« Φυσική - 10η τάξη"
Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας είναι ένας θεμελιώδης νόμος της φύσης που μας επιτρέπει να περιγράψουμε τα περισσότερα φαινόμενα.
Η περιγραφή της κίνησης των σωμάτων είναι επίσης δυνατή χρησιμοποιώντας τέτοιες έννοιες δυναμικής όπως το έργο και η ενέργεια.
Θυμηθείτε τι είναι δουλειά και δύναμη στη φυσική.
Συμπίπτουν αυτές οι έννοιες με τις καθημερινές ιδέες για αυτές;
Όλες οι καθημερινές μας ενέργειες καταλήγουν στο γεγονός ότι, με τη βοήθεια των μυών, είτε θέτουμε σε κίνηση τα γύρω σώματα και διατηρούμε αυτή την κίνηση, είτε σταματάμε τα κινούμενα σώματα.
Αυτά τα σώματα είναι εργαλεία (σφυρί, στυλό, πριόνι), σε παιχνίδια - μπάλες, ροδέλες, σκακιστές. Στην παραγωγή και γεωργίαοι άνθρωποι θέτουν και εργαλεία σε κίνηση.
Η χρήση μηχανών αυξάνει την παραγωγικότητα της εργασίας πολλές φορές λόγω της χρήσης κινητήρων σε αυτές.
Ο σκοπός οποιουδήποτε κινητήρα είναι να θέσει τα σώματα σε κίνηση και να διατηρήσει αυτή την κίνηση, παρά το φρενάρισμα τόσο από τη συνηθισμένη τριβή όσο και από την αντίσταση «εργασίας» (ο κόφτης δεν πρέπει απλώς να γλιστρά κατά μήκος του μετάλλου, αλλά, κόβοντας σε αυτό, αφαιρεί τα τσιπς· το άροτρο πρέπει χαλαρώστε τη γη, κ.λπ.). Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να ασκηθεί δύναμη στο κινούμενο σώμα από την πλευρά του κινητήρα.
Η εργασία εκτελείται στη φύση κάθε φορά που μια δύναμη (ή πολλές δυνάμεις) από ένα άλλο σώμα (άλλα σώματα) δρα σε ένα σώμα προς την κατεύθυνση της κίνησής του ή εναντίον του.
Η δύναμη της βαρύτητας λειτουργεί όταν σταγόνες βροχής ή πέτρες πέφτουν από έναν γκρεμό. Ταυτόχρονα, δουλειά γίνεται και από τη δύναμη αντίστασης που επενεργεί στις σταγόνες που πέφτουν ή στην πέτρα από τον αέρα. Η ελαστική δύναμη εκτελεί επίσης εργασία όταν ένα δέντρο που λυγίζει από τον άνεμο ισιώνει.
Ορισμός της εργασίας.
Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα σε μορφή ώθησης Δ = Δtσας επιτρέπει να προσδιορίσετε πώς η ταχύτητα ενός σώματος αλλάζει σε μέγεθος και κατεύθυνση εάν ασκηθεί δύναμη σε αυτό κατά τη διάρκεια ενός χρόνου Δt.
Η επίδραση των δυνάμεων στα σώματα που οδηγούν σε μεταβολή του συντελεστή της ταχύτητάς τους χαρακτηρίζεται από μια τιμή που εξαρτάται τόσο από τις δυνάμεις όσο και από τις κινήσεις των σωμάτων. Στη μηχανική αυτή η ποσότητα ονομάζεται έργο δύναμης.
Μια αλλαγή στην ταχύτητα σε απόλυτη τιμή είναι δυνατή μόνο στην περίπτωση που η προβολή της δύναμης F r στην κατεύθυνση κίνησης του σώματος είναι διαφορετική από το μηδέν. Αυτή η προβολή είναι που καθορίζει τη δράση της δύναμης που αλλάζει την ταχύτητα του modulo του σώματος. Αυτή κάνει τη δουλειά. Επομένως, το έργο μπορεί να θεωρηθεί ως το γινόμενο της προβολής της δύναμης F r από το μέτρο μετατόπισης |Δ| (Εικ. 5.1):
A = F r |Δ|. (5.1)
Αν η γωνία μεταξύ δύναμης και μετατόπισης συμβολίζεται με α, τότε Fr = Fcosα.
Επομένως, η εργασία ισούται με:
A = |Δ|cosα. (5.2)
Η καθημερινή μας ιδέα για την εργασία διαφέρει από τον ορισμό της εργασίας στη φυσική. Κρατάς μια βαριά βαλίτσα, και σου φαίνεται ότι κάνεις δουλειά. Ωστόσο, από φυσική άποψη, η εργασία σας είναι μηδενική.
Δουλειά σταθερή δύναμηισούται με το γινόμενο των συντελεστών δύναμης και μετατόπισης του σημείου εφαρμογής της δύναμης και του συνημιτόνου της μεταξύ τους γωνίας.
Γενικά, όταν κινείται στερεόςοι κινήσεις των διαφορετικών σημείων του είναι διαφορετικές, αλλά όταν προσδιορίζουμε το έργο της δύναμης βρισκόμαστε κάτω Δ κατανοούμε την κίνηση του σημείου εφαρμογής του. Κατά τη μεταφορική κίνηση ενός άκαμπτου σώματος, η κίνηση όλων των σημείων του συμπίπτει με την κίνηση του σημείου εφαρμογής της δύναμης.
Η εργασία, σε αντίθεση με τη δύναμη και τη μετατόπιση, δεν είναι διάνυσμα, αλλά κλιμακωτή ποσότητα. Μπορεί να είναι θετικό, αρνητικό ή μηδενικό.
Το πρόσημο του έργου καθορίζεται από το πρόσημο του συνημιτόνου της γωνίας μεταξύ δύναμης και μετατόπισης. Αν α< 90°, то А >0, από συνημίτονο αιχμηρές γωνίεςθετικός. Σε α > 90° το έργο είναι αρνητικό, αφού το συνημίτονο αμβλείες γωνίεςαρνητικός. Σε α = 90° (δύναμη κάθετη στη μετατόπιση) δεν γίνεται καμία εργασία.
Εάν σε ένα σώμα ασκούνται πολλές δυνάμεις, τότε η προβολή της δύναμης που προκύπτει στη μετατόπιση είναι ίση με το άθροισμα των προβολών των επιμέρους δυνάμεων:
F r = F 1r + F 2r + ... .
Επομένως, για το έργο της προκύπτουσας δύναμης λαμβάνουμε
A = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + ... = A 1 + A 2 + .... (5.3)
Εάν σε ένα σώμα δρουν πολλές δυνάμεις, τότε εργασία πλήρους απασχόλησης(αλγεβρικό άθροισμα του έργου όλων των δυνάμεων) είναι ίσο με το έργο της προκύπτουσας δύναμης.
Το έργο που εκτελείται από μια δύναμη μπορεί να αναπαρασταθεί γραφικά. Ας το εξηγήσουμε αυτό απεικονίζοντας στο σχήμα την εξάρτηση της προβολής της δύναμης από τις συντεταγμένες του σώματος όταν αυτό κινείται σε ευθεία γραμμή.
Αφήστε το σώμα να κινηθεί κατά μήκος του άξονα OX (Εικ. 5.2), στη συνέχεια
Fcosα = F x , |Δ| = Δ x.
Για το έργο της δύναμης παίρνουμε
A = F|Δ|cosα = F x Δx.
Προφανώς, το εμβαδόν του ορθογωνίου που σκιάζεται στο σχήμα (5.3, α) είναι αριθμητικά ίσο με το έργο που γίνεται όταν μετακινείται ένα σώμα από ένα σημείο με συντεταγμένη x1 σε ένα σημείο με συντεταγμένη x2.
Ο τύπος (5.1) ισχύει στην περίπτωση που η προβολή της δύναμης στη μετατόπιση είναι σταθερή. Στην περίπτωση καμπυλόγραμμης τροχιάς, σταθερής ή μεταβλητής δύναμης, χωρίζουμε την τροχιά σε μικρά τμήματα, τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ευθύγραμμα, και την προβολή της δύναμης σε μικρή μετατόπιση Δ - σταθερό.
Στη συνέχεια, υπολογίζοντας την εργασία σε κάθε κίνηση Δ
και στη συνέχεια συνοψίζοντας αυτές τις εργασίες, προσδιορίζουμε το έργο της δύναμης στην τελική μετατόπιση (Εικ. 5.3, β). Ενότητα εργασίας.
Η μονάδα εργασίας μπορεί να καθοριστεί χρησιμοποιώντας τον βασικό τύπο (5.2). Εάν, όταν ένα σώμα κινείται ανά μονάδα μήκους, ασκείται πάνω του από μια δύναμη της οποίας το μέτρο είναι ίσο με ένα και η κατεύθυνση της δύναμης συμπίπτει με την κατεύθυνση κίνησης του σημείου εφαρμογής του (α = 0), τότε το έργο θα είναι ίσο με ένα. ΣΕ Διεθνές σύστημαΗ μονάδα εργασίας (SI) είναι το τζάουλ (συμβολίζεται J):
1 J = 1 N 1 m = 1 N m.
Μονάδα ενέργειας ή έργου- αυτό είναι το έργο που εκτελείται από μια δύναμη 1 N στη μετατόπιση 1 εάν οι κατευθύνσεις της δύναμης και της μετατόπισης συμπίπτουν.
Συχνά χρησιμοποιούνται πολλαπλές μονάδες εργασίας: kilojoule και megajoule:
1 kJ = 1000 J,
1 MJ = 1000000 J.
Η εργασία μπορεί να ολοκληρωθεί είτε σε μεγάλο χρονικό διάστημα είτε σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Στην πράξη, ωστόσο, δεν είναι καθόλου αδιάφορο εάν η εργασία μπορεί να γίνει γρήγορα ή αργά. Ο χρόνος κατά τον οποίο εκτελείται η εργασία καθορίζει την απόδοση οποιουδήποτε κινητήρα. Ένας μικροσκοπικός ηλεκτροκινητήρας μπορεί να κάνει πολλή δουλειά, αλλά θα χρειαστεί πολύς χρόνος. Επομένως, μαζί με την εργασία εισάγεται και μια ποσότητα που χαρακτηρίζει την ταχύτητα με την οποία παράγεται - ισχύς.
Ισχύς είναι ο λόγος του έργου Α προς το χρονικό διάστημα Δt κατά το οποίο γίνεται αυτή η εργασία, δηλαδή η ισχύς είναι η ταχύτητα της εργασίας:
Αντικαθιστώντας στον τύπο (5.4) αντί για το έργο Α την έκφρασή του (5.2), λαμβάνουμε
Έτσι, εάν η δύναμη και η ταχύτητα ενός σώματος είναι σταθερές, τότε η ισχύς είναι ίση με το γινόμενο του μεγέθους του διανύσματος δύναμης από το μέγεθος του διανύσματος της ταχύτητας και του συνημιτόνου της γωνίας μεταξύ των κατευθύνσεων αυτών των διανυσμάτων. Εάν αυτές οι ποσότητες είναι μεταβλητές, τότε χρησιμοποιώντας τον τύπο (5.4) μπορούμε να προσδιορίσουμε τη μέση ισχύ παρόμοια με τον ορισμό μέση ταχύτητακινήσεις του σώματος.
Η έννοια της ισχύος εισάγεται για την αξιολόγηση της εργασίας ανά μονάδα χρόνου που εκτελείται από οποιονδήποτε μηχανισμό (αντλία, γερανός, κινητήρας μηχανής κ.λπ.). Επομένως, στους τύπους (5.4) και (5.5), εννοείται πάντα η δύναμη έλξης.
Στο SI, η ισχύς εκφράζεται σε watt (W).
Η ισχύς είναι ίση με 1 W εάν η εργασία ίση με 1 J εκτελείται σε 1 s.
Μαζί με τα watt, χρησιμοποιούνται μεγαλύτερες (πολλαπλές) μονάδες ισχύος:
1 kW (κιλοβάτ) = 1000 W,
1 MW (μεγαβάτ) = 1.000.000 W.
Σχεδόν όλοι, χωρίς δισταγμό, θα απαντήσουν: στο δεύτερο. Και θα κάνουν λάθος. Το αντίθετο ισχύει. Στη φυσική περιγράφεται η μηχανική εργασία με τους παρακάτω ορισμούς:Η μηχανική εργασία εκτελείται όταν μια δύναμη επιδρά σε ένα σώμα και αυτό κινείται. Η μηχανική εργασία είναι ευθέως ανάλογη με τη δύναμη που εφαρμόζεται και τη διανυθείσα απόσταση.
Τύπος μηχανικής εργασίας
Η μηχανική εργασία καθορίζεται από τον τύπο:
όπου Α είναι έργο, F είναι δύναμη, s η απόσταση που διανύθηκε.
ΔΥΝΗΤΙΚΟΣ(δυνητική συνάρτηση), μια έννοια που χαρακτηρίζει μια ευρεία κατηγορία πεδίων φυσικής δύναμης (ηλεκτρικά, βαρυτικά κ.λπ.) και πεδία γενικότερα φυσικές ποσότητες, που αντιπροσωπεύεται από διανύσματα (πεδίο ταχύτητας ρευστού κ.λπ.). Στη γενική περίπτωση, το δυναμικό διανυσματικού πεδίου a( Χ,y,z) είναι μια τέτοια βαθμωτή συνάρτηση u(Χ,y,z) ότι α=βαθμός
35. Αγωγοί σε ηλεκτρικό πεδίο. Ηλεκτρική χωρητικότητα.Αγωγοί σε ηλεκτρικό πεδίο.Οι αγωγοί είναι ουσίες που χαρακτηρίζονται από την παρουσία σε αυτούς μεγάλου αριθμού ελεύθερων φορέων φορτίου που μπορούν να κινηθούν υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Οι αγωγοί περιλαμβάνουν μέταλλα, ηλεκτρολύτες και άνθρακα. Στα μέταλλα, οι φορείς των ελεύθερων φορτίων είναι τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών φλοιών των ατόμων, τα οποία, όταν τα άτομα αλληλεπιδρούν, χάνουν εντελώς τις συνδέσεις με τα άτομα «τους» και γίνονται ιδιοκτησία ολόκληρου του αγωγού στο σύνολό του. Συμμετέχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια θερμική κίνησησαν μόρια αερίου και μπορεί να κινηθεί μέσω του μετάλλου προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Ηλεκτρική χωρητικότητα- χαρακτηριστικό ενός αγωγού, ένα μέτρο της ικανότητάς του να συσσωρεύει ηλεκτρικό φορτίο. Στη θεωρία ηλεκτρικών κυκλωμάτων, η χωρητικότητα είναι η αμοιβαία χωρητικότητα μεταξύ δύο αγωγών. παράμετρος χωρητικού στοιχείου ηλεκτρικού κυκλώματος, που παρουσιάζεται με τη μορφή δικτύου δύο τερματικών. Αυτή η χωρητικότητα ορίζεται ως ο λόγος της ποσότητας ηλεκτρικό φορτίοστη διαφορά δυναμικού μεταξύ αυτών των αγωγών
36. Χωρητικότητα πυκνωτή παράλληλης πλάκας.
Χωρητικότητα ενός πυκνωτή παράλληλης πλάκας.
Οτι. Η χωρητικότητα ενός επίπεδου πυκνωτή εξαρτάται μόνο από το μέγεθος, το σχήμα και τη διηλεκτρική σταθερά του. Για να δημιουργηθεί ένας πυκνωτής υψηλής χωρητικότητας, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η περιοχή των πλακών και να μειωθεί το πάχος του διηλεκτρικού στρώματος.
37. Μαγνητική αλληλεπίδραση ρευμάτων στο κενό. Ο νόμος του Ampere.Ο νόμος του Ampere. Το 1820, ο Ampere (Γάλλος επιστήμονας (1775-1836)) καθιέρωσε πειραματικά έναν νόμο με τον οποίο μπορεί κανείς να υπολογίσει δύναμη που επενεργεί σε ένα στοιχείο αγωγού μήκους που μεταφέρει ρεύμα.
όπου είναι το διάνυσμα της μαγνητικής επαγωγής, είναι το διάνυσμα του στοιχείου του μήκους του αγωγού που σύρεται προς την κατεύθυνση του ρεύματος.
Συντελεστής δύναμης , όπου είναι η γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης του ρεύματος στον αγωγό και της κατεύθυνσης της επαγωγής του μαγνητικού πεδίου. Για ευθύγραμμο αγωγό μήκους που μεταφέρει ρεύμα σε ομοιόμορφο πεδίο
Η κατεύθυνση της ενεργούσας δύναμης μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας κανόνες του αριστερού χεριού:
Εάν η παλάμη του αριστερού χεριού είναι τοποθετημένη έτσι ώστε το κανονικό (στο ρεύμα) εξάρτημα μαγνητικό πεδίοεισήλθε στην παλάμη και τα τέσσερα εκτεταμένα δάχτυλα κατευθύνονται κατά μήκος του ρεύματος, τότε ο αντίχειρας θα υποδείξει την κατεύθυνση στην οποία ενεργεί η δύναμη Ampere.
38. Ένταση μαγνητικού πεδίου. Νόμος Biot-Savart-LaplaceΙσχύς μαγνητικού πεδίου(τυπική ονομασία Ν ) - διάνυσμα φυσική ποσότητα, ίσο με τη διαφορά του διανύσματος μαγνητική επαγωγή σι Και διάνυσμα μαγνήτισης J .
ΣΕ Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI): 
Οπου- μαγνητική σταθερά.
Νόμος BSL.Ο νόμος που καθορίζει το μαγνητικό πεδίο ενός μεμονωμένου στοιχείου ρεύματος 
39. Εφαρμογές του νόμου Bio-Savart-Laplace.Για πεδίο συνεχούς ρεύματος
Για κυκλική στροφή.
Και για την ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα
40. Επαγωγή μαγνητικού πεδίουΈνα μαγνητικό πεδίο χαρακτηρίζεται από μια διανυσματική ποσότητα, η οποία ονομάζεται επαγωγή μαγνητικού πεδίου (ένα διανυσματικό μέγεθος που είναι μια δύναμη χαρακτηριστική του μαγνητικού πεδίου σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου). ΜΙ. (Β) αυτή δεν είναι μια δύναμη που ασκεί στους αγωγούς, είναι μια ποσότητα που βρίσκεται μέσω αυτής της δύναμης χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο: B=F / (I*l) (Λεκτικά: MI διανυσματική μονάδα. (Β) ισούται με την αναλογία του συντελεστή της δύναμης F, με την οποία το μαγνητικό πεδίο δρα σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα που βρίσκεται κάθετα στις μαγνητικές γραμμές, προς την ένταση ρεύματος στον αγωγό I και το μήκος του αγωγού l.Η μαγνητική επαγωγή εξαρτάται μόνο από το μαγνητικό πεδίο. Από αυτή την άποψη, η επαγωγή μπορεί να θεωρηθεί ένα ποσοτικό χαρακτηριστικό ενός μαγνητικού πεδίου. Καθορίζει με ποια δύναμη (δύναμη Lorentz) το μαγνητικό πεδίο ενεργεί σε ένα φορτίο που κινείται με ταχύτητα. 
Ο MI μετριέται σε teslas (1 Tesla). Στην περίπτωση αυτή, 1 T=1 N/(A*m). Το MI έχει κατεύθυνση. Γραφικά μπορεί να σκιαγραφηθεί με τη μορφή γραμμών. Σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο, οι γραμμές MI είναι παράλληλες και το διάνυσμα MI θα κατευθύνεται με τον ίδιο τρόπο σε όλα τα σημεία. Στην περίπτωση ενός μη ομοιόμορφου μαγνητικού πεδίου, για παράδειγμα, ενός πεδίου γύρω από έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα, το διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής θα αλλάξει σε κάθε σημείο του χώρου γύρω από τον αγωγό και οι εφαπτομένες σε αυτό το διάνυσμα θα δημιουργήσουν ομόκεντρους κύκλους γύρω από τον αγωγό .
41. Κίνηση σωματιδίου σε μαγνητικό πεδίο. Δύναμη Lorentz.α) - Εάν ένα σωματίδιο πετάει σε μια περιοχή ομοιόμορφου μαγνητικού πεδίου και το διάνυσμα V είναι κάθετο στο διάνυσμα Β, τότε κινείται σε κύκλο ακτίνας R=mV/qB, αφού η δύναμη Lorentz Fl=mV^2 Το /R παίζει το ρόλο μιας κεντρομόλου δύναμης. Η περίοδος περιστροφής είναι ίση με T=2piR/V=2pim/qB και δεν εξαρτάται από την ταχύτητα των σωματιδίων (Αυτό ισχύει μόνο για το V<<скорости света) - Если угол между векторами V и B не равен 0 и 90 градусов, то частица в однородном магнитном поле движется по винтовой линии. - Если вектор V параллелен B, то частица движется по прямой линии (Fл=0). б) Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущиеся в нем заряды, называют силой Лоренца.
Η μαγνητική δύναμη καθορίζεται από τη σχέση: Fl = q·V·B·sina (q είναι το μέγεθος του κινούμενου φορτίου· V είναι το μέτρο της ταχύτητάς του· B είναι το μέτρο του διανύσματος επαγωγής του μαγνητικού πεδίου· το άλφα είναι το γωνία μεταξύ διανύσματος V και διανύσματος Β) Η δύναμη Lorentz είναι κάθετη στην ταχύτητα και επομένως δεν λειτουργεί, δεν αλλάζει το μέτρο της ταχύτητας φόρτισης και την κινητική της ενέργεια. Αλλά η κατεύθυνση της ταχύτητας αλλάζει συνεχώς. Η δύναμη Lorentz είναι κάθετη στα διανύσματα B και v και η κατεύθυνσή της προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας τον ίδιο κανόνα αριστεράς με την κατεύθυνση της δύναμης Ampere: εάν το αριστερό χέρι είναι τοποθετημένο έτσι ώστε η συνιστώσα της μαγνητικής επαγωγής B, κάθετη προς η ταχύτητα του φορτίου, εισέρχεται στην παλάμη και τα τέσσερα δάχτυλα κατευθύνονται κατά μήκος της κίνησης του θετικού φορτίου (ενάντια στην κίνηση του αρνητικού), τότε ο αντίχειρας λυγισμένος 90 μοίρες θα δείξει την κατεύθυνση της δύναμης Lorentz F l που ενεργεί η επιβάρυνση. 
Βασικές θεωρητικές πληροφορίες
Μηχανολογικές εργασίες
Τα ενεργειακά χαρακτηριστικά της κίνησης εισάγονται με βάση την έννοια μηχανική εργασία ή εργασία με δύναμη. Εργασία που γίνεται με σταθερή δύναμη φά, είναι ένα φυσικό μέγεθος ίσο με το γινόμενο της δύναμης και των συντελεστών μετατόπισης πολλαπλασιασμένο με το συνημίτονο της γωνίας μεταξύ των διανυσμάτων δύναμης φάκαι κινήσεις μικρό:
Η εργασία είναι μια κλιμακωτή ποσότητα. Μπορεί να είναι είτε θετικό (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). Στο α = 90° το έργο που γίνεται από τη δύναμη είναι μηδέν. Στο σύστημα SI, η εργασία μετριέται σε τζάουλ (J). Ένα τζάουλ ισούται με το έργο που κάνει μια δύναμη 1 newton για να μετακινηθεί 1 μέτρο προς την κατεύθυνση της δύναμης.
Εάν η δύναμη αλλάξει με την πάροδο του χρόνου, τότε για να βρείτε το έργο, δημιουργήστε ένα γράφημα της δύναμης έναντι της μετατόπισης και βρείτε την περιοχή του σχήματος κάτω από το γράφημα - αυτό είναι το έργο:
Ένα παράδειγμα δύναμης της οποίας το μέτρο εξαρτάται από τη συντεταγμένη (μετατόπιση) είναι η ελαστική δύναμη ενός ελατηρίου, το οποίο υπακούει στο νόμο του Χουκ ( φάέλεγχος = kx).
Εξουσία
Το έργο που εκτελείται από μια δύναμη ανά μονάδα χρόνου ονομάζεται εξουσία. Εξουσία Π(μερικές φορές υποδηλώνεται με το γράμμα Ν) – φυσική ποσότητα ίση με την αναλογία εργασίας ΕΝΑσε μια χρονική περίοδο tκατά την οποία ολοκληρώθηκε η παρούσα εργασία:
Αυτός ο τύπος υπολογίζει μέση ισχύς, δηλ. δύναμη που χαρακτηρίζει γενικά τη διαδικασία. Έτσι, η εργασία μπορεί επίσης να εκφραστεί με όρους ισχύος: ΕΝΑ = Pt(αν, φυσικά, είναι γνωστή η δύναμη και ο χρόνος της εκτέλεσης της εργασίας). Η μονάδα ισχύος ονομάζεται watt (W) ή 1 joule ανά δευτερόλεπτο. Εάν η κίνηση είναι ομοιόμορφη, τότε:
Χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο μπορούμε να υπολογίσουμε στιγμιαία δύναμη(ισχύς σε μια δεδομένη στιγμή), εάν αντί για ταχύτητα αντικαταστήσουμε την τιμή της στιγμιαίας ταχύτητας στον τύπο. Πώς ξέρετε τι δύναμη να μετρήσετε; Εάν το πρόβλημα ζητά ισχύ σε μια χρονική στιγμή ή σε κάποιο σημείο στο χώρο, τότε θεωρείται στιγμιαίο. Εάν ρωτήσουν για την ισχύ σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο ή μέρος της διαδρομής, τότε αναζητήστε τη μέση ισχύ.
Αποδοτικότητα – συντελεστής αποδοτικότητας, ισούται με την αναλογία χρήσιμης εργασίας προς δαπανηθεί ή χρήσιμης ισχύος προς δαπανηθεί:
Το ποια εργασία είναι χρήσιμη και ποια σπαταλιέται καθορίζεται από τις συνθήκες μιας συγκεκριμένης εργασίας μέσω λογικών συλλογισμών. Για παράδειγμα, εάν ένας γερανός κάνει την εργασία της ανύψωσης ενός φορτίου σε ένα ορισμένο ύψος, τότε η χρήσιμη εργασία θα είναι η εργασία της ανύψωσης του φορτίου (καθώς για αυτόν τον σκοπό δημιουργήθηκε ο γερανός) και η εργασία που δαπανήθηκε θα είναι τη δουλειά που κάνει ο ηλεκτροκινητήρας του γερανού.
Άρα, η χρήσιμη και η δαπανηρή ισχύς δεν έχουν αυστηρό ορισμό, και βρίσκονται με λογικό συλλογισμό. Σε κάθε εργασία, εμείς οι ίδιοι πρέπει να προσδιορίσουμε ποιος ήταν ο στόχος αυτής της εργασίας (χρήσιμη εργασία ή δύναμη) και ποιος ήταν ο μηχανισμός ή ο τρόπος εκτέλεσης όλης της εργασίας (καταναλωμένη ισχύς ή εργασία).
Γενικά, η απόδοση δείχνει πόσο αποτελεσματικά ένας μηχανισμός μετατρέπει ένα είδος ενέργειας σε άλλο. Εάν η ισχύς αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, τότε το έργο βρίσκεται ως η περιοχή του σχήματος κάτω από το γράφημα ισχύος έναντι χρόνου:
Κινητική ενέργεια
Ένα φυσικό μέγεθος ίσο με το μισό γινόμενο της μάζας ενός σώματος και το τετράγωνο της ταχύτητάς του ονομάζεται κινητική ενέργεια του σώματος (ενέργεια κίνησης):
Δηλαδή, εάν ένα αυτοκίνητο βάρους 2000 kg κινείται με ταχύτητα 10 m/s, τότε έχει κινητική ενέργεια ίση με μι k = 100 kJ και μπορεί να κάνει 100 kJ δουλειά. Αυτή η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα (όταν ένα αυτοκίνητο φρενάρει, τα ελαστικά των τροχών, ο δρόμος και οι δίσκοι των φρένων θερμαίνονται) ή μπορεί να δαπανηθεί για την παραμόρφωση του αυτοκινήτου και του αμαξώματος με το οποίο συγκρούεται το αυτοκίνητο (σε ατύχημα). Κατά τον υπολογισμό της κινητικής ενέργειας, δεν έχει σημασία πού κινείται το αυτοκίνητο, καθώς η ενέργεια, όπως και η εργασία, είναι μια κλιμακωτή ποσότητα.
Ένα σώμα έχει ενέργεια αν μπορεί να κάνει δουλειά.Για παράδειγμα, ένα κινούμενο σώμα έχει κινητική ενέργεια, δηλ. ενέργεια κίνησης, και είναι ικανός να κάνει εργασία για να παραμορφώσει σώματα ή να προσδώσει επιτάχυνση σε σώματα με τα οποία συμβαίνει σύγκρουση.
Η φυσική έννοια της κινητικής ενέργειας: προκειμένου ένα σώμα σε ηρεμία με μάζα Μάρχισε να κινείται με ταχύτητα vείναι απαραίτητο να γίνει εργασία ίση με την λαμβανόμενη τιμή της κινητικής ενέργειας. Αν το σώμα έχει μάζα Μκινείται με ταχύτητα v, τότε για να το σταματήσουμε είναι απαραίτητο να κάνουμε εργασία ίση με την αρχική κινητική του ενέργεια. Κατά το φρενάρισμα, η κινητική ενέργεια κυρίως (εκτός από περιπτώσεις κρούσης, όταν η ενέργεια πηγαίνει σε παραμόρφωση) «αφαιρείται» από τη δύναμη τριβής.
Θεώρημα για την κινητική ενέργεια: το έργο της προκύπτουσας δύναμης είναι ίσο με τη μεταβολή της κινητικής ενέργειας του σώματος:
Το θεώρημα για την κινητική ενέργεια ισχύει και στη γενική περίπτωση, όταν ένα σώμα κινείται υπό την επίδραση μιας μεταβαλλόμενης δύναμης, η διεύθυνση της οποίας δεν συμπίπτει με την κατεύθυνση της κίνησης. Είναι βολικό να εφαρμοστεί αυτό το θεώρημα σε προβλήματα που αφορούν την επιτάχυνση και την επιβράδυνση ενός σώματος.
Δυναμική ενέργεια
Μαζί με την κινητική ενέργεια ή την ενέργεια της κίνησης, η έννοια παίζει σημαντικό ρόλο στη φυσική δυναμική ενέργεια ή ενέργεια αλληλεπίδρασης σωμάτων.
Η δυνητική ενέργεια καθορίζεται από τη σχετική θέση των σωμάτων (για παράδειγμα, τη θέση του σώματος σε σχέση με την επιφάνεια της Γης). Η έννοια της δυναμικής ενέργειας μπορεί να εισαχθεί μόνο για δυνάμεις των οποίων το έργο δεν εξαρτάται από την τροχιά του σώματος και καθορίζεται μόνο από την αρχική και την τελική θέση (το λεγόμενο συντηρητικές δυνάμεις). Το έργο που γίνεται από τέτοιες δυνάμεις σε μια κλειστή τροχιά είναι μηδέν. Αυτή η ιδιότητα διακατέχεται από τη βαρύτητα και την ελαστική δύναμη. Για αυτές τις δυνάμεις μπορούμε να εισαγάγουμε την έννοια της δυναμικής ενέργειας.
Δυνητική ενέργεια ενός σώματος στο πεδίο βαρύτητας της Γηςυπολογίζεται με τον τύπο:
Η φυσική έννοια της δυναμικής ενέργειας ενός σώματος: η δυναμική ενέργεια είναι ίση με το έργο που εκτελεί η βαρύτητα όταν το σώμα χαμηλώνει στο μηδέν ( η– απόσταση από το κέντρο βάρους του σώματος έως το μηδενικό επίπεδο). Εάν ένα σώμα έχει δυναμική ενέργεια, τότε είναι ικανό να κάνει δουλειά όταν αυτό το σώμα πέφτει από ύψος ησε μηδενικό επίπεδο. Το έργο που εκτελείται από τη βαρύτητα είναι ίσο με τη μεταβολή της δυναμικής ενέργειας του σώματος, που λαμβάνεται με το αντίθετο πρόσημο:
Συχνά σε ενεργειακά προβλήματα πρέπει να βρει κανείς το έργο της ανύψωσης (αναποδογυρισμός, έξοδος από μια τρύπα) του σώματος. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η κίνηση όχι του ίδιου του σώματος, αλλά μόνο του κέντρου βάρους του.
Η δυναμική ενέργεια Ep εξαρτάται από την επιλογή του μηδενικού επιπέδου, δηλαδή από την επιλογή της προέλευσης του άξονα OY. Σε κάθε πρόβλημα επιλέγεται το μηδενικό επίπεδο για λόγους ευκολίας. Αυτό που έχει φυσική σημασία δεν είναι η ίδια η δυναμική ενέργεια, αλλά η αλλαγή της όταν ένα σώμα μετακινείται από τη μια θέση στην άλλη. Αυτή η αλλαγή είναι ανεξάρτητη από την επιλογή του μηδενικού επιπέδου.
Δυνητική ενέργεια ενός τεντωμένου ελατηρίουυπολογίζεται με τον τύπο:
Οπου: κ– ακαμψία ελατηρίου. Ένα εκτεταμένο (ή συμπιεσμένο) ελατήριο μπορεί να θέσει σε κίνηση ένα σώμα που είναι προσαρτημένο σε αυτό, δηλαδή να μεταδώσει κινητική ενέργεια σε αυτό το σώμα. Κατά συνέπεια, ένα τέτοιο ελατήριο έχει ένα απόθεμα ενέργειας. Ένταση ή συμπίεση Χπρέπει να υπολογίζεται από την απαραμόρφωτη κατάσταση του σώματος.
Η δυναμική ενέργεια ενός ελαστικά παραμορφωμένου σώματος είναι ίση με το έργο που επιτελεί η ελαστική δύναμη κατά τη μετάβαση από μια δεδομένη κατάσταση σε μια κατάσταση με μηδενική παραμόρφωση. Εάν στην αρχική κατάσταση το ελατήριο ήταν ήδη παραμορφωμένο και η επιμήκυνσή του ήταν ίση με Χ 1, στη συνέχεια κατά τη μετάβαση σε μια νέα κατάσταση με επιμήκυνση Χ 2, η ελαστική δύναμη θα κάνει έργο ίσο με τη μεταβολή της δυναμικής ενέργειας, που λαμβάνεται με το αντίθετο πρόσημο (καθώς η ελαστική δύναμη στρέφεται πάντα ενάντια στην παραμόρφωση του σώματος):
Η δυναμική ενέργεια κατά την ελαστική παραμόρφωση είναι η ενέργεια αλληλεπίδρασης μεμονωμένων τμημάτων του σώματος μεταξύ τους με ελαστικές δυνάμεις.
Το έργο της δύναμης τριβής εξαρτάται από τη διαδρομή που διανύεται (αυτός ο τύπος δύναμης, του οποίου το έργο εξαρτάται από την τροχιά και τη διαδρομή που διανύεται ονομάζεται: διασκορπιστικές δυνάμεις). Η έννοια της δυνητικής ενέργειας για τη δύναμη τριβής δεν μπορεί να εισαχθεί.
Αποδοτικότητα
Συντελεστής αποδοτικότητας (αποτελεσματικότητα)– χαρακτηριστικό της απόδοσης ενός συστήματος (συσκευής, μηχανής) σε σχέση με τη μετατροπή ή τη μετάδοση ενέργειας. Καθορίζεται από την αναλογία της ωφέλιμα χρησιμοποιούμενης ενέργειας προς τη συνολική ποσότητα ενέργειας που λαμβάνει το σύστημα (ο τύπος έχει ήδη δοθεί παραπάνω).
Η απόδοση μπορεί να υπολογιστεί τόσο μέσω της εργασίας όσο και μέσω της ισχύος. Η χρήσιμη και η δαπανηρή εργασία (δύναμη) καθορίζονται πάντα με απλό λογικό συλλογισμό.
Στους ηλεκτρικούς κινητήρες, απόδοση είναι ο λόγος της εκτελεσθείσας (χρήσιμης) μηχανικής εργασίας προς την ηλεκτρική ενέργεια που λαμβάνεται από την πηγή. Στις θερμικές μηχανές, ο λόγος της χρήσιμης μηχανικής εργασίας προς την ποσότητα της θερμότητας που καταναλώνεται. Στους ηλεκτρικούς μετασχηματιστές, ο λόγος της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που λαμβάνεται στο δευτερεύον τύλιγμα προς την ενέργεια που καταναλώνεται από το πρωτεύον τύλιγμα.
Λόγω της γενικότητάς της, η έννοια της απόδοσης καθιστά δυνατή τη σύγκριση και την αξιολόγηση από μια ενοποιημένη σκοπιά τέτοιων διαφορετικών συστημάτων όπως πυρηνικοί αντιδραστήρες, ηλεκτρικές γεννήτριες και κινητήρες, θερμοηλεκτρικοί σταθμοί, συσκευές ημιαγωγών, βιολογικά αντικείμενα κ.λπ.
Λόγω αναπόφευκτων απωλειών ενέργειας λόγω τριβής, θέρμανσης των γύρω σωμάτων κ.λπ. Η αποτελεσματικότητα είναι πάντα μικρότερη από την ενότητα.Αντίστοιχα, η απόδοση εκφράζεται ως κλάσμα της ενέργειας που δαπανάται, δηλαδή ως σωστό κλάσμα ή ως ποσοστό, και είναι μια αδιάστατη ποσότητα. Η αποδοτικότητα χαρακτηρίζει πόσο αποτελεσματικά λειτουργεί ένα μηχάνημα ή μηχανισμός. Η απόδοση των θερμοηλεκτρικών σταθμών φτάνει το 35–40%, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης με υπερφόρτιση και προψύξη – 40–50%, οι δυναμό και οι γεννήτριες υψηλής ισχύος – 95%, οι μετασχηματιστές – 98%.
Ένα πρόβλημα στο οποίο πρέπει να βρείτε την αποτελεσματικότητα ή είναι γνωστό, πρέπει να ξεκινήσετε με λογικούς συλλογισμούς - ποια εργασία είναι χρήσιμη και ποια σπαταλάται.
Νόμος διατήρησης της μηχανικής ενέργειας
Ολική μηχανική ενέργειαονομάζεται το άθροισμα της κινητικής ενέργειας (δηλαδή η ενέργεια της κίνησης) και του δυναμικού (δηλαδή η ενέργεια της αλληλεπίδρασης των σωμάτων από τις δυνάμεις της βαρύτητας και της ελαστικότητας):
Εάν η μηχανική ενέργεια δεν μετατραπεί σε άλλες μορφές, για παράδειγμα, σε εσωτερική (θερμική) ενέργεια, τότε το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας παραμένει αμετάβλητο. Εάν η μηχανική ενέργεια μετατραπεί σε θερμική ενέργεια, τότε η μεταβολή της μηχανικής ενέργειας είναι ίση με το έργο της δύναμης τριβής ή τις απώλειες ενέργειας ή την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται και ούτω καθεξής, με άλλα λόγια, η μεταβολή της συνολικής μηχανικής ενέργειας είναι ίση στο έργο των εξωτερικών δυνάμεων:
Το άθροισμα της κινητικής και δυναμικής ενέργειας των σωμάτων που συνθέτουν ένα κλειστό σύστημα (δηλαδή ένα στο οποίο δεν δρουν εξωτερικές δυνάμεις και το έργο τους είναι αντίστοιχα μηδέν) και οι βαρυτικές και ελαστικές δυνάμεις που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους παραμένουν αμετάβλητες:
Η δήλωση αυτή εκφράζει νόμος διατήρησης της ενέργειας (LEC) στις μηχανικές διεργασίες. Είναι συνέπεια των νόμων του Νεύτωνα. Ο νόμος της διατήρησης της μηχανικής ενέργειας ικανοποιείται μόνο όταν τα σώματα σε ένα κλειστό σύστημα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με δυνάμεις ελαστικότητας και βαρύτητας. Σε όλα τα προβλήματα του νόμου της διατήρησης της ενέργειας θα υπάρχουν πάντα τουλάχιστον δύο καταστάσεις ενός συστήματος σωμάτων. Ο νόμος ορίζει ότι η συνολική ενέργεια της πρώτης κατάστασης θα είναι ίση με τη συνολική ενέργεια της δεύτερης κατάστασης.
Αλγόριθμος για την επίλυση προβλημάτων σχετικά με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας:
- Βρείτε τα σημεία της αρχικής και τελικής θέσης του σώματος.
- Γράψτε τι ή ποιες ενέργειες έχει το σώμα σε αυτά τα σημεία.
- Εξισώστε την αρχική και την τελική ενέργεια του σώματος.
- Προσθέστε άλλες απαραίτητες εξισώσεις από προηγούμενα θέματα φυσικής.
- Να λύσετε την εξίσωση ή το σύστημα εξισώσεων που προκύπτει χρησιμοποιώντας μαθηματικές μεθόδους.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο νόμος της διατήρησης της μηχανικής ενέργειας κατέστησε δυνατή τη λήψη μιας σχέσης μεταξύ των συντεταγμένων και των ταχυτήτων ενός σώματος σε δύο διαφορετικά σημεία της τροχιάς χωρίς να αναλυθεί ο νόμος της κίνησης του σώματος σε όλα τα ενδιάμεσα σημεία. Η εφαρμογή του νόμου της διατήρησης της μηχανικής ενέργειας μπορεί να απλοποιήσει πολύ την επίλυση πολλών προβλημάτων.
Σε πραγματικές συνθήκες, τα κινούμενα σώματα επηρεάζονται σχεδόν πάντα, μαζί με δυνάμεις βαρύτητας, ελαστικές δυνάμεις και άλλες δυνάμεις, από δυνάμεις τριβής ή δυνάμεις περιβαλλοντικής αντίστασης. Το έργο που γίνεται από τη δύναμη τριβής εξαρτάται από το μήκος της διαδρομής.
Εάν ενεργούν δυνάμεις τριβής μεταξύ των σωμάτων που αποτελούν ένα κλειστό σύστημα, τότε η μηχανική ενέργεια δεν διατηρείται. Μέρος της μηχανικής ενέργειας μετατρέπεται σε εσωτερική ενέργεια των σωμάτων (θέρμανση). Έτσι, η ενέργεια ως σύνολο (δηλαδή όχι μόνο η μηχανική) διατηρείται σε κάθε περίπτωση.
Κατά τη διάρκεια οποιωνδήποτε φυσικών αλληλεπιδράσεων, η ενέργεια ούτε εμφανίζεται ούτε εξαφανίζεται. Απλώς αλλάζει από τη μια μορφή στην άλλη. Αυτό το πειραματικά καθιερωμένο γεγονός εκφράζει έναν θεμελιώδη νόμο της φύσης - νόμος διατήρησης και μετατροπής της ενέργειας.
Μία από τις συνέπειες του νόμου της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας είναι η δήλωση σχετικά με την αδυναμία δημιουργίας μιας «μηχανής διαρκούς κίνησης» (perpetuum mobile) - μιας μηχανής που θα μπορούσε να λειτουργεί επ 'αόριστον χωρίς να καταναλώνει ενέργεια.
Διάφορες εργασίες για εργασία
Εάν το πρόβλημα απαιτεί εύρεση μηχανικής εργασίας, τότε επιλέξτε πρώτα μια μέθοδο για την εύρεση του:
- Μια εργασία μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο: ΕΝΑ = FS∙cos α . Βρείτε τη δύναμη που κάνει το έργο και την ποσότητα μετατόπισης του σώματος υπό την επίδραση αυτής της δύναμης στο επιλεγμένο πλαίσιο αναφοράς. Σημειώστε ότι η γωνία πρέπει να επιλεγεί μεταξύ των διανυσμάτων δύναμης και μετατόπισης.
- Το έργο που γίνεται από μια εξωτερική δύναμη μπορεί να βρεθεί ως η διαφορά στη μηχανική ενέργεια στην τελική και αρχική κατάσταση. Η μηχανική ενέργεια είναι ίση με το άθροισμα της κινητικής και της δυνητικής ενέργειας του σώματος.
- Η εργασία που γίνεται για την ανύψωση ενός σώματος με σταθερή ταχύτητα μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο: ΕΝΑ = mgh, Οπου η- ύψος στο οποίο ανεβαίνει κέντρο βάρους του σώματος.
- Η εργασία μπορεί να βρεθεί ως προϊόν δύναμης και χρόνου, δηλ. σύμφωνα με τον τύπο: ΕΝΑ = Pt.
- Το έργο μπορεί να βρεθεί ως η περιοχή του σχήματος κάτω από το γράφημα της δύναμης έναντι της μετατόπισης ή της ισχύος έναντι του χρόνου.
Νόμος διατήρησης της ενέργειας και δυναμική περιστροφικής κίνησης
Τα προβλήματα αυτού του θέματος είναι αρκετά περίπλοκα μαθηματικά, αλλά αν γνωρίζετε την προσέγγιση, μπορούν να λυθούν χρησιμοποιώντας έναν εντελώς τυπικό αλγόριθμο. Σε όλα τα προβλήματα θα πρέπει να λάβετε υπόψη την περιστροφή του σώματος στο κατακόρυφο επίπεδο. Η λύση θα καταλήξει στην ακόλουθη σειρά ενεργειών:
- Πρέπει να προσδιορίσετε το σημείο που σας ενδιαφέρει (το σημείο στο οποίο πρέπει να προσδιορίσετε την ταχύτητα του σώματος, τη δύναμη τάσης του νήματος, το βάρος κ.λπ.).
- Γράψτε τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα σε αυτό το σημείο, λαμβάνοντας υπόψη ότι το σώμα περιστρέφεται, δηλαδή έχει κεντρομόλο επιτάχυνση.
- Γράψτε το νόμο της διατήρησης της μηχανικής ενέργειας έτσι ώστε να περιέχει την ταχύτητα του σώματος σε αυτό το πολύ ενδιαφέρον σημείο, καθώς και τα χαρακτηριστικά της κατάστασης του σώματος σε κάποια κατάσταση για την οποία κάτι είναι γνωστό.
- Ανάλογα με τη συνθήκη, εκφράστε την τετραγωνική ταχύτητα από τη μια εξίσωση και αντικαταστήστε την στην άλλη.
- Εκτελέστε τις υπόλοιπες απαραίτητες μαθηματικές πράξεις για να λάβετε το τελικό αποτέλεσμα.
Κατά την επίλυση προβλημάτων, πρέπει να θυμάστε ότι:
- Η προϋπόθεση για τη διέλευση του άνω σημείου κατά την περιστροφή σε ένα νήμα με ελάχιστη ταχύτητα είναι η δύναμη αντίδρασης στήριξης Νστο πάνω σημείο είναι 0. Η ίδια προϋπόθεση πληρούται όταν περνάς το πάνω σημείο του νεκρού βρόχου.
- Κατά την περιστροφή σε μια ράβδο, η προϋπόθεση για να περάσει ολόκληρος ο κύκλος είναι: η ελάχιστη ταχύτητα στο πάνω σημείο είναι 0.
- Η προϋπόθεση για τον διαχωρισμό ενός σώματος από την επιφάνεια της σφαίρας είναι η δύναμη αντίδρασης στήριξης στο σημείο διαχωρισμού να είναι μηδέν.
Ανελαστικές συγκρούσεις
Ο νόμος της διατήρησης της μηχανικής ενέργειας και ο νόμος της διατήρησης της ορμής καθιστούν δυνατή την εύρεση λύσεων σε μηχανικά προβλήματα σε περιπτώσεις όπου οι δρώντες δυνάμεις είναι άγνωστες. Ένα παράδειγμα αυτού του τύπου προβλήματος είναι η αλληλεπίδραση κρούσης των σωμάτων.
Με πρόσκρουση (ή σύγκρουση)Συνηθίζεται να ονομάζουμε βραχυπρόθεσμη αλληλεπίδραση σωμάτων, με αποτέλεσμα οι ταχύτητες τους να παρουσιάζουν σημαντικές αλλαγές. Κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης σωμάτων, ενεργούν μεταξύ τους βραχυπρόθεσμες δυνάμεις κρούσης, το μέγεθος των οποίων, κατά κανόνα, είναι άγνωστο. Ως εκ τούτου, είναι αδύνατο να εξεταστεί η αλληλεπίδραση επιπτώσεων απευθείας χρησιμοποιώντας τους νόμους του Νεύτωνα. Η εφαρμογή των νόμων διατήρησης της ενέργειας και της ορμής σε πολλές περιπτώσεις καθιστά δυνατό τον αποκλεισμό της ίδιας της διαδικασίας σύγκρουσης από την εξέταση και την επίτευξη σύνδεσης μεταξύ των ταχυτήτων των σωμάτων πριν και μετά τη σύγκρουση, παρακάμπτοντας όλες τις ενδιάμεσες τιμές αυτών των μεγεθών.
Συχνά έχουμε να αντιμετωπίσουμε την αλληλεπίδραση κρούσης των σωμάτων στην καθημερινή ζωή, στην τεχνολογία και στη φυσική (ειδικά στη φυσική του ατόμου και των στοιχειωδών σωματιδίων). Στη μηχανική, χρησιμοποιούνται συχνά δύο μοντέλα αλληλεπίδρασης κρούσης - απόλυτα ελαστικές και απολύτως ανελαστικές κρούσεις.
Απόλυτα ανελαστική κρούσηΟνομάζουν αυτή την αλληλεπίδραση κρούσης κατά την οποία τα σώματα συνδέονται (κολλάνε μεταξύ τους) μεταξύ τους και προχωρούν ως ένα σώμα.
Σε μια εντελώς ανελαστική σύγκρουση, η μηχανική ενέργεια δεν διατηρείται. Μετατρέπεται εν μέρει ή πλήρως στην εσωτερική ενέργεια των σωμάτων (θέρμανση). Για να περιγράψετε τυχόν κρούσεις, πρέπει να γράψετε τόσο το νόμο της διατήρησης της ορμής όσο και το νόμο της διατήρησης της μηχανικής ενέργειας, λαμβάνοντας υπόψη τη θερμότητα που απελευθερώνεται (συνιστάται να κάνετε πρώτα ένα σχέδιο).
Απόλυτα ελαστική κρούση
Απόλυτα ελαστική κρούσηονομάζεται σύγκρουση κατά την οποία διατηρείται η μηχανική ενέργεια ενός συστήματος σωμάτων. Σε πολλές περιπτώσεις, οι συγκρούσεις ατόμων, μορίων και στοιχειωδών σωματιδίων υπακούουν στους νόμους της απολύτως ελαστικής κρούσης. Με απόλυτα ελαστική κρούση, μαζί με τον νόμο διατήρησης της ορμής, ικανοποιείται και ο νόμος διατήρησης της μηχανικής ενέργειας. Ένα απλό παράδειγμα τέλειας ελαστικής σύγκρουσης θα ήταν η κεντρική πρόσκρουση δύο μπάλων μπιλιάρδου, η μία από τις οποίες ήταν σε ηρεμία πριν από τη σύγκρουση.
Κεντρική απεργίαμπάλες ονομάζεται σύγκρουση κατά την οποία οι ταχύτητες των σφαιρών πριν και μετά την κρούση κατευθύνονται κατά μήκος της γραμμής των κέντρων. Έτσι, χρησιμοποιώντας τους νόμους διατήρησης της μηχανικής ενέργειας και της ορμής, είναι δυνατό να προσδιοριστούν οι ταχύτητες των σφαιρών μετά από μια σύγκρουση, εάν οι ταχύτητες τους πριν από τη σύγκρουση είναι γνωστές. Ο κεντρικός αντίκτυπος εφαρμόζεται πολύ σπάνια στην πράξη, ειδικά όταν πρόκειται για συγκρούσεις ατόμων ή μορίων. Σε μια μη κεντρική ελαστική σύγκρουση, οι ταχύτητες των σωματιδίων (μπάλες) πριν και μετά τη σύγκρουση δεν κατευθύνονται σε μία ευθεία γραμμή.
Μια ειδική περίπτωση μιας εκτός κεντρικής ελαστικής πρόσκρουσης μπορεί να είναι η σύγκρουση δύο μπάλες του μπιλιάρδου της ίδιας μάζας, η μία από τις οποίες ήταν ακίνητη πριν από τη σύγκρουση και η ταχύτητα της δεύτερης δεν κατευθύνθηκε κατά μήκος της γραμμής των κέντρων των σφαιρών . Σε αυτή την περίπτωση, τα διανύσματα ταχύτητας των σφαιρών μετά από μια ελαστική σύγκρουση κατευθύνονται πάντα κάθετα μεταξύ τους.
νόμοι διατήρησης. Σύνθετες εργασίες
Πολλαπλά σώματα
Σε ορισμένα προβλήματα σχετικά με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, τα καλώδια με τα οποία κινούνται ορισμένα αντικείμενα μπορεί να έχουν μάζα (δηλαδή, να μην είναι αβαρή, όπως μπορεί να έχετε ήδη συνηθίσει). Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη το έργο της μετακίνησης τέτοιων καλωδίων (δηλαδή των κέντρων βάρους τους).
Αν δύο σώματα που συνδέονται με μια αβαρή ράβδο περιστρέφονται σε κατακόρυφο επίπεδο, τότε:
- επιλέξτε ένα μηδενικό επίπεδο για να υπολογίσετε τη δυναμική ενέργεια, για παράδειγμα στο επίπεδο του άξονα περιστροφής ή στο επίπεδο του χαμηλότερου σημείου ενός από τα βάρη και φροντίστε να κάνετε ένα σχέδιο.
- γράψτε τον νόμο διατήρησης της μηχανικής ενέργειας, στον οποίο στην αριστερή πλευρά γράφουμε το άθροισμα της κινητικής και δυναμικής ενέργειας και των δύο σωμάτων στην αρχική κατάσταση και στη δεξιά πλευρά γράφουμε το άθροισμα της κινητικής και δυναμικής ενέργειας του και οι δύο φορείς στην τελική κατάσταση·
- Λάβετε υπόψη ότι οι γωνιακές ταχύτητες των σωμάτων είναι ίδιες, τότε οι γραμμικές ταχύτητες των σωμάτων είναι ανάλογες με τις ακτίνες περιστροφής.
- αν χρειάζεται, γράψτε τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα για καθένα από τα σώματα χωριστά.
Το κέλυφος έσκασε
Όταν ένα βλήμα εκρήγνυται, απελευθερώνεται εκρηκτική ενέργεια. Για να βρεθεί αυτή η ενέργεια, είναι απαραίτητο να αφαιρεθεί η μηχανική ενέργεια του βλήματος πριν από την έκρηξη από το άθροισμα των μηχανικών ενεργειών των θραυσμάτων μετά την έκρηξη. Θα χρησιμοποιήσουμε επίσης το νόμο της διατήρησης της ορμής, γραμμένο με τη μορφή του θεωρήματος συνημιτόνου (μέθοδος διανύσματος) ή με τη μορφή προβολών σε επιλεγμένους άξονες.
Συγκρούσεις με βαρύ πιάτο
Ας συναντήσουμε μια βαριά πλάκα που κινείται με ταχύτητα v, μια ελαφριά μπάλα μάζας κινείται Μμε ταχύτητα u n. Δεδομένου ότι η ορμή της μπάλας είναι πολύ μικρότερη από την ορμή της πλάκας, μετά την πρόσκρουση η ταχύτητα της πλάκας δεν θα αλλάξει και θα συνεχίσει να κινείται με την ίδια ταχύτητα και προς την ίδια κατεύθυνση. Ως αποτέλεσμα της ελαστικής πρόσκρουσης, η μπάλα θα πετάξει μακριά από το πιάτο. Είναι σημαντικό να το καταλάβουμε εδώ αυτό η ταχύτητα της μπάλας σε σχέση με το πιάτο δεν θα αλλάξει. Σε αυτή την περίπτωση, για την τελική ταχύτητα της μπάλας παίρνουμε:
Έτσι, η ταχύτητα της μπάλας μετά την πρόσκρουση αυξάνεται κατά διπλάσια από την ταχύτητα του τοίχου. Παρόμοιος συλλογισμός για την περίπτωση που πριν από την πρόσκρουση η μπάλα και η πλάκα κινούνταν προς την ίδια κατεύθυνση οδηγεί στο αποτέλεσμα ότι η ταχύτητα της μπάλας μειώνεται κατά διπλάσια από την ταχύτητα του τοίχου:
Στη φυσική και στα μαθηματικά, μεταξύ άλλων, πρέπει να πληρούνται τρεις πιο σημαντικές προϋποθέσεις:
- Μελετήστε όλα τα θέματα και ολοκληρώστε όλα τα τεστ και τις εργασίες που δίνονται στο εκπαιδευτικό υλικό σε αυτόν τον ιστότοπο. Για να το κάνετε αυτό, δεν χρειάζεστε απολύτως τίποτα, δηλαδή: αφιερώστε τρεις έως τέσσερις ώρες κάθε μέρα στην προετοιμασία για την αξονική τομογραφία στη φυσική και τα μαθηματικά, τη μελέτη της θεωρίας και την επίλυση προβλημάτων. Το γεγονός είναι ότι η αξονική τομογραφία είναι μια εξέταση όπου δεν αρκεί μόνο να γνωρίζεις φυσική ή μαθηματικά, πρέπει επίσης να μπορείς να λύνεις γρήγορα και χωρίς αποτυχίες μεγάλο αριθμό προβλημάτων σε διαφορετικά θέματα και ποικίλης πολυπλοκότητας. Το τελευταίο μπορεί να μάθει μόνο με την επίλυση χιλιάδων προβλημάτων.
- Μάθετε όλους τους τύπους και τους νόμους στη φυσική, και τους τύπους και τις μεθόδους στα μαθηματικά. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι επίσης πολύ απλό να γίνει· υπάρχουν μόνο περίπου 200 απαραίτητοι τύποι στη φυσική, και ακόμη λίγο λιγότεροι στα μαθηματικά. Σε καθένα από αυτά τα θέματα υπάρχουν περίπου δώδεκα τυπικές μέθοδοι για την επίλυση προβλημάτων βασικού επιπέδου πολυπλοκότητας, οι οποίες μπορούν επίσης να μαθευτούν, και επομένως, εντελώς αυτόματα και χωρίς δυσκολία να λύσουν το μεγαλύτερο μέρος του CT τη σωστή στιγμή. Μετά από αυτό, θα πρέπει να σκεφτείτε μόνο τις πιο δύσκολες εργασίες.
- Παρακολουθήστε και τα τρία στάδια του δοκιμαστικού ελέγχου στη φυσική και στα μαθηματικά. Κάθε RT μπορεί να επισκεφθεί δύο φορές για να αποφασίσετε και για τις δύο επιλογές. Και πάλι, στο CT, εκτός από την ικανότητα γρήγορης και αποτελεσματικής επίλυσης προβλημάτων και τη γνώση τύπων και μεθόδων, πρέπει επίσης να είστε σε θέση να σχεδιάζετε σωστά τον χρόνο, να κατανέμετε δυνάμεις και, το πιο σημαντικό, να συμπληρώνετε σωστά τη φόρμα απαντήσεων, χωρίς μπερδεύοντας τους αριθμούς των απαντήσεων και των προβλημάτων ή το δικό σας επίθετο. Επίσης, κατά τη διάρκεια της RT, είναι σημαντικό να συνηθίσετε το στυλ της υποβολής ερωτήσεων σε προβλήματα, το οποίο μπορεί να φαίνεται πολύ ασυνήθιστο σε ένα απροετοίμαστο άτομο στο DT.
Η επιτυχής, επιμελής και υπεύθυνη εφαρμογή αυτών των τριών σημείων θα σας επιτρέψει να δείξετε ένα εξαιρετικό αποτέλεσμα στην αξονική τομογραφία, το μέγιστο από αυτό που μπορείτε.
Βρήκατε κάποιο λάθος;
Εάν πιστεύετε ότι έχετε βρει κάποιο σφάλμα στο εκπαιδευτικό υλικό, γράψτε σχετικά με αυτό μέσω email. Μπορείτε επίσης να αναφέρετε ένα σφάλμα στο κοινωνικό δίκτυο (). Στο γράμμα, αναφέρετε το θέμα (φυσική ή μαθηματικά), το όνομα ή τον αριθμό του θέματος ή του τεστ, τον αριθμό του προβλήματος ή τη θέση στο κείμενο (σελίδα) όπου, κατά τη γνώμη σας, υπάρχει σφάλμα. Περιγράψτε επίσης ποιο είναι το ύποπτο σφάλμα. Το γράμμα σας δεν θα περάσει απαρατήρητο, το σφάλμα είτε θα διορθωθεί είτε θα σας εξηγηθεί γιατί δεν είναι λάθος.
Μηχανολογικές εργασίες. Μονάδες εργασίας.
Στην καθημερινή ζωή καταλαβαίνουμε τα πάντα με την έννοια της «εργασίας».
Στη φυσική, η έννοια Δουλειάκάπως διαφορετικό. Είναι ένα καθορισμένο φυσικό μέγεθος, που σημαίνει ότι μπορεί να μετρηθεί. Στη φυσική μελετάται κυρίως μηχανική εργασία .
Ας δούμε παραδείγματα μηχανικής εργασίας.
Το τρένο κινείται υπό την ελκτική δύναμη μιας ηλεκτρικής ατμομηχανής και εκτελείται μηχανική εργασία. Όταν εκτοξεύεται ένα όπλο, η δύναμη πίεσης των αερίων σκόνης λειτουργεί - μετακινεί τη σφαίρα κατά μήκος της κάννης και η ταχύτητα της σφαίρας αυξάνεται.
Από αυτά τα παραδείγματα είναι σαφές ότι η μηχανική εργασία εκτελείται όταν ένα σώμα κινείται υπό την επίδραση δύναμης. Η μηχανική εργασία εκτελείται επίσης στην περίπτωση που μια δύναμη που ασκεί ένα σώμα (για παράδειγμα, δύναμη τριβής) μειώνει την ταχύτητα της κίνησής του.
Θέλοντας να μετακινήσουμε το ντουλάπι, το πιέζουμε δυνατά, αλλά αν δεν κουνηθεί, τότε δεν κάνουμε μηχανικές εργασίες. Μπορεί κανείς να φανταστεί μια περίπτωση όταν ένα σώμα κινείται χωρίς τη συμμετοχή δυνάμεων (με αδράνεια)· σε αυτή την περίπτωση, δεν εκτελείται επίσης μηχανική εργασία.
Ετσι, μηχανική εργασία γίνεται μόνο όταν ασκείται δύναμη σε ένα σώμα και αυτό κινείται .
Δεν είναι δύσκολο να καταλάβουμε ότι όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που ασκείται στο σώμα και όσο μεγαλύτερη είναι η διαδρομή που διανύει το σώμα υπό την επίδραση αυτής της δύναμης, τόσο μεγαλύτερη είναι η εργασία που γίνεται.
Η μηχανική εργασία είναι ευθέως ανάλογη με τη δύναμη που εφαρμόζεται και ευθέως ανάλογη με τη διανυθείσα απόσταση .
Επομένως, συμφωνήσαμε να μετρήσουμε το μηχανικό έργο με το γινόμενο της δύναμης και τη διαδρομή που διανύθηκε κατά μήκος αυτής της κατεύθυνσης αυτής της δύναμης:
έργο = δύναμη × διαδρομή
Οπου ΕΝΑ- Δουλειά, φά- δύναμη και μικρό- διανυθείσα απόσταση.
Ως μονάδα εργασίας θεωρείται το έργο που εκτελείται από μια δύναμη 1N σε μια διαδρομή 1 m.
Ενότητα εργασίας - μονάδα ενέργειας ή έργου (J ) πήρε το όνομά του από τον Άγγλο επιστήμονα Joule. Ετσι,
1 J = 1 N m.
Χρησιμοποιείται επίσης χιλιοτζούλες (kJ) .
1 kJ = 1000 J.
Τύπος A = Fsισχύει όταν η δύναμη φάσταθερό και συμπίπτει με την κατεύθυνση κίνησης του σώματος.
Αν η κατεύθυνση της δύναμης συμπίπτει με την κατεύθυνση κίνησης του σώματος, τότε αυτή η δύναμη κάνει θετική δουλειά.
Εάν το σώμα κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση της ασκούμενης δύναμης, για παράδειγμα, η δύναμη τριβής ολίσθησης, τότε αυτή η δύναμη λειτουργεί αρνητικά.
Εάν η κατεύθυνση της δύναμης που ασκεί το σώμα είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της κίνησης, τότε αυτή η δύναμη δεν λειτουργεί, το έργο είναι μηδέν:
Στο μέλλον, μιλώντας για μηχανικές εργασίες, θα το ονομάσουμε εν συντομία με μια λέξη - εργασία.
Παράδειγμα. Υπολογίστε την εργασία που γίνεται κατά την ανύψωση πλάκας γρανίτη με όγκο 0,5 m3 σε ύψος 20 m. Η πυκνότητα του γρανίτη είναι 2500 kg/m3.
Δεδομένος:
ρ = 2500 kg/m 3
Λύση:
όπου F είναι η δύναμη που πρέπει να ασκηθεί για να ανυψωθεί ομοιόμορφα η πλάκα. Αυτή η δύναμη είναι ίση σε συντελεστή με τη δύναμη Fstrand που ενεργεί στην πλάκα, δηλαδή F = Fstrand. Και η δύναμη της βαρύτητας μπορεί να προσδιοριστεί από τη μάζα της πλάκας: Fweight = gm. Ας υπολογίσουμε τη μάζα της πλάκας, γνωρίζοντας τον όγκο της και την πυκνότητα του γρανίτη: m = ρV; s = h, δηλαδή η διαδρομή είναι ίση με το ύψος ανύψωσης.
Άρα, 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.
Απάντηση: A =245 kJ.
