V našem vsakdanje izkušnje Beseda "delo" se pojavlja zelo pogosto. Treba pa je razlikovati med fiziološkim delom in delom z vidika znanosti fizike. Ko prideš domov iz razreda, rečeš: "Oh, kako sem utrujen!" To je fiziološko delo. Ali pa na primer delo ekipe v ljudska pravljica"Repa".
Slika 1. Delo v vsakdanjem pomenu besede
Tukaj bomo govorili o delu z vidika fizike.
Mehansko delo nastane, ko se telo premika pod vplivom sile. Delo je indicirano latinska črka A. Strožja definicija dela zveni takole.
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.
IN mednarodni sistem Enote SI za delo se merijo v joulih.
To pomeni, da če se telo pod vplivom sile 1 newton premakne za 1 meter, 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 so možni trije primeri, ko je delo enako nič.
Prvi primer je, ko na telo deluje sila, telo pa se ne premika. Hiša je na primer izpostavljena ogromni gravitacijski sili. Vendar ne opravlja nobenega 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 premika v medgalaktičnem prostoru.
Tretji primer je, ko na telo deluje sila, pravokotno na smer gibi telesa. V tem primeru, čeprav se telo giblje in nanj deluje sila, do gibanja telesa ne pride v smeri sile.
Slika 4. Trije primeri, ko je delo nič
Prav tako je treba povedati, da je delo, ki ga opravi sila, lahko negativno. To se zgodi, če se telo premakne proti smeri sile. Na primer, ko žerjav dvigne tovor nad tlemi s pomočjo kabla, je delo, ki ga opravi gravitacijska sila, negativno (delo, ki ga opravi elastična sila kabla, usmerjenega navzgor, pa je nasprotno pozitivno).
Recimo, pri izvajanju gradbeno delo jamo je treba napolniti s peskom. Za to bi bager porabil nekaj minut, delavec z lopato pa bi moral delati več ur. Ampak tako bager kot delavec bi dokončal isto delo.
Slika 5. Enako delo je mogoče dokončati v drugačen čas
Za karakterizacijo hitrosti opravljenega dela v fiziki se uporablja količina, imenovana moč.
Moč je fizikalna količina, ki je enaka razmerju med delom in časom, ki ga opravi.
Moč je označena z latinično črko n.
Enota SI za moč je vat.
En vat je moč, pri kateri se en joul dela opravi v eni sekundi.
Pogonska enota je poimenovana po angleškem znanstveniku, izumitelju parnega stroja Jamesu Wattu.
Slika 6. James Watt (1736 - 1819)
Združimo formulo za izračun dela s formulo za izračun moči.
Spomnimo se zdaj, da je razmerje poti, ki jo prepotuje telo S, glede na čas gibanja t predstavlja hitrost gibanja telesa v.
torej moč je enaka produktu številčna vrednost sila na hitrost gibanja telesa v smeri sile.
Ta formula je primerna 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 izobraževalne ustanove. - 17. izd. - M.: Izobraževanje, 2004.
- Periškin A.V. Fizika. 7. razred - 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
- V katerih primerih je delo enako nič?
- Kako poteka delo vzdolž poti, prevožene 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.
Mehansko delo. Enote dela.
IN vsakdanje življenje S pojmom "delo" mislimo na vse.
V fiziki koncept delo nekoliko drugačen. Je določena fizikalna količina, kar pomeni, da jo je mogoče izmeriti. V fiziki se preučuje predvsem mehansko delo .
Oglejmo si primere mehanskega dela.
Vlak se premika pod vlečno silo električne lokomotive, pri čemer se izvaja mehansko delo. Pri strelu iz pištole sila pritiska smodniških plinov deluje - premakne kroglo vzdolž cevi in hitrost krogle se poveča.
Iz teh primerov je razvidno, da se pri gibanju telesa pod vplivom sile izvaja mehansko delo. 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 močno pritisnemo nanjo, če pa se ne premakne, potem ne opravljamo mehanskega dela. Lahko si predstavljamo primer, ko se telo giblje 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 .
Ni težko razumeti, da večja sila deluje na telo in več daljša pot ki jih telo preteče pod vplivom te sile, tem večje je 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 1N na poti 1 m.
Enota dela - joule (J ) poimenovana 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 konstanten in sovpada s smerjo gibanja telesa.
Če smer sile sovpada s smerjo gibanja telesa, potem dana moč dela pozitivno.
Če se gibanje telesa pojavi v smeri, ki je nasprotna smeri uporabljene sile, na primer sile drsnega trenja, potem ta sila naredi 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. Izračunaj opravljeno delo pri dvigu granitne plošče s prostornino 0,5 m3 na višino 20 m, gostota granita pa je 2500 kg/m3.
dano:
ρ = 2500 kg/m3
rešitev:
kjer je F sila, ki jo je treba uporabiti za enakomeren dvig plošče. Ta sila je po modulu enaka sili Fstrand, ki deluje na ploščo, tj. F = Fstrand. Silo težnosti lahko določimo z maso plošče: Fteža = gm. Izračunajmo maso plošče, če poznamo njen volumen in gostoto granita: m = ρV; s = h, tj. pot enaka višini vzpon.
Torej, m = 2500 kg/m3 · 0,5 m3 = 1250 kg.
F = 9,8 N/kg · 1250 kg ≈ 12.250 N.
A = 12.250 N · 20 m = 245.000 J = 245 kJ.
Odgovori: A = 245 kJ.
Ročice.Moč.Energija
Različni motorji zahtevajo različne čase za dokončanje istega dela. Na primer, žerjav na gradbišču v nekaj minutah dvigne na stotine opek v zgornje nadstropje stavbe. Če bi te opeke premikal delavec, 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 plugov - veliko lemežev), bo to delo opravljeno v 40-50 minutah.
Jasno je, da žerjav opravi enako delo hitreje kot delavec, traktor pa isto delo hitreje kot konj. Hitrost dela je označena s posebno količino, imenovano moč.
Moč je enaka razmerju med delom in časom, v katerem je bilo opravljeno.
Če želite izračunati moč, morate delo deliti s časom, v katerem je bilo to delo opravljeno. moč = delo/čas.
Kje n- moč, A- Služba, t- čas opravljenega dela.
Moč je konstantna količina, ko je vsako sekundo opravljeno isto delo; v drugih primerih je razmerje A/t določa povprečno moč:
n povprečje = A/t . Enota za moč je moč, pri kateri je J delo opravljeno v 1 s.
Ta enota se imenuje vat ( W) v čast drugemu angleškemu znanstveniku Wattu.
1 vat = 1 džul/1 sekunda, oz 1 W = 1 J/s.
Watt (džul na sekundo) - W (1 J/s).
Večje enote moči se pogosto uporabljajo v tehnologiji - 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 vodnega toka, ki teče skozi jez, če je višina padca vode 25 m in njen pretok 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).
Gravitacija, ki deluje na vodo:
F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)
Opravljeno delo s pretokom 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 ploščico (potni list motorja), na kateri so navedeni nekateri podatki o motorju, vključno z njegovo močjo.
Človeška moč pri normalne razmere delo v povprečju je 70-80 W. Pri skakanju ali teku po stopnicah lahko človek razvije moč do 730 W in v V nekaterih primerih in še večji.
Iz formule N = A/t sledi, da
Za izračun dela je treba 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 pogoje 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.
Že od nekdaj je človek uporabljal različne naprave za opravljanje mehanskega dela.
|
|
Vsi vedo, da lahko težek predmet (kamen, omaro, strojno orodje), ki ga ni mogoče premakniti z roko, premaknemo s pomočjo dovolj dolge palice - vzvoda.
Vklopljeno ta trenutek domnevajo, da s pomočjo vzvodov pred tri tisoč leti pri gradnji piramid v Starodavni Egipt premikal in dvigoval težke kamnite plošče v velike višine.
V mnogih primerih lahko namesto dvigovanja težkega bremena na določeno višino le-to kotalimo ali potegnemo na isto višino vzdolž nagnjene ravnine ali dvignemo z bloki.
Naprave, ki se uporabljajo za pretvorbo sile, se imenujejo mehanizmi .
Preprosti mehanizmi vključujejo: vzvode in njihove sorte - blok, vrata; nagnjena ravnina in njene sorte - klin, vijak. V večini primerov se za pridobitev moči, torej za večkratno povečanje sile, ki deluje na telo, uporabljajo preprosti mehanizmi.
Enostavne mehanizme najdemo tako v gospodinjstvu kot v vseh zapletenih industrijskih in industrijskih 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.
Razmislimo o najpreprostejšem in najpogostejšem mehanizmu - ročici.
Ročica je trdna, ki se lahko vrti okoli fiksne podpore.
Slike prikazujejo, kako delavec uporablja lomilko kot vzvod za dvigovanje bremena. 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. Da bi to naredil, obrne lomilko okoli osi, ki poteka skozi edino nepremično prelomna točka je točka njegove opore O. Sila F s katero delavec deluje na vzvod je manjša sila p, tako delavec prejme pridobiti na moči. Z vzvodom 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 eno smer.
Najkrajšo razdaljo med oporiščem in premico, po kateri sila deluje na vzvod, imenujemo krak sile.
Da bi našli krak sile, morate spustiti navpičnico iz oporne točke na linijo delovanja sile.Dolžina te navpičnice bo krak te sile. Slika to prikazuje OA- moč ramen F 1; OB- moč ramen F 2. Sile, ki delujejo na vzvod, ga lahko vrtijo okoli svoje 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 vplivom sil, ki delujejo nanj, je mogoče ugotoviti eksperimentalno. Ne smemo pozabiti, da rezultat delovanja sile ni odvisen le od njenega številčna vrednost(modul), ampak tudi na točko, na kateri se nanaša na telo, ali kako je usmerjen.
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 sile in njihova ramena. Iz izkušenj, prikazanih na sliki 154, je jasno, da sila 2 n uravnava silo 4 n. V tem primeru je, kot je razvidno iz slike, ramena manjše moči 2-krat večja od ramena večje moči.
Na podlagi takšnih poskusov je bil ugotovljen pogoj (pravilo) ravnotežja vzvoda.
Vzvod je v ravnovesju, ko so sile, ki delujejo nanj, obratno sorazmerne z kraki 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 ravnovesja vzvoda je vzpostavil Arhimed okoli 287 - 212. pr. n. št e. (ampak v zadnjem odstavku je bilo rečeno, da so vzvode uporabljali Egipčani? Ali tukaj pomembno vlogo igra na besedo "nameščen"?)
Iz tega pravila sledi, da lahko z manjšo silo uravnotežimo večjo silo z vzvodom. Naj bo en krak vzvoda 3-krat večji od drugega (glej sliko). Nato lahko z uporabo sile, na primer 400 N v točki B, dvignete kamen, ki tehta 1200 N. Če želite dvigniti še težje breme, morate povečati dolžino roke vzvoda, na katerega deluje delavec.
Primer. Delavec z vzvodom dvigne ploščo, ki tehta 240 kg (glej sliko 149). S kakšno silo deluje na večji krak vzvoda 2,4 m, če je manjši krak 0,6 m?
Zapišimo pogoje 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, pri čemer na vzvod deluje sila 600 N. Toda v tem primeru je roka, na katero deluje delavec, 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 moči daljša od rame večja moč.
Trenutek moči.
Pravilo ravnotežja vzvoda že poznate:
F 1 / F 2 = l 2 / l 1 ,
Z uporabo lastnosti sorazmerja (zmnožek njegovih skrajnih členov je enak zmnožku 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 ramo, se imenuje moment sile; označena je s črko M. To pomeni
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 trenutkov , lahko zapišemo kot formulo:
M1 = M2
Dejansko so bile v poskusu, ki smo ga upoštevali (§ 56), delujoče sile enake 2 N in 4 N, njihova ramena so znašala 4 oziroma 2 pritiska vzvoda, tj. momenti teh sil so enaki, ko je vzvod v ravnovesju .
Moment sile, tako kot vsako fizikalno količino, je mogoče izmeriti. Za enoto momenta sile vzamemo moment sile 1 N, katerega krak je natanko 1 m.
Ta enota se imenuje newton meter (N m).
Moment sile označuje delovanje sile in kaže, da je istočasno odvisen od modula sile in njenega vzvoda. Dejansko že vemo, na primer, da je delovanje sile na vrata odvisno od velikosti sile in od tega, kje deluje sila. Lažje kot je obračanje vrat, 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 trenutkov) je podlaga za delovanje različnih vrst orodij in naprav, ki se uporabljajo v tehnologiji in vsakdanjem življenju, kjer je potrebno povečanje moči ali potovanja.
Pri delu s škarjami pridobimo na moči. Škarje - to je vzvod(slika), katere os vrtenja poteka skozi vijak, ki povezuje obe polovici škarij. Delujoča sila F 1 je mišična moč roke osebe, ki drži škarje. Protisila F 2 je sila upora materiala, ki ga režemo s škarjami. Glede na namen škarij se njihova zasnova razlikuje. Pisarniške škarje, namenjene rezanju papirja, imajo dolga rezila in ročaje, ki so skoraj enake dolžine. Rezanje papirja ni potrebno velika moč, z dolgim rezilom pa je bolj priročno rezati v ravni črti. Škarje za rezanje pločevine (slika) imajo ročaje veliko daljše od rezil, saj je sila upora kovine velika in je za njeno uravnoteženje potrebno krak delujoče sile znatno povečati. več večja razlika med dolžino ročajev in razdaljo rezalnega dela ter osjo vrtenja v rezalniki žice(Sl.), namenjen za rezanje žice.
Vzvodi različne vrste na voljo na številnih avtomobilih. Ročaj šivalnega stroja, pedala ali ročna zavora kolesa, pedala avtomobila in traktorja ter tipke klavirja so primeri vzvodov, ki se uporabljajo v teh strojih in orodjih.
Primeri uporabe vzvodov so ročaji primežev in delovnih miz, vzvod vrtalnega stroja itd.
Delovanje vzvodnih tehtnic temelji na principu vzvoda (slika). Lestvice usposabljanja, prikazane na sliki 48 (str. 42), delujejo kot enakokraki vzvod . IN decimalne lestvice Rama, na katero je obešena skodelica z utežmi, je 10-krat daljša od rame, ki nosi breme. Tako je veliko lažje tehtati velike tovore. Pri tehtanju tovora na decimalni tehtnici morate maso uteži pomnožiti z 10.
|
|
|
Naprava tehtnic za tehtanje tovornih vagonov avtomobilov temelji tudi na pravilu vzvoda.
Vzvode najdemo tudi v različne dele telesa živali in ljudi. To so na primer roke, noge, čeljusti. Veliko vzvodov najdemo v telesu žuželk (če preberemo knjigo o žuželkah in zgradbi njihovih teles), ptic in v zgradbi rastlin.
Uporaba zakona o ravnotežju vzvoda na klado.
Blokiraj Je kolo z utorom, nameščeno v držalo. Skozi utor bloka se napelje vrv, kabel ali veriga.
|
|
Fiksni blok To se imenuje blok, katerega os je fiksna in se pri dvigovanju bremen ne dvigne ali spusti (slika).
Fiksni blok lahko obravnavamo kot enakokraki vzvod, v katerem so kraki sil enaki polmeru kolesa (slika): OA = OB = r. Takšen blok ne zagotavlja povečanja moči. ( F 1 = F 2), vendar vam omogoča spreminjanje smeri sile. Premični blok - to je blok. katere os se dviga in spušča skupaj z obremenitvijo (slika). Slika prikazuje ustrezen vzvod: O- oporna točka vzvoda, OA- moč ramen R in OB- moč ramen F. Od rame OB 2-krat ramo OA, nato moč F 2-krat manjša sila R:
F = P/2 .
torej premični blok daje 2-kratno povečanje moči .
To lahko dokažemo s konceptom momenta sile. Ko je blok v ravnovesju, momenti sil F in R enaki drug drugemu. Ampak ramo moči F 2-kratni finančni vzvod R, in s tem tudi moč sama F 2-krat manjša sila R.
Običajno se v praksi uporablja kombinacija fiksnega in premičnega bloka (slika). Fiksni blok se uporablja samo za udobje. Ne poveča moči, spremeni pa smer sile. Na primer, omogoča dvigovanje bremena, medtem ko stojite na tleh. To pride prav mnogim ljudem ali delavcem. Vendar daje povečanje moči 2-krat večje kot običajno!
Enakopravnost dela pri uporabi preprostih mehanizmov. "Zlato pravilo" mehanike.
Preprosti mehanizmi, ki smo jih obravnavali, se uporabljajo pri opravljanju dela v primerih, ko je potrebno uravnotežiti drugo silo z delovanjem ene sile.
Seveda se postavlja vprašanje: ali preprosti mehanizmi ne dajejo dobička v delu, medtem ko dajejo moč ali pot? Odgovor na to vprašanje je mogoče dobiti iz izkušenj.
Z uravnoteženjem dveh različno velikih sil na vzvodu F 1 in F 2 (slika), premaknite ročico. Izkazalo se je, da je hkrati točka uporabe manjše sile F 2 gre dlje s 2, in točka uporabe večje sile F 1 - krajša 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 dolg krak vzvoda pridobimo na moči, a hkrati za enako količino izgubimo na poti.
Produkt sile F na poti s delo je. Naši poskusi kažejo, da je delo, ki ga opravijo sile, ki delujejo na vzvod, med seboj enako:
F 1 s 1 = F 2 s 2, tj. A 1 = A 2.
Torej, Pri uporabi finančnega vzvoda ne boste mogli zmagati pri delu.
Z uporabo finančnega vzvoda lahko pridobimo moč ali razdaljo. S silo na kratki krak vzvoda pridobimo na razdalji, vendar za enako količino izgubimo na moči.
Obstaja legenda, da je Arhimed, navdušen nad odkritjem pravila vzvoda, vzkliknil: "Daj mi oporno točko in obrnil bom Zemljo!"
Seveda Arhimed ne bi bil kos takšni 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!
Stacionarni blok ne daje nobenega dobička pri delu, kar je enostavno eksperimentalno preveriti (glej sliko). načini, prehodne točke uporaba sil F in F, so enake, sile so enake, kar pomeni, da je delo enako.
Opravljeno delo lahko merite in primerjate s pomočjo gibljivega bloka. 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, izgubijo 2-krat na poti, zato premični blok ne daje povečanja dela.
Večstoletna praksa je to pokazala Noben od mehanizmov ne poveča učinkovitosti. Uporabljajo različne mehanizme, da zmagajo v moči ali v potovanju, odvisno od delovnih pogojev.
Že stari znanstveniki so poznali pravilo, ki velja za vse mehanizme: ne glede na to, kolikokrat zmagamo v moči, enako tolikokrat izgubimo v razdalji. To pravilo se imenuje "zlato pravilo" mehanike.
Učinkovitost mehanizma.
Pri obravnavi zasnove in delovanja ročice nismo upoštevali trenja, kakor tudi teže ročice. v teh idealne razmere delo, ki ga opravi uporabljena sila (to delo bomo imenovali poln), je enako uporaben delo pri dvigovanju bremen ali premagovanju 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 z njegovim premikanjem posamezne dele. Torej, ko uporabljate premični blok, morate dodatno opraviti delo, da dvignete sam blok, vrv in določite silo trenja v osi bloka.
Kateri koli mehanizem vzamemo, koristno delo, opravljeno z njegovo pomočjo, vedno predstavlja le del celotnega dela. To pomeni, če koristno delo označimo s črko Ap, skupno (porabljeno) delo s črko Az, lahko zapišemo:
Gor< Аз или Ап / Аз < 1.
Razmerje med koristnim delom in zaposlitev za polni delovni čas imenovan koeficient koristno dejanje mehanizem.
Faktor učinkovitosti se skrajšano imenuje učinkovitost.
Učinkovitost = Ap / Az.
Učinkovitost je običajno izražena v odstotkih in je označena grška črkaη, se bere kot "to":
η = Ap / Az · 100 %.
Primer: Breme, ki tehta 100 kg, je obešeno na kratkem kraku vzvoda. Da bi ga dvignili, se na dolgi krak dvigne sila 250 N na višino h1 = 0,08 m gonilna sila padla na višino h2 = 0,4 m. Poiščite izkoristek vzvoda.
Zapišimo pogoje naloge in jo rešimo.
dano :
rešitev :
η = Ap / Az · 100 %.
Skupno (porabljeno) delo Az = Fh2.
Koristno delo 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 %.
Odgovori : η = 80 %.
ampak " Zlato pravilo"se izvaja tudi v tem primeru. Del koristnega dela - 20% - se porabi za premagovanje trenja v osi ročice in zračnega upora ter za gibanje same ročice.
Učinkovitost katerega koli mehanizma je vedno manjša od 100%. Pri načrtovanju mehanizmov si ljudje prizadevajo povečati njihovo učinkovitost. Da bi to dosegli, se zmanjšata trenje v oseh mehanizmov in njihova teža.
Energija.
V obratih in tovarnah poganjajo stroje in stroje elektromotorji, ki porabljajo električna energija(od tod tudi ime).
|
Stisnjena vzmet (slika), ko je poravnana, deluje, dvigne breme na višino ali povzroči premikanje vozička. Nepremično breme, dvignjeno nad tlemi, ne opravlja dela, če pa to breme pade, lahko opravi delo (na primer lahko zabije pilot v zemljo). Vsako gibajoče se telo ima sposobnost opravljanja dela. Tako se jeklena krogla A (slika), ki se kotali z nagnjene ravnine, zadene v leseno kocko B, jo premakne za določeno razdaljo. Hkrati je delo opravljeno. Če lahko telo ali več medsebojno delujočih teles (sistem teles) opravlja delo, pravimo, da imajo energijo. Energija - fizikalna količina, ki kaže, koliko dela lahko opravi telo (ali več teles). Energija je v sistemu SI izražena v enakih enotah kot delo, tj džulov. kako odlično opravljeno telo lahko doseže, 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) energija je energija, ki je določena z relativnim položajem medsebojno delujočih teles in delov istega telesa. Potencialno energijo ima na primer telo, dvignjeno glede na površino Zemlje, ker je energija odvisna od medsebojni položaj on in Zemlja. in njih medsebojna privlačnost. Če upoštevamo potencialno energijo telesa, ki leži na Zemlji, enako nič, To potencialna energija telesa, dvignjenega na določeno višino, bo določeno z delom, ki ga opravi gravitacija, ko telo pade na Zemljo. Označimo potencialno energijo telesa E n, ker E = A, delo pa je, kot vemo, enako produktu sile in poti A = Fh, Kje F- gravitacija. To pomeni, da 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 poganja močne turbine elektrarn. Potencialna energija copra kladiva (slika) se uporablja v gradbeništvu za izvajanje dela zabijanja pilotov. Pri odpiranju 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 urah, raznih igračah na navijanje 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 trde zemlje itd. Energija, ki jo ima telo zaradi svojega gibanja, se imenuje kinetična (iz gr. kinema - gibanje) energija. Kinetično energijo telesa označujemo s črko E Za. Gibajoča se voda, ki poganja turbine hidroelektrarn, porablja svoje kinetična energija in opravlja delo. Gibajoči se zrak, veter, ima tudi kinetično energijo. Od česa je odvisna kinetična energija? Obrnimo se k izkušnjam (glej sliko). Če žogo A zakotalite z različnih višin, boste opazili, da je večjo višinoŽogica se kotali navzdol, večja je njena hitrost in dlje premika kocko, torej opravi več dela. To pomeni, da je kinetična energija telesa odvisna od njegove hitrosti. Zaradi svoje hitrosti ima leteča krogla visoko kinetično energijo. Kinetična energija telesa je odvisna tudi od njegove mase. Naredimo poskus še enkrat, vendar bomo z nagnjene ravnine zakotalili drugo kroglico večje mase. Vrstica B se bo premaknila dlje, kar pomeni, da bo opravljenega več dela. To pomeni, da je kinetična energija druge krogle večja od prve. kako več mase telo in hitrost, s katero se giblje, večja je njegova kinetična energija. Za določitev kinetične energije telesa se uporablja formula: Ek = mv^2 /2, Kje m- telesna masa, v- hitrost gibanja telesa. Kinetična energija teles se uporablja v tehniki. Voda, ki jo zadrži jez, ima, kot že rečeno, veliko potencialno energijo. Ko voda pada z jezu, se premika in ima enako visoko kinetično energijo. Poganja turbino, povezano z generatorjem električni tok. Zaradi kinetične energije vode nastaja električna energija. Energija premikajoče se vode ima velik pomen V nacionalno gospodarstvo. 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 konvencionalno vrednost nič potencialno ali kinetično energijo, včasih pa oboje skupaj. Na primer, leteče letalo ima tako kinetično kot potencialno energijo glede na Zemljo. Srečali smo dve vrsti mehanska energija. 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 na os se disk naprave dvigne. Disk, dvignjen navzgor, ima nekaj potencialne energije. Če ga izpustite, se bo zavrtelo in začelo padati. Ko pade, se potencialna energija diska zmanjša, a hkrati poveča njegova kinetična energija. Na koncu padca ima disk tolikšno zalogo kinetične energije, da se lahko spet dvigne skoraj na prejšnjo višino. (Del energije se porabi za delovanje proti sili trenja, zato disk ne doseže svoje prvotne višine.) Ko se disk dvigne, spet pade in se nato znova dvigne. V tem poskusu, ko se disk premika navzdol, se njegova potencialna energija spremeni v kinetično energijo, in ko se premakne navzgor, se kinetična energija spremeni v potencialno energijo. Pretvorba energije iz ene vrste v drugo se zgodi tudi ob trku dveh predmetov. elastična telesa, na primer gumijasto kroglo na tleh ali jekleno kroglo na jekleni plošči. Če dvignete jekleno kroglo (riž) nad 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 krogla, se bo spremenila v potencialno energijo stisnjene plošče in stisnjene krogle. Potem skozi akcijo elastične sile plošča in žoga se bosta vrnila v 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 skoraj enaka hitrost, ki ga je v trenutku trka v ploščo posedoval. Ko se žogica dvigne navzgor, 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 najvišji točki vzpona se bo vsa njegova kinetična energija spet spremenila v potencialno. Naravne pojave običajno spremlja pretvorba ene vrste energije v drugo. Energija se lahko prenaša z enega telesa na drugo. Na primer, pri lokostrelstvu se potencialna energija napete tetive loka pretvori v kinetično energijo leteče puščice. |
1. Iz predmeta fizika v 7. razredu veš, da če na telo deluje sila in se le-to giblje v smeri delovanja sile, potem sila opravlja mehansko delo. A, enako zmnožku modul sile in modul premika:
A=Fs.
Enota dela v SI - joule (1 J).
[A] = [F][s] = 1 H 1 m = 1 N m = 1 J.
Enota dela je delo, ki ga opravi sila 1 N na poti 1m.
Iz formule sledi, da mehansko delo ni opravljeno, če je sila enaka nič (telo miruje ali se giblje enakomerno in premočrtno) ali je premik enak nič.
Predpostavimo, da vektor sile, ki deluje na telo, tvori določen kot a z vektorjem premika (slika 65). Ker se telo ne premika v navpični smeri, projekcija sile Fy na os Y ne dela, ampak projekcija sile F x na os X opravi delo, ki je enako A = F x s x.
Zaradi F x = F ker a, a s x= s, To
|
A = Fs ker a. |
torej
delo stalna sila je enak zmnožku velikosti vektorjev sile in premika ter kosinusa kota med tema vektorjema.
2. Analizirajmo dobljeno delovno formulo.
Če je kot a = 0°, potem je cos 0° = 1 in A = Fs. Opravljeno delo je pozitivno in njegova vrednost je največja, če smer sile sovpada s smerjo premika.
Če je kot a = 90°, potem je cos 90° = 0 in A= 0. Sila ne opravi dela, če je pravokotna na smer gibanja telesa. Tako je delo, ki ga opravi gravitacija, enako nič, ko se telo premika vodoravna ravnina. Delo, ki ga opravi sila na telo, je enako nič centripetalni pospešek z njim enakomerno gibanje vzdolž kroga, saj je ta sila na kateri koli točki trajektorije pravokotna na smer gibanja telesa.
Če je kot a = 180°, potem je cos 180° = –1 in A = –Fs. Ta primer se zgodi, ko sta sila in premik usmerjena noter nasprotnih straneh. V skladu s tem je opravljeno delo negativno, njegova vrednost pa največja. Negativno delo opravlja na primer sila drsnega trenja, saj je usmerjena vstran nasprotna smer gibi telesa.
Če je kot a med vektorjem sile in pomika oster, je delo pozitivno; če je kot a top, je delo negativno.
3. Pridobimo formulo za izračun dela gravitacije. Naj ima telo maso m prosto pade na tla s točke A, ki se nahaja na višini h glede na površino Zemlje in čez nekaj časa konča v točki B(Slika 66, A). Delo, ki ga opravi gravitacija, je enako
A = Fs = mgh.
IN v tem primeru smer gibanja telesa sovpada s smerjo sile, ki deluje nanj, zato je delo težnosti pri prosti pad pozitivno.
Če se telo premakne navpično navzgor iz točke B točno A(Slika 66, b), potem je njegovo gibanje usmerjeno v smeri, ki je nasprotna gravitaciji, delo gravitacije pa je negativno:
A= –mgh
4. Delo, ki ga opravi sila, je mogoče izračunati z uporabo grafa sile v odvisnosti od premika.
Recimo, da se telo premika pod vplivom stalne gravitacije. Graf gravitacijskega modula F kabel iz modula za gibanje telesa s je premica, vzporedna z osjo abscise (slika 67). Poiščimo območje izbrani pravokotnik. Enak je zmnožku njegovih dveh strani: S = F vrvica h = mgh. Po drugi strani pa je delo gravitacije enako vrednosti A = mgh.
Tako je delo številčno enako površini pravokotnika, ki ga omejuje graf, koordinatne osi in pravokotno na os x v točki h.
Poglejmo zdaj primer, ko je sila, ki deluje na telo, premosorazmerna s premikom. Takšna sila je, kot je znano, elastična sila. Njegov modul je enak F nadzor = k D l, kjer D l- podaljšanje telesa.
Recimo, da je vzmet, katere levi konec je pritrjen, stisnjena (slika 68, A). Hkrati se je njegov desni konec premaknil v D l 1. V vzmeti je nastala prožnostna sila F kontrola 1, usmerjena v desno.
Če sedaj pustimo vzmet pri sebi, se bo njen desni konec premaknil v desno (slika 68, b), bo raztezek vzmeti enak D l 2, in elastična sila F vaja 2.
Izračunajmo delo, ki ga opravi prožnostna sila pri premikanju konca vzmeti iz točke s koordinato D l 1 do točke s koordinato D l 2. Za to uporabljamo graf odvisnosti F nadzor (D l) (slika 69). Delo, ki ga opravi elastična sila, je številčno enako površini trapeza ABCD. Ploščina trapeza je enaka produktu polovice vsote osnov in višine, tj. S = AD. V trapezu ABCD razlogov AB = F kontrola 2 = k D l 2 , CD= F nadzor 1 = k D l 1 in višino AD= D l 1 – D l 2. Zamenjajmo te količine v formulo za površino trapeza:
S= (D l 1 – D l 2) =– .
Tako smo ugotovili, da je delo elastične sile enako:
A =– .
5 * . Predpostavimo, da telo mase m premakne iz točke A točno B(Sl. 70), ki se najprej giblje brez trenja vzdolž nagnjene ravnine iz točke A točno C, nato pa brez trenja vzdolž vodoravne ravnine od točke C točno B. Delo gravitacije na mestu C.B. je nič, ker je sila težnosti pravokotna na premik. Pri premikanju po nagnjeni ravnini je delo, ki ga opravi gravitacija:
AC = F vrvica l greh a. Ker l greh a = h, To AC = Ft vrvica h = mgh.
Delo, ki ga opravi gravitacija, ko se telo premika po poti ACB enako ACB = AC + CB = mgh + 0.
torej ACB = mgh.
Dobljeni rezultat kaže, da delo, ki ga opravi gravitacija, ni odvisno od oblike trajektorije. Odvisno je samo od začetnega in končnega položaja telesa.
Predpostavimo zdaj, da se telo giblje po zaprti tirnici ABCA(glej sliko 70). Pri premikanju telesa iz točke A točno B vzdolž trajektorije ACB delo, ki ga opravi gravitacija, je ACB = mgh. Pri premikanju telesa iz točke B točno A gravitacija opravi negativno delo, ki je enako BA = –mgh. Nato delo gravitacije na zaprti trajektoriji A = ACB + BA = 0.
Tudi delo, ki ga opravi elastična sila na zaprti trajektoriji, je enako nič. Recimo, da se prvotno nedeformirana vzmet raztegne in se njena dolžina poveča za D l. Prožnostna sila je opravila delo A 1 = . Ko se vrne v ravnotežje, elastična sila deluje A 2 = . Skupno delo, ki ga opravi elastična sila, ko se vzmet raztegne in vrne v nedeformirano stanje, je nič.
6. Delo, ki ga opravi gravitacija in elastičnost na sklenjeni poti, je enako nič.
Sile, katerih delo na kateri koli zaprti trajektoriji je nič (ali ni odvisno od oblike trajektorije), se imenujejo konzervativne.
Sile, katerih delo je odvisno od oblike trajektorije, se imenujejo nekonzervativne.
Sila trenja je nekonservativna. Na primer, telo se premakne iz točke 1 točno 2 najprej v ravni črti 12 (slika 71), nato pa vzdolž lomljene črte 132 . Na vsakem odseku trajektorije je sila trenja enaka. V prvem primeru je delo sile trenja
A 12 = –F tr l 1 ,
in v drugem -
A 132 = A 13 + A 32, A 132 = –F tr l 2 – F tr l 3 .
Od tod A 12A 132.
7. Iz predmeta fizika v 7. razredu to veš pomembna lastnost naprave, ki delujejo, so moč.
Moč se imenuje fizikalna količina, enako razmerju delo do obdobja, v katerem je bilo opravljeno:
|
n = . |
Moč označuje hitrost, s katero se delo izvaja.
SI enota za moč - vat (1 W).
[n] === 1 W.
Enota moči je moč, pri kateri deluje 1 J je končan za 1 s .
Vprašanja za samotestiranje
1. Kako se imenuje delo? Kaj je enota dela?
2. V katerem primeru sila opravi negativno delo? pozitivno delo?
3. Katera formula se uporablja za izračun dela gravitacije? elastične sile?
5. Katere sile imenujemo konzervativne? nekonservativen?
6 * . Dokaži, da delo težnosti in elastičnosti ni odvisno od oblike trajektorije.
7. Kaj se imenuje moč? Kaj je enota za moč?
Naloga 18
1. Dečka, ki tehta 20 kg, enakomerno peljemo na saneh s silo 20 N. Vrv, s katero vlečemo sani, oklepa z vodoravnico kot 30°. Kolikšno delo opravi elastična sila, ki nastane v vrvi, če se sani premaknejo 100 m?
2. Športnik, ki tehta 65 kg, skoči v vodo s ploščadi, ki se nahaja na višini 3 m nad gladino vode. Kolikšno delo opravi sila težnosti, ki deluje na atleta, ko se premakne na gladino vode?
3. Pod delovanjem prožnostne sile se je dolžina deformirane vzmeti s togostjo 200 N/m zmanjšala za 4 cm.
4 * . Dokažite, da delo spremenljiva silaštevilčno enaka površini slike, omejeno z urnikom odvisnost sile od koordinat in koordinatnih osi.
5. Kolikšna je vlečna sila avtomobilskega motorja, če konstantna hitrost 108 km/h razvije moč 55 kW?
