) gali dirbti, sakoma, kad jie turi energijos. Energija - fizinis dydis, rodantis, kokį darbą gali atlikti kūnas (ar keli kūnai). Energija SI sistemoje išreiškiama tais pačiais vienetais kaip ir darbas, t.y džaulių. Kuo daugiau darbo gali atlikti kūnas, tuo daugiau energijos jis turi. Kai dirbama, keičiasi kūnų energija. Atliktas darbas lygus energijos pokyčiui. Potenciali ir kinetinė energija.Potencialas (nuo lat. potencija - galimybė) energija vadinama energija, kurią lemia sąveikaujančių kūnų ir to paties kūno dalių tarpusavio padėtis. Pavyzdžiui, potenciali energija turi kūną, pakeltą Žemės paviršiaus atžvilgiu, nes energija priklauso nuo santykinės jo ir Žemės padėties. ir jų tarpusavio trauka. Jeigu Žemėje gulinčio kūno potencinę energiją laikysime lygia nuliui, tai iki tam tikro aukščio pakelto kūno potencinę energiją lems gravitacijos atliktas darbas kūnui krintant į Žemę. Nurodykite potencialią kūno energiją E n nes E = A, o darbas, kaip žinome, lygus jėgos ir kelio sandaugai, tada A = Fh, Kur F- gravitacija. Taigi potenciali energija En yra lygi: E = Fh arba E = gmh, Kur g- gravitacijos pagreitis, m- kūno masė, h- aukštis, iki kurio pakeltas kūnas. Vanduo upėse, kurias laiko užtvankos, turi didžiulę potencialią energiją. Kritęs vanduo veikia, paleidžia galingas jėgainių turbinas. Kopros plaktuko potencinė energija (pav.) naudojama statybose polių kalimo darbams atlikti. Atidarius duris spyruokle, dirbama spyruoklei ištempti (arba suspausti). Dėl įgytos energijos spyruoklė, susitraukdama (arba ištiesindama), atlieka darbą, uždarydama duris. Suspaustų ir nesusuktų spyruoklių energija naudojama, pavyzdžiui, rankiniuose laikrodžiuose, įvairiuose žaisluose su laikrodžiu ir kt. Bet koks elastingas deformuotas kūnas turi potencialią energiją. Potenciali suslėgtų dujų energija naudojama eksploatuojant šiluminius variklius, plaktukus, kurie plačiai naudojami kasybos pramonėje, tiesiant kelius, kasant kietą gruntą ir kt. Energija, kurią kūnas turi dėl jo judėjimo, vadinama kinetine (iš graikų k. kinas - judėjimo) energija. Kūno kinetinė energija žymima raide EĮ. Judantis vanduo, varantis hidroelektrinių turbinas, eikvoja jo kinetinę energiją ir veikia. Judantis oras turi ir kinetinę energiją – vėją. Nuo ko priklauso kinetinė energija? Pereikime prie patirties (žr. pav.). Jei ridensite rutulį A iš skirtingų aukščių, pastebėsite, kad kuo aukščiau rutulys riedės, tuo didesnis jo greitis ir kuo toliau jis stumia strypą, t.y. atlieka daugiau darbo. Tai reiškia, kad kūno kinetinė energija priklauso nuo jo greičio. Dėl greičio skrendanti kulka turi didelę kinetinę energiją. Kūno kinetinė energija taip pat priklauso nuo jo masės. Pakartokime savo eksperimentą, bet iš pasvirusios plokštumos ridensime kitą kamuoliuką – didesnę masę. B blokas pajudės toliau, t.y., bus atlikta daugiau darbų. Tai reiškia, kad antrojo rutulio kinetinė energija yra didesnė nei pirmojo. Kuo didesnė kūno masė ir jo judėjimo greitis, tuo didesnė jo kinetinė energija. Norint nustatyti kūno kinetinę energiją, taikoma formulė: Ek \u003d mv ^ 2/2, Kur m- kūno masė, v yra kūno greitis. Technologijoje naudojama kūnų kinetinė energija. Užtvankos sulaikytas vanduo, kaip jau minėta, turi didelę potencialią energiją. Krintant nuo užtvankos, vanduo juda ir turi tokią pat didelę kinetinę energiją. Jis varo turbiną, prijungtą prie elektros srovės generatoriaus. Dėl vandens kinetinės energijos susidaro elektros energija. Judančio vandens energija turi didelę reikšmę šalies ekonomikoje. Šią energiją naudoja galingos hidroelektrinės. Kritančio vandens energija yra aplinkai nekenksmingas energijos šaltinis, kitaip nei kuro energija. Visi kūnai gamtoje, palyginti su sąlygine nuline verte, turi potencialią arba kinetinę energiją, o kartais ir abi. Pavyzdžiui, skraidantis lėktuvas turi ir kinetinę, ir potencialią energiją Žemės atžvilgiu. Susipažinome su dviem mechaninės energijos rūšimis. Kitose fizikos kurso dalyse bus nagrinėjamos kitos energijos rūšys (elektrinė, vidinė ir kt.). Vienos rūšies mechaninės energijos pavertimas kita. Vienos rūšies mechaninės energijos virsmo kita reiškinį labai patogu stebėti paveikslėlyje parodytame įrenginyje. Apvyniodami sriegį aplink ašį, pakelkite įrenginio diską. Pakeltas diskas turi tam tikrą potencialią energiją. Jei paleisi, jis suksis ir nukris. Jam krintant disko potencinė energija mažėja, bet tuo pačiu didėja jo kinetinė energija. Kritimo pabaigoje diskas turi tokį kinetinės energijos rezervą, kad vėl gali pakilti beveik iki ankstesnio aukščio. (Dalis energijos išeikvojama dirbant prieš trintį, todėl diskas nepasiekia pradinio aukščio.) Pakilęs į viršų, diskas vėl krenta, o tada vėl pakyla. Šiame eksperimente, kai diskas juda žemyn, jo potencinė energija paverčiama kinetine energija, o judant aukštyn kinetinė energija paverčiama potencialia. Energija virsta iš vienos rūšies į kitą, kai du elastingi kūnai atsitrenkia, pavyzdžiui, į guminį rutulį į grindis arba į plieninį rutulį į plieninę plokštę. Jei pakelsite plieninį rutulį (ryžius) virš plieninės plokštės ir atleisite iš rankų, jis nukris. Kamuoliui krentant, jo potenciali energija mažėja, o kinetinė energija didėja, didėjant rutulio greičiui. Kai kamuolys atsitrenks į lėkštę, ir rutulys, ir lėkštė bus suspausti. Kinetinė energija, kurią turėjo rutulys, virs suspaustos plokštės ir suspausto rutulio potencialia energija. Tada, veikiant elastinėms jėgoms, plokštė ir rutulys įgaus pradinę formą. Rutulys atšoks nuo plokštelės, o jų potenciali energija vėl virs rutulio kinetine energija: rutulys atšoks į viršų greičiu, beveik lygiu greičiui, kurį jis turėjo smūgio į lėkštę momentu. Kamuoliui kylant, rutulio greitis, taigi ir jo kinetinė energija, mažėja, o potenciali energija didėja. atšokęs nuo lėkštės, kamuolys pakyla beveik į tą patį aukštį, iš kurio pradėjo kristi. Pakilimo viršuje visa jo kinetinė energija vėl virs potencialia energija. Gamtos reiškinius dažniausiai lydi vienos energijos rūšies transformacija į kitą. Energija taip pat gali būti perduodama iš vieno kūno į kitą. Taigi, pavyzdžiui, šaudant iš lanko, ištemptos lanko stygos potenciali energija paverčiama skrendančios strėlės kinetine energija. |
Mūsų kasdienėje patirtyje žodis „darbas“ yra labai dažnas. Tačiau reikėtų atskirti fiziologinį darbą nuo darbo fizikos mokslo požiūriu. Grįžęs iš pamokos sakai: „Oi, kaip aš pavargau!“. Tai fiziologinis darbas. Ar, pavyzdžiui, kolektyvo darbas liaudies pasakoje „Ropė“.
1 pav. Darbas kasdienine to žodžio prasme
Čia kalbėsime apie darbą fizikos požiūriu.
Mechaninis darbas atliekamas, kai jėga judina kūną. Darbas žymimas lotyniška raide A. Griežtesnis darbo apibrėžimas yra toks.
Jėgos darbas yra fizikinis dydis, lygus jėgos dydžio ir atstumo, kurį kūnas nukeliauja jėgos kryptimi, sandaugai.
2 pav. Darbas yra fizinis dydis
Formulė galioja, kai kūną veikia pastovi jėga.
Tarptautinėje SI vienetų sistemoje darbas matuojamas džauliais.
Tai reiškia, kad jei kūnas juda 1 metrą veikiant 1 niutono jėgai, tada ši jėga atlieka 1 džaulį.
Darbo vienetas pavadintas anglų mokslininko Jameso Prescott Joule vardu.
3 pav. James Prescott Joule (1818–1889)
Iš darbo apskaičiavimo formulės išplaukia, kad yra trys atvejai, kai darbas lygus nuliui.
Pirmasis atvejis, kai kūną veikia jėga, bet kūnas nejuda. Pavyzdžiui, namą veikia didžiulė gravitacijos jėga. Bet ji nedirba, nes namas nejuda.
Antrasis atvejis, kai kūnas juda pagal inerciją, ty jo neveikia jokios jėgos. Pavyzdžiui, erdvėlaivis juda tarpgalaktinėje erdvėje.
Trečiasis atvejis – kai jėga veikia kūną statmenai kūno judėjimo krypčiai. Šiuo atveju, nors kūnas juda, ir jį veikia jėga, tačiau kūno judėjimo nėra jėgos kryptimi.
4 pav. Trys atvejai, kai darbas lygus nuliui
Taip pat reikėtų pasakyti, kad jėgos darbas gali būti neigiamas. Taip bus, jei įvyks kūno judėjimas prieš jėgos kryptį. Pavyzdžiui, kai kranas pakelia krovinį virš žemės su trosu, gravitacijos darbas yra neigiamas (o lyno tamprumo jėgos darbas aukštyn, atvirkščiai, yra teigiamas).
Tarkime, atliekant statybos darbus, duobė turi būti užberta smėliu. Ekskavatoriui tai padaryti reikėtų kelių minučių, o darbininkui su kastuvu – kelias valandas. Bet būtų atlikę ir ekskavatorius, ir darbininkas tas pats darbas.
5 pav. Tas pats darbas gali būti atliktas skirtingu laiku
Fizikos darbo greičiui apibūdinti naudojamas dydis, vadinamas galia.
Galia yra fizinis dydis, lygus darbo ir jo atlikimo laiko santykiui.
Galia nurodoma lotyniška raide N.
SI galios vienetas yra vatas.
Vienas vatas yra galia, kuria per vieną sekundę atliekamas vienas džaulis.
Jėgos vienetas pavadintas anglų mokslininko ir garo variklio išradėjo Jameso Watto vardu.
6 pav. James Watt (1736–1819)
Sujunkite darbo skaičiavimo formulę su galios skaičiavimo formule.
Prisiminkite dabar, kad kūno nuvažiuoto kelio santykis, S, judėjimo metu t yra kūno greitis v.
Taigi, galia lygi jėgos skaitinės vertės ir kūno greičio jėgos kryptimi sandaugai.
Šią formulę patogu naudoti sprendžiant uždavinius, kuriuose jėga veikia kūną, judantį žinomu greičiu.
Bibliografija
- Lukašikas V.I., Ivanova E.V. Fizikos užduočių rinkinys ugdymo įstaigų 7-9 klasėms. – 17 leidimas. - M.: Švietimas, 2004 m.
- Peryshkin A.V. Fizika. 7 ląstelės - 14 leid., stereotipas. - M.: Bustard, 2010 m.
- Peryshkin A.V. Fizikos uždavinių rinkinys, 7-9 kl.: 5 leid., stereotipas. - M: egzaminų leidykla, 2010 m.
- Interneto portalas Physics.ru ().
- Interneto portalas Festival.1september.ru ().
- Interneto portalas Fizportal.ru ().
- Interneto portalas Elkin52.narod.ru ().
Namų darbai
- Kada darbas lygus nuliui?
- Koks darbas atliekamas keliu, nueitame jėgos kryptimi? Priešinga kryptimi?
- Kokį darbą atlieka trinties jėga, veikianti plytą, kai ji pasislenka 0,4 m? Trinties jėga yra 5 N.
Arklys tam tikra jėga tempia vežimą, pažymėkime F trauka. Ant vežimėlio sėdintis senelis ją spaudžia kažkokia jėga. Pažymėkime tai F spaudimas Vežimėlis juda arklio traukimo jėgos kryptimi (į dešinę), tačiau senelio spaudimo jėgos kryptimi (žemyn) vežimas nejuda. Todėl fizikoje taip sakoma F trauka veikia ant vežimėlio ir F slėgis neveikia vežimėlio.
Taigi, darbas, kurį atlieka jėga veikianti kūną mechaninis darbas- fizikinis dydis, kurio modulis yra lygus jėgos ir kelio, kurį kūnas eina šios jėgos veikimo kryptimi, sandaugai s:
Anglų mokslininko D. Joule garbei buvo pavadintas mechaninio darbo vienetas 1 džaulis(pagal formulę 1 J = 1 N m).
Jei tam tikra jėga veikia svarstomą kūną, tai tam tikras kūnas veikia jį. Štai kodėl jėgos veikimas kūnui ir kūno darbas kūnui yra visiški sinonimai. Tačiau pirmojo korpuso darbas antroje ir antrojo kūno darbas su pirmuoju yra daliniai sinonimai, nes šių kūrinių moduliai visada yra lygūs, o jų ženklai visada priešingi. Štai kodėl formulėje yra ženklas „±“. Pakalbėkime apie darbo požymius išsamiau.
Skaitinės jėgos ir kelio reikšmės visada yra neneigiamos. Priešingai, mechaninis darbas gali turėti tiek teigiamų, tiek neigiamų požymių. Jeigu jėgos kryptis sutampa su kūno judėjimo kryptimi, tai jėgos atliktas darbas laikomas teigiamu. Jei jėgos kryptis yra priešinga kūno judėjimo krypčiai, jėgos atliktas darbas laikomas neigiamu.(iš „±“ formulės paimame „-“). Jei kūno judėjimo kryptis yra statmena jėgos krypčiai, tai tokia jėga neveikia, tai yra, A = 0.
Apsvarstykite tris iliustracijas apie tris mechaninio darbo aspektus.
Darbo atlikimas per jėgą skirtingų stebėtojų požiūriu gali atrodyti kitaip. Apsvarstykite pavyzdį: mergina važiuoja liftu. Ar jis atlieka mechaninį darbą? Mergina gali dirbti tik tuos kūnus, kuriuos ji veikia jėga. Yra tik vienas toks kėbulas – lifto kabina, nes mergina savo svoriu spaudžia grindis. Dabar turime išsiaiškinti, ar kabina eina kokiu nors būdu. Apsvarstykite dvi galimybes: su nejudančiu ir judančiu stebėtoju.
Tegul berniukas stebėtojas pirmiausia atsisėda ant žemės. Kalbant apie tai, lifto kabina pajuda aukštyn ir eina tam tikru keliu. Merginos svoris nukreiptas priešinga kryptimi – žemyn, todėl mergina atlieka neigiamus mechaninius salono darbus: A mergelės< 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 dev = 0.
Kai kūnai sąveikauja pulsas vienas kūnas gali būti iš dalies arba visiškai perkeltas į kitą kūną. Jei išorinės jėgos iš kitų kūnų neveikia kūnų sistemos, tokia sistema vadinama uždaryta.
Šis pagrindinis gamtos dėsnis vadinamas impulso tvermės dėsnis. Tai antrojo ir trečiojo pasekmė Niutono dėsniai.
Apsvarstykite bet kuriuos du sąveikaujančius kūnus, kurie yra uždaros sistemos dalis. Šių kūnų sąveikos jėgos bus pažymėtos ir Pagal trečiąjį Niutono dėsnį Jei šie kūnai sąveikauja per laiką t, tai sąveikos jėgų impulsai yra identiški absoliučia verte ir nukreipti priešingomis kryptimis: Taikykime šiems kūnams antrąjį Niutono dėsnį. :
kur ir yra kūnų momentai pradiniu laiko momentu ir yra kūnų momentai sąveikos pabaigoje. Iš šių koeficientų išplaukia:
|
|
Ši lygybė reiškia, kad dėl dviejų kūnų sąveikos jų bendras impulsas nepasikeitė. Atsižvelgdami į visas kūnų, įtrauktų į uždarą sistemą, porų sąveikas, galime daryti išvadą, kad uždaros sistemos vidinės jėgos negali pakeisti jos bendro impulso, tai yra, visų į šią sistemą įtrauktų kūnų impulsų vektorinės sumos.
Mechaninis darbas ir galia
Šios koncepcijos pagrindu pristatomos judesio energetinės charakteristikos mechaninis darbas arba jėgos darbas.
Darbas A atliekamas nuolatine jėga vadinamas fizikiniu dydžiu, lygiu jėgos ir poslinkio modulių sandaugai, padaugintai iš kampo α tarp jėgos vektorių kosinuso ir poslinkis(1.1.9 pav.):
|
|
Darbas yra skaliarinis dydis. Jis gali būti ir teigiamas (0° ≤ α< 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в džaulių (J).
Džaulis lygus darbui, kurį atlieka 1 N jėga, pasislinkus 1 m jėgos kryptimi.
Jei jėgos projekcija judėjimo krypčiai nepasilieka pastovi, reikia skaičiuoti mažų poslinkių darbą ir apibendrinti rezultatus:
Jėgos, kurios modulis priklauso nuo koordinatės, pavyzdys yra paklūstančios spyruoklės tamprumo jėga Huko dėsnis. Norint ištempti spyruoklę, ją reikia veikti išorine jėga, kurios modulis yra proporcingas spyruoklės pailgėjimui (1.1.11 pav.).
Išorinės jėgos modulio priklausomybė nuo x koordinatės pavaizduota grafike tiesia linija (1.1.12 pav.).
Pagal trikampio plotą pav. 1.18.4, galite nustatyti darbą, kurį atliko išorinė jėga, veikiama dešiniajame laisvajame spyruoklės gale:
Ta pati formulė išreiškia išorinės jėgos atliekamą darbą, kai spyruoklė suspaudžiama. Abiem atvejais tamprumo jėgos darbas absoliučia verte yra lygus išorinės jėgos darbui ir priešingas ženklu.
Jei kūną veikia kelios jėgos, tai bendras visų jėgų darbas yra lygus atskirų jėgų atliekamo darbo algebrinei sumai ir yra lygus darbui taikomų jėgų rezultatas.
Jėgos per laiko vienetą atliktas darbas vadinamas galia. Galia N yra fizikinis dydis, lygus darbo A santykiui su laiko intervalu t, per kurį šis darbas atliekamas.