Μοχλοί.Δύναμη.Ενέργεια
Διαφορετικοί κινητήρες απαιτούν διαφορετικούς χρόνους για να ολοκληρώσουν την ίδια εργασία. Για παράδειγμα, ένας γερανός σε ένα εργοτάξιο σηκώνει εκατοντάδες τούβλα στον τελευταίο όροφο ενός κτιρίου μέσα σε λίγα λεπτά. Εάν αυτά τα τούβλα μετακινούνταν από έναν εργάτη, θα του έπαιρνε αρκετές ώρες για να το κάνει. Ενα άλλο παράδειγμα. Ένα άλογο μπορεί να οργώσει ένα εκτάριο γης σε 10-12 ώρες, ενώ ένα τρακτέρ με άροτρο πολλαπλών μερίδων ( υνίο- μέρος του αλέτρι που κόβει το στρώμα της γης από κάτω και το μεταφέρει στη χωματερή. πολυάροτρο - πολλά άροτρα), η εργασία αυτή θα ολοκληρωθεί σε 40-50 λεπτά.
Είναι σαφές ότι ένας γερανός κάνει την ίδια δουλειά πιο γρήγορα από έναν εργάτη και ένα τρακτέρ κάνει την ίδια δουλειά πιο γρήγορα από ένα άλογο. Η ταχύτητα της εργασίας χαρακτηρίζεται από μια ειδική ποσότητα που ονομάζεται ισχύς.
Η ισχύς είναι ίση με την αναλογία της εργασίας προς το χρόνο κατά τον οποίο εκτελέστηκε.
Για να υπολογίσετε την ισχύ, πρέπει να διαιρέσετε την εργασία με το χρόνο κατά τον οποίο έγινε αυτή η εργασία.ισχύς = εργασία/χρόνος.
Οπου Ν- εξουσία, ΕΝΑ- Δουλειά, t- χρόνος ολοκλήρωσης της εργασίας.
Η ισχύς είναι μια σταθερή ποσότητα όταν γίνεται η ίδια εργασία κάθε δευτερόλεπτο· σε άλλες περιπτώσεις η αναλογία Στοκαθορίζει τη μέση ισχύ:
Νμέσος = Στο . Ως μονάδα ισχύος λαμβάνεται η ισχύς με την οποία το J του έργου γίνεται σε 1 s.
Αυτή η μονάδα ονομάζεται watt ( W) προς τιμήν ενός άλλου Άγγλου επιστήμονα, του Watt.
1 watt = 1 joule/1 δευτερόλεπτο, ή 1 W = 1 J/s.
Watt (joule ανά δευτερόλεπτο) - W (1 J/s).
Οι μεγαλύτερες μονάδες ισχύος χρησιμοποιούνται ευρέως στην τεχνολογία - κιλοβάτ (kW), μεγαβάτ (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
Παράδειγμα. Βρείτε την ισχύ της ροής του νερού που ρέει μέσα από το φράγμα εάν το ύψος της πτώσης του νερού είναι 25 m και ο ρυθμός ροής του είναι 120 m3 ανά λεπτό.
Δεδομένος:
ρ = 1000 kg/m3
Λύση:
Μάζα νερού που πέφτει: m = ρV,
m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120.000 kg (12 104 kg).
Η βαρύτητα που δρα στο νερό:
F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)
Εργασία που εκτελείται με ροή ανά λεπτό:
A - 1.200.000 N · 25 m = 30.000.000 J (3 · 107 J).
Ισχύς ροής: N = A/t,
N = 30.000.000 J / 60 s = 500.000 W = 0,5 MW.
Απάντηση: N = 0,5 MW.
Διάφοροι κινητήρες έχουν ισχύ που κυμαίνονται από τα εκατοστά και τα δέκατα του κιλοβάτ (κινητήρας ηλεκτρικής ξυριστικής μηχανής, ραπτομηχανής) έως εκατοντάδες χιλιάδες κιλοβάτ (τουρμπίνες νερού και ατμού).
Πίνακας 5.
Ισχύς ορισμένων κινητήρων, kW.
Κάθε κινητήρας έχει μια πινακίδα (διαβατήριο κινητήρα), η οποία υποδεικνύει ορισμένες πληροφορίες για τον κινητήρα, συμπεριλαμβανομένης της ισχύος του.
Η ανθρώπινη ισχύς υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας είναι κατά μέσο όρο 70-80 W. Όταν πηδά ή τρέχει ανεβαίνοντας σκάλες, ένα άτομο μπορεί να αναπτύξει ισχύ έως και 730 W, και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη περισσότερο.
Από τον τύπο N = A/t προκύπτει ότι
Για να υπολογίσετε την εργασία, είναι απαραίτητο να πολλαπλασιάσετε την ισχύ με το χρόνο κατά τον οποίο εκτελέστηκε αυτή η εργασία.
Παράδειγμα. Ο κινητήρας ανεμιστήρα δωματίου έχει ισχύ 35 Watt. Πόση δουλειά κάνει σε 10 λεπτά;
Ας γράψουμε τις συνθήκες του προβλήματος και ας το λύσουμε.
Δεδομένος:
Λύση:
A = 35 W * 600s = 21.000 W * s = 21.000 J = 21 kJ.
Απάντηση ΕΝΑ= 21 kJ.
Απλοί μηχανισμοί.
Από αμνημονεύτων χρόνων, ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε διάφορες συσκευές για την εκτέλεση μηχανικών εργασιών.
|
|
Όλοι γνωρίζουν ότι ένα βαρύ αντικείμενο (πέτρα, ντουλάπι, εργαλειομηχανή), που δεν μπορεί να μετακινηθεί με το χέρι, μπορεί να μετακινηθεί με τη βοήθεια ενός αρκετά μεγάλου ραβδιού - ενός μοχλού.
Αυτή τη στιγμή, πιστεύεται ότι με τη βοήθεια μοχλών πριν από τρεις χιλιάδες χρόνια, κατά την κατασκευή των πυραμίδων στην Αρχαία Αίγυπτο, βαριές πέτρινες πλάκες μετακινήθηκαν και ανυψώθηκαν σε μεγάλα ύψη.
Σε πολλές περιπτώσεις, αντί να σηκώνεται ένα βαρύ φορτίο σε ένα ορισμένο ύψος, μπορεί να κυληθεί ή να τραβηχτεί στο ίδιο ύψος κατά μήκος ενός κεκλιμένου επιπέδου ή να ανυψωθεί χρησιμοποιώντας μπλοκ.
Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της δύναμης ονομάζονται μηχανισμών .
Οι απλοί μηχανισμοί περιλαμβάνουν: μοχλούς και τις ποικιλίες τους - μπλοκ, πύλη? κεκλιμένο επίπεδο και οι ποικιλίες του - σφήνα, βίδα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, απλοί μηχανισμοί χρησιμοποιούνται για να αποκτήσουν δύναμη, δηλαδή να αυξήσουν τη δύναμη που ασκεί στο σώμα αρκετές φορές.
Απλοί μηχανισμοί υπάρχουν τόσο στα οικιακά όσο και σε όλα τα πολύπλοκα βιομηχανικά και βιομηχανικά μηχανήματα που κόβουν, στρίβουν και σφραγίζουν μεγάλα φύλλα χάλυβα ή τραβούν τα καλύτερα νήματα από τα οποία κατασκευάζονται στη συνέχεια τα υφάσματα. Οι ίδιοι μηχανισμοί μπορούν να βρεθούν σε σύγχρονες πολύπλοκες αυτόματες μηχανές, μηχανές εκτύπωσης και μέτρησης.
Μοχλός. Ισορροπία δυνάμεων στο μοχλό.
Ας εξετάσουμε τον απλούστερο και πιο συνηθισμένο μηχανισμό - τον μοχλό.
Ο μοχλός είναι ένα άκαμπτο σώμα που μπορεί να περιστρέφεται γύρω από ένα σταθερό στήριγμα.
Οι εικόνες δείχνουν πώς ένας εργαζόμενος χρησιμοποιεί έναν λοστό ως μοχλό για να σηκώσει ένα φορτίο. Στην πρώτη περίπτωση ο εργάτης με δύναμη φάπιέζει την άκρη του λοστού σι, στο δεύτερο - ανεβάζει το τέλος σι.
Ο εργαζόμενος πρέπει να ξεπεράσει το βάρος του φορτίου Π- δύναμη κατευθυνόμενη κάθετα προς τα κάτω. Για να το κάνει αυτό, γυρίζει τον λοστό γύρω από έναν άξονα που διέρχεται από τον μοναδικό ακίνητοςτο σημείο θραύσης είναι το σημείο της υποστήριξής του ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ. Δύναμη φάμε το οποίο ο εργάτης ενεργεί στο μοχλό είναι λιγότερη δύναμη Π, έτσι ο εργαζόμενος λαμβάνει κέρδος σε δύναμη. Χρησιμοποιώντας ένα μοχλό, μπορείτε να σηκώσετε ένα τόσο βαρύ φορτίο που δεν μπορείτε να το σηκώσετε μόνοι σας.
Το σχήμα δείχνει έναν μοχλό του οποίου ο άξονας περιστροφής είναι ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ(υπομόχλιο) βρίσκεται μεταξύ των σημείων εφαρμογής των δυνάμεων ΕΝΑΚαι ΣΕ. Μια άλλη εικόνα δείχνει ένα διάγραμμα αυτού του μοχλού. Και οι δύο δυνάμεις φά 1 και φά 2 που ενεργούν στο μοχλό κατευθύνονται προς μία κατεύθυνση.
Η μικρότερη απόσταση ανάμεσα στο υπομόχλιο και την ευθεία γραμμή κατά την οποία ασκείται η δύναμη στο μοχλό ονομάζεται βραχίονας δύναμης.
Για να βρείτε τον βραχίονα της δύναμης, πρέπει να χαμηλώσετε την κάθετο από το υπομόχλιο στη γραμμή δράσης της δύναμης.Το μήκος αυτής της καθέτου θα είναι ο βραχίονας αυτής της δύναμης. Το σχήμα δείχνει ότι ΟΑ- δύναμη ώμου φά 1; OB- δύναμη ώμου φά 2. Οι δυνάμεις που ασκούνται στον μοχλό μπορούν να τον περιστρέψουν γύρω από τον άξονά του προς δύο κατευθύνσεις: δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα. Ναι, δύναμη φά 1 περιστρέφει το μοχλό δεξιόστροφα και τη δύναμη φά 2 το περιστρέφει αριστερόστροφα.
Η κατάσταση υπό την οποία ο μοχλός βρίσκεται σε ισορροπία υπό την επίδραση των δυνάμεων που ασκούνται σε αυτόν μπορεί να προσδιοριστεί πειραματικά. Πρέπει να θυμόμαστε ότι το αποτέλεσμα της δράσης μιας δύναμης εξαρτάται όχι μόνο από την αριθμητική της τιμή (μέτρο), αλλά και από το σημείο στο οποίο εφαρμόζεται στο σώμα ή από το πώς κατευθύνεται.
Διάφορα βάρη αιωρούνται από το μοχλό (βλ. εικόνα) και στις δύο πλευρές του υπομόχλου, έτσι ώστε κάθε φορά ο μοχλός να παραμένει σε ισορροπία. Οι δυνάμεις που ασκούνται στο μοχλό είναι ίσες με τα βάρη αυτών των φορτίων. Για κάθε περίπτωση, μετρώνται οι μονάδες δύναμης και οι ώμοι τους. Από την εμπειρία που φαίνεται στο Σχήμα 154, είναι σαφές ότι η δύναμη 2 Νεξισορροπεί τη δύναμη 4 Ν. Σε αυτή την περίπτωση, όπως φαίνεται από το σχήμα, ο ώμος μικρότερης αντοχής είναι 2 φορές μεγαλύτερος από τον ώμο μεγαλύτερης αντοχής.
Με βάση τέτοια πειράματα, καθορίστηκε η συνθήκη (κανόνας) της ισορροπίας του μοχλού.
Ένας μοχλός βρίσκεται σε ισορροπία όταν οι δυνάμεις που ασκούνται σε αυτόν είναι αντιστρόφως ανάλογες με τους βραχίονες αυτών των δυνάμεων.
Αυτός ο κανόνας μπορεί να γραφτεί ως τύπος:
φά 1/φά 2 = μεγάλο 2/ μεγάλο 1 ,
Οπου φά 1Καιφά 2 - δυνάμεις που δρουν στο μοχλό, μεγάλο 1Καιμεγάλο 2 , - οι ώμοι αυτών των δυνάμεων (βλ. σχήμα).
Ο κανόνας της ισορροπίας του μοχλού καθιερώθηκε από τον Αρχιμήδη γύρω στο 287 - 212. προ ΧΡΙΣΤΟΥ μι. (αλλά στην τελευταία παράγραφο ειπώθηκε ότι οι μοχλοί χρησιμοποιήθηκαν από τους Αιγύπτιους; Ή μήπως η λέξη «κατεστημένο» παίζει σημαντικό ρόλο εδώ;)
Από αυτόν τον κανόνα προκύπτει ότι μια μικρότερη δύναμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξισορροπήσει μια μεγαλύτερη δύναμη χρησιμοποιώντας ένα μοχλό. Αφήστε τον ένα βραχίονα του μοχλού να είναι 3 φορές μεγαλύτερος από τον άλλο (βλ. εικόνα). Στη συνέχεια, εφαρμόζοντας μια δύναμη, για παράδειγμα, 400 N στο σημείο B, μπορείτε να σηκώσετε μια πέτρα βάρους 1200 N. Για να σηκώσετε ένα ακόμη βαρύτερο φορτίο, πρέπει να αυξήσετε το μήκος του μοχλοβραχίονα στον οποίο ενεργεί ο εργάτης.
Παράδειγμα. Χρησιμοποιώντας ένα μοχλό, ένας εργαζόμενος σηκώνει μια πλάκα βάρους 240 kg (βλ. Εικ. 149). Ποια δύναμη ασκεί στον μεγαλύτερο μοχλοβραχίονα των 2,4 m αν ο μικρότερος βραχίονας είναι 0,6 m;
Ας γράψουμε τις συνθήκες του προβλήματος και ας το λύσουμε.
Δεδομένος:
Λύση:
Σύμφωνα με τον κανόνα της ισορροπίας του μοχλού, F1/F2 = l2/l1, από όπου F1 = F2 l2/l1, όπου F2 = P είναι το βάρος της πέτρας. Βάρος πέτρας asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N
Τότε, F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.
Απάντηση: F1 = 600 N.
Στο παράδειγμά μας, ο εργάτης υπερνικά μια δύναμη 2400 N, εφαρμόζοντας μια δύναμη 600 N στο μοχλό. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, ο βραχίονας στον οποίο ενεργεί ο εργάτης είναι 4 φορές μεγαλύτερος από αυτόν στον οποίο ενεργεί το βάρος της πέτρας ( μεγάλο 1 : μεγάλο 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).
Εφαρμόζοντας τον κανόνα της μόχλευσης, μια μικρότερη δύναμη μπορεί να εξισορροπήσει μια μεγαλύτερη δύναμη. Σε αυτή την περίπτωση, ο ώμος μικρότερης δύναμης θα πρέπει να είναι μακρύτερος από τον ώμο μεγαλύτερης αντοχής.
Στιγμή δύναμης.
Γνωρίζετε ήδη τον κανόνα της ισορροπίας του μοχλού:
φά 1 / φά 2 = μεγάλο 2 / μεγάλο 1 ,
Χρησιμοποιώντας την ιδιότητα της αναλογίας (το γινόμενο των ακραίων μελών του είναι ίσο με το γινόμενο των μεσαίων μελών του), το γράφουμε με αυτή τη μορφή:
φά 1μεγάλο 1 = φά 2 μεγάλο 2 .
Στην αριστερή πλευρά της ισότητας είναι το γινόμενο της δύναμης φά 1 στον ώμο της μεγάλο 1, και στα δεξιά - το προϊόν της δύναμης φά 2 στον ώμο της μεγάλο 2 .
Το γινόμενο του συντελεστή της δύναμης που περιστρέφει το σώμα και τον ώμο του ονομάζεται στιγμή της δύναμης; δηλώνεται με το γράμμα Μ. Αυτό σημαίνει
Ένας μοχλός βρίσκεται σε ισορροπία υπό την επίδραση δύο δυνάμεων αν η ροπή της δύναμης που τον περιστρέφει δεξιόστροφα είναι ίση με τη στιγμή της δύναμης που τον περιστρέφει αριστερόστροφα.
Αυτός ο κανόνας ονομάζεται κανόνας των στιγμών , μπορεί να γραφτεί ως τύπος:
Μ1 = Μ2
Πράγματι, στο πείραμα που εξετάσαμε (§ 56), οι ενεργούσες δυνάμεις ήταν ίσες με 2 N και 4 N, οι ώμοι τους αντιστοιχούσαν σε 4 και 2 πιέσεις μοχλού, δηλαδή οι ροπές αυτών των δυνάμεων είναι ίδιες όταν ο μοχλός βρίσκεται σε ισορροπία .
Η στιγμή της δύναμης, όπως κάθε φυσικό μέγεθος, μπορεί να μετρηθεί. Ως μονάδα ροπής δύναμης λαμβάνεται μια ροπή δύναμης 1 N, ο βραχίονας της οποίας είναι ακριβώς 1 m.
Αυτή η μονάδα ονομάζεται νεοτονόμετρο (N m).
Η ροπή της δύναμης χαρακτηρίζει τη δράση μιας δύναμης και δείχνει ότι εξαρτάται ταυτόχρονα τόσο από το μέτρο της δύναμης όσο και από τη μόχλευση της. Πράγματι, γνωρίζουμε ήδη, για παράδειγμα, ότι η δράση μιας δύναμης σε μια πόρτα εξαρτάται τόσο από το μέγεθος της δύναμης όσο και από το πού ασκείται η δύναμη. Όσο πιο εύκολο είναι να στρίψετε την πόρτα, τόσο πιο μακριά από τον άξονα περιστροφής ασκείται η δύναμη που ασκείται σε αυτήν. Είναι καλύτερα να ξεβιδώσετε το παξιμάδι με ένα μακρύ κλειδί παρά με ένα κοντό. Όσο πιο εύκολο είναι να σηκώσετε έναν κουβά από το πηγάδι, τόσο μακρύτερη είναι η λαβή της πύλης κ.λπ.
Μοχλοί στην τεχνολογία, την καθημερινότητα και τη φύση.
Ο κανόνας της μόχλευσης (ή ο κανόνας των στιγμών) αποτελεί τη βάση της δράσης διαφόρων ειδών εργαλείων και συσκευών που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία και την καθημερινή ζωή όπου απαιτείται κέρδος σε δύναμη ή ταξίδια.
Έχουμε κέρδος σε δύναμη όταν δουλεύουμε με ψαλίδι. Ψαλίδι - αυτό είναι μοχλός(εικ), ο άξονας περιστροφής του οποίου συμβαίνει μέσω μιας βίδας που συνδέει και τα δύο μισά του ψαλιδιού. Δρούσα δύναμη φά 1 είναι η μυϊκή δύναμη του χεριού του ατόμου που πιάνει το ψαλίδι. Αντίρροπη δύναμη φά 2 είναι η δύναμη αντίστασης του υλικού που κόβεται με ψαλίδι. Ανάλογα με τον σκοπό του ψαλιδιού, ο σχεδιασμός τους ποικίλλει. Το ψαλίδι γραφείου, σχεδιασμένο για κοπή χαρτιού, έχει μακριές λεπίδες και λαβές που έχουν σχεδόν το ίδιο μήκος. Το κόψιμο του χαρτιού δεν απαιτεί μεγάλη δύναμη και μια μακριά λεπίδα διευκολύνει την κοπή σε ευθεία γραμμή. Τα ψαλίδια κοπής λαμαρίνας (Εικ.) έχουν λαβές πολύ μακρύτερες από τις λεπίδες, καθώς η δύναμη αντίστασης του μετάλλου είναι μεγάλη και για να εξισορροπηθεί, πρέπει να αυξηθεί σημαντικά ο βραχίονας της ενεργού δύναμης. Η διαφορά μεταξύ του μήκους των λαβών και της απόστασης του τμήματος κοπής και του άξονα περιστροφής είναι ακόμη μεγαλύτερη συρματοκόπτης(Εικ.), σχεδιασμένο για κοπή σύρματος.
Πολλά μηχανήματα έχουν διαφορετικούς τύπους μοχλών. Η λαβή μιας ραπτομηχανής, τα πεντάλ ή το χειρόφρενο ενός ποδηλάτου, τα πεντάλ ενός αυτοκινήτου και ενός τρακτέρ και τα πλήκτρα ενός πιάνου είναι όλα παραδείγματα μοχλών που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις μηχανές και εργαλεία.
Παραδείγματα χρήσης μοχλών είναι οι χειρολαβές των μέγγεων και των πάγκων εργασίας, ο μοχλός μιας μηχανής διάτρησης κ.λπ.
Η δράση των ζυγών μοχλού βασίζεται στην αρχή του μοχλού (Εικ.). Οι κλίμακες εκπαίδευσης που φαίνονται στο Σχήμα 48 (σελ. 42) λειτουργούν ως μοχλός ίσου βραχίονα . ΣΕ δεκαδικές κλίμακεςΟ ώμος από τον οποίο αναρτάται το κύπελλο με τα βάρη είναι 10 φορές μεγαλύτερος από τον ώμο που φέρει το φορτίο. Αυτό κάνει τη ζύγιση μεγάλων φορτίων πολύ πιο εύκολη. Όταν ζυγίζετε ένα φορτίο σε δεκαδική κλίμακα, θα πρέπει να πολλαπλασιάσετε τη μάζα των βαρών επί 10.
|
|
|
Η συσκευή της ζυγαριάς για τη ζύγιση φορτηγών αυτοκινήτων αυτοκινήτων βασίζεται επίσης στον κανόνα της μόχλευσης.
Μοχλοί βρίσκονται επίσης σε διάφορα μέρη του σώματος των ζώων και των ανθρώπων. Αυτά είναι, για παράδειγμα, τα χέρια, τα πόδια, τα σαγόνια. Πολλοί μοχλοί μπορούν να βρεθούν στο σώμα των εντόμων (διαβάζοντας ένα βιβλίο για τα έντομα και τη δομή του σώματός τους), των πτηνών και στη δομή των φυτών.
Εφαρμογή του νόμου της ισορροπίας ενός μοχλού σε ένα μπλοκ.
ΟