Mehansko delo. Enote dela.
V vsakdanjem življenju pod pojmom "delo" razumemo vse.
V fiziki koncept delo nekoliko drugačen. To je določena fizikalna količina, kar pomeni, da jo je mogoče izmeriti. V fiziki je študij predvsem mehansko delo .
Razmislite o primerih mehanskega dela.
Vlak se premika pod vplivom vlečne sile električne lokomotive, medtem ko opravlja mehansko delo. Pri strelu iz pištole sila pritiska smodniških plinov deluje – premika kroglo vzdolž cevi, medtem ko se hitrost krogle poveča.
Iz teh primerov je razvidno, da nastane mehansko delo, ko se telo giblje pod delovanjem sile. Mehansko delo se izvaja tudi v primeru, ko sila, ki deluje na telo (na primer sila trenja), zmanjša hitrost njegovega gibanja.
V želji premakniti omaro pritisnemo nanjo s silo, če pa se hkrati ne premakne, potem ne opravljamo mehanskega dela. Lahko si predstavljamo primer, ko se telo premika brez sodelovanja sil (po vztrajnosti), v tem primeru se tudi mehansko delo ne izvaja.
Torej, mehansko delo se opravi šele, ko na telo deluje sila in se le-to premakne .
Lahko razumemo, da čim večja sila deluje na telo in čim daljša je pot, ki jo telo opravi pod delovanjem te sile, tem večje je opravljeno delo.
Mehansko delo je premosorazmerno z uporabljeno silo in prevoženo razdaljo. .
Zato smo se dogovorili, da mehansko delo merimo s produktom sile in prevožene poti v tej smeri te sile:
delo = sila × pot
Kje A- Služba, F- moč in s- prevožena razdalja.
Enota dela je delo, ki ga opravi sila 1 N na poti 1 m.
Enota dela - joule (J ) se imenuje po angleškem znanstveniku Joulu. torej
1 J = 1 N m.
Tudi rabljeno kilodžulov (kJ) .
1 kJ = 1000 J.
Formula A = Fs velja, ko sila F je konstantna in sovpada s smerjo gibanja telesa.
Če smer sile sovpada s smerjo gibanja telesa, potem ta sila opravi pozitivno delo.
Če se gibanje telesa pojavi v smeri, ki je nasprotna smeri uporabljene sile, na primer sile drsnega trenja, potem ta sila opravi negativno delo.
Če je smer sile, ki deluje na telo, pravokotna na smer gibanja, potem ta sila ne dela, delo je nič:
Ko govorimo o mehanskem delu, ga bomo v prihodnje na kratko imenovali z eno besedo - delo.
Primer. Izračunajte delo, opravljeno pri dvigovanju granitne plošče s prostornino 0,5 m3 na višino 20 m. Gostota granita je 2500 kg / m 3.
dano:
ρ \u003d 2500 kg / m 3
rešitev:
kjer je F sila, ki jo je treba uporabiti za enakomeren dvig plošče. Ta sila je po modulu enaka sili niti Fstrand, ki deluje na ploščo, tj. F = Fstrand. In silo gravitacije je mogoče določiti z maso plošče: Ftyazh = gm. Izračunamo maso plošče, poznamo njeno prostornino in gostoto granita: m = ρV; s = h, torej je pot enaka višini vzpona.
Torej, 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.
Odgovori: A = 245 kJ.
Ročice.Moč.Energija
Različni motorji potrebujejo različne čase, da opravijo isto delo. Na primer, žerjav na gradbišču v nekaj minutah dvigne na stotine opek v zgornje nadstropje stavbe. Če bi delavec premikal te opeke, bi za to potreboval več ur. Še en primer. Konj zorje hektar zemlje v 10-12 urah, traktor z večlamežnikom ( lemež- del pluga, ki reže plast zemlje od spodaj in jo prenaša na deponijo; več skupnih rab - veliko skupnih rab), bo to delo opravljeno 40-50 minut.
Jasno je, da žerjav opravi enako delo hitreje kot delavec, traktor pa hitreje kot konj. Za hitrost dela je značilna posebna vrednost, imenovana moč.
Moč je enaka razmerju med delom in časom, v katerem je bilo opravljeno.
Za izračun moči je potrebno delo deliti s časom, v katerem je to delo opravljeno. moč = delo / čas.
Kje n- moč, A- Služba, t- čas opravljenega dela.
Moč je konstantna vrednost, ko je vsako sekundo opravljeno enako delo, v drugih primerih razmerje A/t določa povprečno moč:
n cf = A/t . Za enoto moči smo vzeli moč, pri kateri se delo v J opravi v 1 s.
Ta enota se imenuje vat ( tor) v čast drugemu angleškemu znanstveniku Wattu.
1 vat = 1 joul/1 sekunda, oz 1 W = 1 J/s.
Watt (džul na sekundo) - W (1 J / s).
Večje enote moči se pogosto uporabljajo v tehniki - kilovat (kW), megavat (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
Primer. Poiščite moč toka vode, ki teče skozi jez, če je višina padca vode 25 m, njen pretok pa 120 m3 na minuto.
dano:
ρ = 1000 kg/m3
rešitev:
Masa padajoče vode: m = ρV,
m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120.000 kg (12 104 kg).
Gravitacijska sila, ki deluje na vodo:
F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)
Opravljeno delo na minuto:
A - 1.200.000 N 25 m = 30.000.000 J (3 107 J).
Moč pretoka: N = A/t,
N = 30.000.000 J / 60 s = 500.000 W = 0,5 MW.
Odgovori: N = 0,5 MW.
Različni motorji imajo moči od stotink in desetink kilovata (motor električnega brivnika, šivalnega stroja) do več sto tisoč kilovatov (vodne in parne turbine).
Tabela 5
Moč nekaterih motorjev, kW.
Vsak motor ima tablico (potni list motorja), na kateri so nekateri podatki o motorju, vključno z njegovo močjo.
Človeška moč v normalnih delovnih pogojih je v povprečju 70-80 vatov. S skoki, tekom po stopnicah lahko oseba razvije moč do 730 vatov, v nekaterih primerih pa celo več.
Iz formule N = A/t sledi, da
Za izračun dela morate moč pomnožiti s časom, v katerem je bilo to delo opravljeno.
Primer. Motor sobnega ventilatorja ima moč 35 vatov. Koliko dela opravi v 10 minutah?
Zapišimo pogoj naloge in jo rešimo.
dano:
rešitev:
A = 35 W * 600 s = 21.000 W * s = 21.000 J = 21 kJ.
Odgovori A= 21 kJ.
preprosti mehanizmi.
Človek že od nekdaj uporablja različne naprave za opravljanje mehanskega dela.
|
|
Vsi vedo, da se težek predmet (kamen, omara, stroj), ki ga ni mogoče premakniti z roko, premakne s precej dolgo palico - vzvodom.
Trenutno velja, da so s pomočjo vzvodov pred tri tisoč leti, med gradnjo piramid v starem Egiptu, premaknili težke kamnite plošče in jih dvignili na veliko višino.
V mnogih primerih je namesto dvigovanja težkega bremena na določeno višino mogoče tovoriti ali potegniti na isto višino po nagnjeni ravnini ali dvigniti z bloki.
Naprave, ki se uporabljajo za pretvorbo moči, se imenujejo mehanizmi .
Preprosti mehanizmi vključujejo: vzvode in njihove sorte - blok, vrata; nagnjena ravnina in njene sorte - klin, vijak. V večini primerov se uporabljajo preprosti mehanizmi za pridobitev moči, to je za večkratno povečanje sile, ki deluje na telo.
Preproste mehanizme najdemo tako v gospodinjstvu kot v vseh zapletenih tovarniških in tovarniških strojih, ki režejo, zvijajo in vtiskajo velike jeklene pločevine ali vlečejo najfinejše niti, iz katerih se nato izdelujejo tkanine. Enake mehanizme najdemo v sodobnih kompleksnih avtomatih, tiskarskih in števnih strojih.
Ročica vzvoda. Ravnovesje sil na vzvodu.
Razmislite o najpreprostejšem in najpogostejšem mehanizmu - ročici.
Ročica je togo telo, ki se lahko vrti okoli fiksne podpore.
Na slikah je prikazano, kako delavec uporablja lomilko za dvig bremena kot vzvod. V prvem primeru delavec s silo F pritisne na konec palice B, v drugem - dvigne konec B.
Delavec mora premagati težo bremena p- sila, usmerjena navpično navzdol. Za to zavrti lomilko okoli osi, ki poteka skozi edino nepremično prelomna točka – njeno oporišče O. Sila F, s katerim delavec deluje na vzvod, manjša sila p, torej delavec dobi pridobiti na moči. S pomočjo vzvoda lahko dvignete tako težko breme, da ga sami ne morete dvigniti.
Slika prikazuje ročico, katere os vrtenja je O(oporišče) se nahaja med točkama delovanja sil A in IN. Druga slika prikazuje diagram tega vzvoda. Obe sili F 1 in F 2, ki delujejo na vzvod, so usmerjeni v isto smer.
Najkrajšo razdaljo med oporiščem in premico, po kateri sila deluje na vzvod, imenujemo krak sile.
Da bi našli ramo sile, je potrebno spustiti navpičnico iz oporne točke na linijo delovanja sile.Dolžina te navpičnice bo rama te sile. Slika to prikazuje OA- moč ramen F 1; OV- moč ramen F 2. Sile, ki delujejo na vzvod, ga lahko vrtijo okoli osi v dveh smereh: v smeri urinega kazalca ali nasprotni smeri urinega kazalca. Da, moč F 1 vrti ročico v smeri urinega kazalca, sila F 2 vrti v nasprotni smeri urinega kazalca.
Pogoj, pod katerim je vzvod v ravnovesju pod delovanjem sil, ki delujejo nanj, je mogoče ugotoviti eksperimentalno. Hkrati je treba zapomniti, da rezultat delovanja sile ni odvisen le od njene numerične vrednosti (modula), temveč tudi od točke, v kateri deluje na telo, ali kako je usmerjena.
Različne uteži so obešene na vzvod (glej sliko) na obeh straneh oporne točke, tako da vzvod vsakič ostane v ravnovesju. Sile, ki delujejo na vzvod, so enake uteži teh bremen. Za vsak primer se izmerijo moduli sil in njihova ramena. Iz izkušenj, prikazanih na sliki 154, je razvidno, da sila 2 H uravnava moč 4 H. V tem primeru je, kot je razvidno iz slike, rame manjše sile 2-krat večje od rame večje sile.
Na podlagi takšnih poskusov je bilo ugotovljeno stanje (pravilo) ravnotežja vzvoda.
Vzvod je v ravnovesju, ko so sile, ki delujejo nanj, obratno sorazmerne z rameni teh sil.
To pravilo lahko zapišemo kot formulo:
F 1/F 2 = l 2/ l 1 ,
Kje F 1in F 2 - sile, ki delujejo na vzvod, l 1in l 2 , - ramena teh sil (glej sliko).
Pravilo za ravnotežje vzvoda je določil Arhimed okoli 287-212. pr. n. št e. (Ampak ali ni zadnji odstavek rekel, da so vzvode uporabljali Egipčani? Ali pa je tukaj pomembna beseda "ustanovljen"?)
Iz tega pravila sledi, da je manjšo silo mogoče uravnotežiti z vzvodom večje sile. Naj bo en krak vzvoda 3-krat večji od drugega (glej sliko). Nato je mogoče s silo npr. 400 N v točki B dvigniti kamen, ki tehta 1200 N. Da bi dvignili še težje breme, je treba povečati dolžino kraka vzvoda, na katerem delavca deluje.
Primer. Delavec z vzvodom dvigne ploščo, ki tehta 240 kg (glej sliko 149). S kolikšno silo deluje na večji krak vzvoda, ki je 2,4 m, če je manjši krak 0,6 m?
Zapišimo pogoj naloge in jo rešimo.
dano:
rešitev:
V skladu s pravilom ravnotežja vzvoda je F1/F2 = l2/l1, od koder je F1 = F2 l2/l1, kjer je F2 = P teža kamna. Teža kamna asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N
Potem je F1 = 2400 N 0,6 / 2,4 = 600 N.
Odgovori: F1 = 600 N.
V našem primeru delavec premaga silo 2400 N tako, da na vzvod deluje s silo 600 N. Hkrati pa je roka, na katero delavec deluje, 4-krat daljša od tiste, na katero deluje teža kamna. ( l 1 : l 2 = 2,4 m : 0,6 m = 4).
Z uporabo pravila vzvoda lahko manjša sila uravnoteži večjo silo. V tem primeru mora biti rama manjše sile daljša od rame večje sile.
Trenutek moči.
Že poznate pravilo ravnotežja vzvoda:
F 1 / F 2 = l 2 / l 1 ,
Z uporabo lastnosti sorazmerja (zmnožek njegovih skrajnih členov je enak produktu njegovih srednjih členov) ga zapišemo v tej obliki:
F 1l 1 = F 2 l 2 .
Na levi strani enačbe je produkt sile F 1 na njeni rami l 1, na desni pa produkt sile F 2 na njeni rami l 2 .
Produkt modula sile, ki vrti telo in njegovo roko, se imenuje moment sile; označena je s črko M. Torej,
Ročica je v ravnovesju pod delovanjem dveh sil, če je moment sile, ki jo vrti v smeri urinega kazalca, enak momentu sile, ki jo vrti v nasprotni smeri urinega kazalca.
To pravilo se imenuje pravilo trenutka , lahko zapišemo kot formulo:
M1 = M2
Dejansko so bile v poskusu, ki smo ga obravnavali, (§ 56) delujoče sile enake 2 N in 4 N, njihova ramena so bila 4 in 2 pritiska vzvoda, tj. momenti teh sil so enaki, ko je vzvod je v ravnovesju.
Moment sile, tako kot vsako fizikalno količino, je mogoče izmeriti. Za enoto momenta sile vzamemo moment sile 1 N, katerega rama je natanko 1 m.
Ta enota se imenuje newton meter (N m).
Moment sile označuje delovanje sile in kaže, da je hkrati odvisen od modula sile in njenega ramena. Dejansko že vemo, na primer, da je učinek sile na vrata odvisen od modula sile in od tega, kje deluje sila. Vrata se lažje obračajo, dlje od osi vrtenja deluje sila, ki deluje na njih. Matico je bolje odviti z dolgim ključem kot s kratkim. Lažje je dvigniti vedro iz vodnjaka, daljši je ročaj vrat itd.
Vzvodi v tehniki, vsakdanjem življenju in naravi.
Pravilo vzvoda (ali pravilo momentov) je podlaga za delovanje različnih vrst orodij in naprav, ki se uporabljajo v tehniki in vsakdanjem življenju, kjer je potrebno povečanje moči ali na cesti.
Pri delu s škarjami pridobimo na moči. Škarje - to je vzvod(riž), katerega os vrtenja poteka skozi vijak, ki povezuje obe polovici škarij. delujoča sila F 1 je mišična moč roke osebe, ki stiska škarje. Nasprotna sila F 2 - sila upora takega materiala, ki ga režemo s škarjami. Glede na namen škarij je njihova naprava drugačna. Pisarniške škarje, namenjene rezanju papirja, imajo dolga rezila in ročaje, ki so skoraj enake dolžine. Rezanje papirja ne zahteva veliko sile in je bolj priročno rezati v ravni črti z dolgim rezilom. Škarje za rezanje pločevine (slika) imajo ročaje veliko daljše od rezil, saj je sila upora kovine velika in za njeno uravnoteženje je treba ramo delujoče sile znatno povečati. Še večja razlika med dolžino ročajev in razdaljo rezalnega dela ter osjo vrtenja v rezalniki žice(Sl.), Zasnovan za rezanje žice.
Na številnih strojih so na voljo različne vrste ročic. Ročaj šivalnega stroja, pedala kolesa ali ročne zavore, pedala avtomobila in traktorja, klavirske tipke so vsi primeri vzvodov, ki se uporabljajo v teh strojih in orodjih.
Primeri uporabe vzvodov so ročaji primežev in delovnih miz, vzvod vrtalnega stroja itd.
Tudi delovanje vzvodnih tehtnic temelji na principu vzvoda (slika). Lestvica usposabljanja, prikazana na sliki 48 (str. 42), deluje kot enakokraki vzvod . IN decimalne lestvice roka, na katero je obešena skodelica z utežmi, je 10-krat daljša od roke, ki nosi breme. To zelo poenostavi tehtanje velikih bremen. Pri tehtanju bremena na decimalni tehtnici pomnožite težo uteži z 10.
|
|
|
Naprava tehtnic za tehtanje tovornih vagonov avtomobilov temelji tudi na pravilu vzvoda.
Vzvode najdemo tudi v različnih delih telesa živali in ljudi. To so na primer roke, noge, čeljusti. Veliko vzvodov je mogoče najti v telesu žuželk (če ste prebrali knjigo o žuželkah in strukturi njihovega telesa), ptic, v zgradbi rastlin.
Uporaba zakona ravnotežja vzvoda na blok.
Blokiraj je kolo z utorom, ojačano v držalu. Vzdolž žleba bloka se napelje vrv, kabel ali veriga.
|
|
Fiksni blok imenujemo takšen blok, katerega os je pritrjena in se pri dvigovanju bremen ne dvigne in ne pade (sl.
Fiksni blok lahko obravnavamo kot vzvod z enakimi rokami, v katerem so kraki sil enaki polmeru kolesa (slika): OA = OB = r. Takšen blok ne daje povečanja moči. ( F 1 = F 2), vendar vam omogoča spreminjanje smeri sile. Premični blok je blok. katere os se dviga in spušča skupaj z bremenom (slika). Slika prikazuje ustrezen vzvod: O- oporišče vzvoda, OA- moč ramen R in OV- moč ramen F. Od rame OV 2-krat ramo OA, nato sila F 2-krat manj moči R:
F = P/2 .
torej premični blok poveča moč za 2-krat .
To lahko dokažemo tudi s konceptom momenta sile. Ko je blok v ravnovesju, momenti sil F in R so med seboj enake. Ampak ramo moči F 2-kratna moč ramen R, kar pomeni, da sila sama F 2-krat manj moči R.
Običajno se v praksi uporablja kombinacija fiksnega bloka s premičnim (slika). Fiksni blok se uporablja samo za udobje. Ne daje povečanja moči, ampak spremeni smer sile. Na primer, omogoča dvigovanje bremena, medtem ko stojite na tleh. Marsikomu ali delavcu pride prav. Vendar daje 2-krat večjo moč kot običajno!
Enakopravnost dela pri uporabi preprostih mehanizmov. "Zlato pravilo" mehanike.
Preprosti mehanizmi, ki smo jih obravnavali, se uporabljajo pri opravljanju dela v tistih primerih, ko je potrebno uravnotežiti drugo silo z delovanjem ene sile.
Seveda se postavlja vprašanje: ali preprosti mehanizmi ne dajejo dobička pri delu? Odgovor na to vprašanje je mogoče dobiti iz izkušenj.
Uravnotežiti na vzvodu dve sili različnih modulov F 1 in F 2 (slika), premaknite ročico. Izkazalo se je, da je za isti čas točka uporabe manjše sile F 2 gre daleč s 2, in točka uporabe večje sile F 1 - manjša pot s 1. Po meritvah teh poti in modulov sil ugotovimo, da so poti, ki jih prečkajo točke uporabe sil na vzvodu, obratno sorazmerne s silami:
s 1 / s 2 = F 2 / F 1.
Tako z delovanjem na dolgi krak vzvoda pridobimo na moči, hkrati pa na poti izgubimo enako količino.
Produkt sile F na poti s delo je. Naši poskusi kažejo, da je delo, ki ga opravijo sile, ki delujejo na vzvod, med seboj enake:
F 1 s 1 = F 2 s 2, tj. A 1 = A 2.
Torej, pri uporabi finančnega vzvoda zmaga v delu ne bo delovala.
Z uporabo vzvoda lahko zmagamo bodisi v moči bodisi v razdalji. S silo delujemo na kratek krak vzvoda, pridobimo na razdalji, a za enako izgubljamo na moči.
Obstaja legenda, da je Arhimed, navdušen nad odkritjem pravila vzvoda, vzkliknil: "Dajte mi oporno točko in obrnil bom Zemljo!".
Seveda Arhimed ne bi bil kos taki nalogi, tudi če bi dobil oporno točko (ki bi morala biti zunaj Zemlje) in vzvod zahtevane dolžine.
Da bi zemljo dvignili samo za 1 cm, bi morala dolga roka vzvoda opisati lok ogromne dolžine. Za premikanje dolgega konca vzvoda po tej poti, na primer s hitrostjo 1 m/s, bi potrebovali milijone let!
Ne daje dobička pri delu in fiksni blok, kar je enostavno preveriti z izkušnjami (glej sliko). Poti, ki jih prečkajo točke delovanja sil F in F, so enake, enake so sile, kar pomeni, da je delo enako.
Opravljeno delo s pomočjo premičnega bloka je možno meriti in med seboj primerjati. Da bi dvignili tovor na višino h s pomočjo premičnega bloka, je treba premakniti konec vrvi, na katero je pritrjen dinamometer, kot kažejo izkušnje (slika), na višino 2h.
torej dobijo 2-kratno povečanje moči, na poti izgubijo 2-krat, zato premični blok ne poveča pri delu.
Stoletja prakse so to pokazale nobeden od mehanizmov ne daje dobička pri delu. Za zmago v moči ali na poti se uporabljajo različni mehanizmi, odvisno od delovnih pogojev.
Že stari znanstveniki so poznali pravilo, ki velja za vse mehanizme: kolikokrat zmagamo v moči, kolikokrat izgubimo v razdalji. To pravilo se imenuje "zlato pravilo" mehanike.
Učinkovitost mehanizma.
Pri napravi in delovanju ročice nismo upoštevali trenja, kakor tudi teže ročice. v teh idealnih pogojih delo, ki ga opravi uporabljena sila (to delo bomo imenovali popolna), je enako uporaben dvigovanje bremen ali premagovanje morebitnega upora.
V praksi je celotno delo, ki ga opravi mehanizem, vedno nekoliko večje od koristnega dela.
Del dela se opravi proti sili trenja v mehanizmu in s premikanjem njegovih posameznih delov. Torej, z uporabo premičnega bloka morate dodatno opraviti delo na dvigovanju samega bloka, vrvi in določanju sile trenja v osi bloka.
Ne glede na to, kateri mehanizem izberemo, je koristno delo, opravljeno z njegovo pomočjo, vedno le del celotnega dela. Če torej koristno delo označimo s črko Ap, polno (porabljeno) delo s črko Az, lahko zapišemo:
Ap< Аз или Ап / Аз < 1.
Razmerje med koristnim delom in celotnim delom imenujemo izkoristek mehanizma.
Učinkovitost je skrajšano kot učinkovitost.
Učinkovitost = Ap / Az.
Učinkovitost je običajno izražena v odstotkih in označena z grško črko η, bere se kot "to":
η \u003d Ap / Az 100%.
Primer: Utež 100 kg je obešena na kratko roko vzvoda. Da bi ga dvignili, je na dolgo roko delovala sila 250 N. Breme je bilo dvignjeno na višino h1 = 0,08 m, medtem ko je točka uporabe pogonske sile padla na višino h2 = 0,4 m. Poiščite učinkovitost vzvod.
Zapišimo pogoj naloge in jo rešimo.
dano :
rešitev :
η \u003d Ap / Az 100%.
Polno (porabljeno) delo Az = Fh2.
Koristno delo Ap = 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 %.
Odgovori : η = 80 %.
A "zlato pravilo" je tudi v tem primeru izpolnjeno. Del koristnega dela - 20% - se porabi za premagovanje trenja v osi vzvoda in zračnega upora ter za premikanje samega vzvoda.
Učinkovitost katerega koli mehanizma je vedno manjša od 100%. Z oblikovanjem mehanizmov ljudje težimo k povečanju njihove učinkovitosti. Za to se zmanjša trenje v oseh mehanizmov in njihova teža.
Energija.
V tovarnah in tovarnah stroje in stroje poganjajo elektromotorji, ki porabljajo električno energijo (od tod tudi ime).
|
Stisnjena vzmet (riž), ki se poravna, opravlja delo, dvigne breme na višino ali povzroči premikanje vozička. Nepremično breme, dvignjeno nad tlemi, ne opravlja dela, če pa to breme pade, lahko opravi delo (npr. lahko zabije pilot v zemljo). Vsako gibajoče se telo ima sposobnost opravljanja dela. Torej, jeklena krogla A (riž), ki se skotali z nagnjene ravnine, udari v leseno kocko B, jo premakne na določeno razdaljo. Pri tem se dela. Če lahko telo ali več medsebojno delujočih teles (sistem teles) opravlja delo, pravimo, da imajo energijo. Energija - fizikalna količina, ki kaže, kakšno delo lahko opravi telo (ali več teles). Energija je v sistemu SI izražena v enakih enotah kot delo, tj džulov. Več dela kot lahko telo opravi, več energije ima. Ko je delo opravljeno, se energija teles spremeni. Opravljeno delo je enako spremembi energije. Potencialna in kinetična energija.Potencial (iz lat. moč - možnost) energijo imenujemo energija, ki je določena z medsebojnim položajem medsebojno delujočih teles in delov istega telesa. Potencialno energijo ima na primer telo dvignjeno glede na površino Zemlje, ker je energija odvisna od relativne lege njega in Zemlje. in njuna medsebojna privlačnost. Če štejemo, da je potencialna energija telesa, ki leži na Zemlji, enaka nič, potem bo potencialna energija telesa, dvignjenega na določeno višino, določena z delom gravitacije, ko telo pade na Zemljo. Označite potencialno energijo telesa E n ker E = A, delo pa je, kot vemo, enako produktu sile in poti, torej A = Fh, Kje F- gravitacija. Zato je potencialna energija En enaka: E = Fh ali E = gmh, Kje g- gravitacijski pospešek, m- telesna masa, h- višina, na katero je telo dvignjeno. Voda v rekah, ki jih zadržujejo jezovi, ima ogromno potencialno energijo. Ko pade, voda deluje in požene močne turbine elektrarn. Potencialna energija copra kladiva (slika) se uporablja v gradbeništvu za opravljanje dela zabijanja pilotov. Z odpiranjem vrat z vzmetjo se vzmet raztegne (ali stisne). Zaradi pridobljene energije vzmet, ki se skrči (ali poravna), opravi delo in zapre vrata. Energija stisnjenih in nezvitih vzmeti se uporablja na primer v zapestnih urah, raznih igračah z urami itd. Vsako elastično deformirano telo ima potencialno energijo. Potencialna energija stisnjenega plina se uporablja pri delovanju toplotnih strojev, v udarnih kladivih, ki se pogosto uporabljajo v rudarski industriji, pri gradnji cest, izkopu trdne zemlje itd. Energija, ki jo ima telo zaradi svojega gibanja, se imenuje kinetična (iz gr. kino - gibanje) energija. Kinetično energijo telesa označujemo s črko E Za. Gibajoča se voda, ki poganja turbine hidroelektrarn, porablja svojo kinetično energijo in opravlja delo. Gibajoči se zrak ima tudi kinetično energijo – veter. Od česa je odvisna kinetična energija? Obrnimo se na izkušnje (glej sliko). Če žogico A zakotalite z različnih višin, boste opazili, da višje kot se žogica odkotali, večja je njena hitrost in dlje napreduje pred palico, tj. opravi več dela. To pomeni, da je kinetična energija telesa odvisna od njegove hitrosti. Zaradi hitrosti ima leteča krogla veliko kinetično energijo. Kinetična energija telesa je odvisna tudi od njegove mase. Ponovno naredimo naš poskus, vendar bomo z nagnjene ravnine kotalili drugo kroglico - večjo maso. Blok B se bo premaknil dlje, kar pomeni, da bo opravljenega več dela. To pomeni, da je kinetična energija druge krogle večja od prve. Večja kot je masa telesa in hitrost, s katero se giblje, večja je njegova kinetična energija. Za določitev kinetične energije telesa se uporabi formula: Ek \u003d mv ^ 2 / 2, Kje m- telesna masa, v je hitrost telesa. Kinetična energija teles se uporablja v tehniki. Voda, ki jo zadrži jez, ima, kot že rečeno, veliko potencialno energijo. Pri padcu z jezu se voda premika in ima enako veliko kinetično energijo. Poganja turbino, povezano z generatorjem električnega toka. Zaradi kinetične energije vode nastaja električna energija. Energija premikajoče se vode je velikega pomena v narodnem gospodarstvu. To energijo uporabljajo močne hidroelektrarne. Energija padajoče vode je za razliko od energije goriva okolju prijazen vir energije. Vsa telesa v naravi imajo glede na pogojno vrednost nič potencialno ali kinetično energijo, včasih pa oboje. Na primer, leteče letalo ima tako kinetično kot potencialno energijo glede na Zemljo. Spoznali smo dve vrsti mehanske energije. Druge vrste energije (električna, notranja itd.) bodo obravnavane v drugih delih tečaja fizike. Pretvorba ene vrste mehanske energije v drugo. Pojav pretvorbe ene vrste mehanske energije v drugo je zelo priročno opazovati na napravi, prikazani na sliki. Z navijanjem niti okoli osi dvignite disk naprave. Dvignjen disk ima nekaj potencialne energije. Če ga izpustite, se bo zavrtelo in padlo. Ko pade, se potencialna energija diska zmanjša, a se hkrati poveča njegova kinetična energija. Na koncu padca ima disk tako rezervo kinetične energije, da se lahko spet dvigne skoraj na prejšnjo višino. (Del energije se porabi za delovanje proti trenju, zato disk ne doseže svoje prvotne višine.) Ko se disk dvigne, spet pade in se nato spet dvigne. V tem poskusu, ko se disk premika navzdol, se njegova potencialna energija pretvori v kinetično energijo, pri premikanju navzgor pa se kinetična energija pretvori v potencialno. Pretvorba energije iz ene vrste v drugo se zgodi tudi, ko dve prožni telesi udarita na primer ob gumijasto kroglo ob tla ali jekleno kroglo ob jekleno ploščo. Če dvignete jekleno kroglo (riž) čez jekleno ploščo in jo izpustite iz rok, bo padla. Ko žogica pada, se njena potencialna energija zmanjšuje, njena kinetična energija pa narašča, ko se povečuje hitrost žogice. Ko žoga zadene ploščo, bosta tako žoga kot plošča stisnjeni. Kinetična energija, ki jo je imela žoga, se bo spremenila v potencialno energijo stisnjene plošče in stisnjene krogle. Nato bosta plošča in krogla zaradi delovanja prožnostnih sil dobili prvotno obliko. Žogica se bo odbila od plošče, njihova potencialna energija pa se bo spet spremenila v kinetično energijo žogice: žogica se bo odbila navzgor s hitrostjo, ki je skoraj enaka hitrosti, ki jo je imela v trenutku udarca v ploščo. Ko se žogica dvigne, se hitrost žogice in s tem njena kinetična energija zmanjšata, potencialna energija pa se poveča. ko se žoga odbije od plošče, se dvigne skoraj na isto višino, s katere je začela padati. Na vrhu vzpona se bo vsa njegova kinetična energija ponovno spremenila v potencialno. Naravne pojave običajno spremlja pretvorba ene vrste energije v drugo. Energija se lahko prenaša tudi z enega telesa na drugo. Tako se na primer pri streljanju iz loka potencialna energija raztegnjene tetive pretvori v kinetično energijo leteče puščice. |
V naših vsakdanjih izkušnjah je beseda delo zelo pogosta. Treba pa je razlikovati med fiziološkim delom in delom z vidika znanosti fizike. Ko prideš domov iz pouka, rečeš: "Oh, kako sem utrujen!". To je fiziološko delo. Ali pa na primer delo ekipe v ljudski pravljici "Repa".
Slika 1. Delo v vsakdanjem pomenu besede
Tukaj bomo govorili o delu z vidika fizike.
Mehansko delo se opravi, ko sila premakne telo. Delo je označeno z latinsko črko A. Bolj stroga definicija dela je naslednja.
Delo sile je fizikalna količina, ki je enaka zmnožku velikosti sile in poti, ki jo telo prepotuje v smeri delovanja sile.
Slika 2. Delo je fizikalna količina
Formula velja, ko na telo deluje stalna sila.
V mednarodnem sistemu enot SI se delo meri v joulih.
To pomeni, da če se telo premakne za 1 meter pod delovanjem sile 1 newton, potem ta sila opravi 1 joul dela.
Enota za delo je poimenovana po angleškem znanstveniku Jamesu Prescottu Joulu.
Slika 3. James Prescott Joule (1818 - 1889)
Iz formule za izračun dela sledi, da obstajajo trije primeri, ko je delo enako nič.
Prvi primer je, ko na telo deluje sila, telo pa se ne premika. Na primer, ogromna gravitacijska sila deluje na hišo. Ampak ona ne dela, ker hiša miruje.
Drugi primer je, ko se telo giblje po vztrajnosti, to pomeni, da nanj ne deluje nobena sila. Na primer, vesoljska ladja se premika v medgalaktičnem prostoru.
Tretji primer je, ko na telo deluje sila pravokotno na smer gibanja telesa. V tem primeru se telo sicer giblje in nanj deluje sila, vendar gibanja telesa ni v smeri sile.
Slika 4. Trije primeri, ko je delo enako nič
Povedati je treba tudi, da je delo sile lahko negativno. Tako bo tudi, če pride do gibanja telesa proti smeri sile. Na primer, ko žerjav s kablom dvigne tovor nad tlemi, je gravitacijsko delo negativno (nasprotno, delo elastične sile kabla navzgor je pozitivno).
Recimo, da je treba pri izvajanju gradbenih del jamo prekriti s peskom. Bager bi za to potreboval nekaj minut, delavec z lopato pa več ur. Pa bi opravila tako bager kot delavec isto delo.
Slika 5. Isto delo je mogoče opraviti v različnih časih
Za karakterizacijo hitrosti dela v fiziki se uporablja količina, imenovana moč.
Moč je fizična količina, ki je enaka razmerju med delom in časom njegovega izvajanja.
Moč je označena z latinično črko n.
Enota SI za moč je vat.
En vat je moč, pri kateri se v eni sekundi opravi en joul dela.
Enota za moč je poimenovana po angleškem znanstveniku in izumitelju parnega stroja Jamesu Wattu.
Slika 6. James Watt (1736 - 1819)
Kombinirajte formulo za izračun dela s formulo za izračun moči.
Zdaj se spomnimo, da je razmerje poti, ki jo prepotuje telo, S, glede na čas gibanja t je hitrost telesa v.
torej moč je enaka zmnožku številčne vrednosti sile in hitrosti telesa v smeri delovanja sile.
Ta formula je priročna za uporabo pri reševanju problemov, pri katerih sila deluje na telo, ki se premika z znano hitrostjo.
Bibliografija
- Lukashik V.I., Ivanova E.V. Zbirka nalog iz fizike za 7.-9. razred izobraževalnih ustanov. - 17. izd. - M.: Razsvetljenje, 2004.
- Periškin A.V. Fizika. 7 celic - 14. izd., stereotip. - M .: Bustard, 2010.
- Periškin A.V. Zbirka nalog iz fizike, razredi 7-9: 5. izd., stereotip. - M: Založba Izpit, 2010.
- Internetni portal Physics.ru ().
- Internetni portal Festival.1september.ru ().
- Internetni portal Fizportal.ru ().
- Internetni portal Elkin52.narod.ru ().
Domača naloga
- Kdaj je delo enako nič?
- Kolikšno je delo, opravljeno na prehojeni poti v smeri sile? V nasprotni smeri?
- Kolikšno delo opravi sila trenja, ki deluje na opeko, ko se premakne za 0,4 m? Sila trenja je 5 N.
Konj vleče voz z neko silo, označimo F oprijem. Dedek, ki sedi na vozu, z neko silo pritisne nanjo. Označimo ga F pritisk Voz se premika v smeri vlečne sile konja (desno), v smeri dedkove sile pritiska (dol) pa se voz ne premika. Zato v fiziki tako pravijo F vlečna sila deluje na vozičku in F tlak ne deluje na voziček.
Torej, delo, ki ga sila opravi na telo mehansko delo- fizikalna količina, katere modul je enak zmnožku sile in poti, ki jo telo opravi vzdolž smeri delovanja te sile s:
V čast angleškega znanstvenika D. Joula je bila imenovana enota mehanskega dela 1 džul(po formuli 1 J = 1 N m).
Če na obravnavano telo deluje določena sila, potem nanj deluje določeno telo. Zato delo sile na telo in delo telesa na telo sta popolni sopomenki. Delo prvega telesa na drugo in delo drugega telesa na prvo pa sta delni sopomenki, saj sta modula teh del vedno enaka, njihovi predznaki pa vedno nasprotni. Zato je v formuli prisoten znak "±". Pogovorimo se o znakih dela podrobneje.
Številske vrednosti sile in poti so vedno nenegativne vrednosti. Nasprotno ima lahko mehansko delo pozitivne in negativne predznake. Če smer sile sovpada s smerjo gibanja telesa, potem delo, ki ga opravi sila, velja za pozitivno.Če je smer sile nasprotna smeri gibanja telesa, delo, ki ga opravi sila, velja za negativno.(iz formule "±" vzamemo "-"). Če je smer gibanja telesa pravokotna na smer sile, potem taka sila ne deluje, to je A = 0.
Razmislite o treh ilustracijah o treh vidikih mehanskega dela.
Delo na silo je lahko z vidika različnih opazovalcev videti drugače. Razmislite o primeru: dekle se pelje z dvigalom navzgor. Ali opravlja mehansko delo? Dekle lahko dela samo na tistih telesih, na katera deluje s silo. Takšno telo je samo eno - kabina dvigala, saj deklica s svojo težo pritiska na tla. Zdaj moramo ugotoviti, ali gre kabina še kako. Razmislite o dveh možnostih: z mirujočim in premikajočim se opazovalcem.
Deček opazovalec naj najprej sede na tla. Glede na to se kabina dvigala premakne navzgor in gre v določeno smer. Teža dekleta je usmerjena v nasprotno smer - navzdol, zato dekle izvaja negativno mehansko delo na kabini: A device< 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.
Ko telesa medsebojno delujejo utrip eno telo lahko delno ali v celoti prenesemo na drugo telo. Če na sistem teles ne delujejo zunanje sile drugih teles, se tak sistem imenuje zaprto.
Ta temeljni naravni zakon se imenuje zakon o ohranitvi gibalne količine. Je posledica drugega in tretjega Newtonovi zakoni.
Razmislite o dveh medsebojno delujočih telesih, ki sta del zaprtega sistema. Interakcijske sile med temi telesi bomo označili z in Po tretjem Newtonovem zakonu Če ta telesa medsebojno delujejo v času t, potem so impulzi medsebojnih sil enaki po absolutni vrednosti in usmerjeni v nasprotne smeri: Uporabimo drugi Newtonov zakon za ta telesa. :
kjer in sta momenta teles v začetnem trenutku časa in sta momenta teles na koncu interakcije. Iz teh razmerij sledi:
|
|
Ta enakost pomeni, da se zaradi medsebojnega delovanja dveh teles njuna skupna zagonska količina ni spremenila. Če zdaj upoštevamo vse vrste parnih interakcij teles, vključenih v zaprt sistem, lahko sklepamo, da notranje sile zaprtega sistema ne morejo spremeniti njegovega skupnega momenta, to je vektorske vsote momentov vseh teles, vključenih v ta sistem.
Mehansko delo in moč
Na podlagi koncepta so predstavljene energijske značilnosti gibanja mehansko delo oz delo sile.
Delo A, ki ga opravi stalna sila fizikalna količina, ki je enaka zmnožku modulov sile in premika, pomnoženih s kosinusom kota α med vektorjema sil in premik(Slika 1.1.9):
|
|
Delo je skalarna količina. Lahko je oboje pozitivno (0° ≤ α< 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в džulov (J).
Joule je enak delu, ki ga opravi sila 1 N pri premiku 1 m v smeri sile.
Če projekcija sile na smer gibanja ne ostane konstantna, je treba delo izračunati za majhne premike in povzeti rezultate:
Primer sile, katere modul je odvisen od koordinate, je elastična sila ubogljive vzmeti Hookov zakon. Da vzmet raztegnemo, moramo nanjo delovati z zunanjo silo, katere modul je sorazmeren z raztezkom vzmeti (slika 1.1.11).
Odvisnost modula zunanje sile od koordinate x je na grafu prikazana z ravno črto (slika 1.1.12).
Glede na površino trikotnika na sl. 1.18.4 lahko določite delo, ki ga opravi zunanja sila, ki deluje na desni prosti konec vzmeti:
Ista formula izraža delo, ki ga opravi zunanja sila, ko je vzmet stisnjena. V obeh primerih je delo prožne sile po absolutni vrednosti enako delu zunanje sile in nasprotno po predznaku.
Če na telo deluje več sil, potem je skupno delo vseh sil enako algebraični vsoti del posameznih sil in je enako delu rezultanta uporabljenih sil.
Imenuje se delo, ki ga sila opravi na enoto časa moč. Moč N je fizikalna količina, ki je enaka razmerju med delom A in časovnim intervalom t, v katerem je to delo opravljeno.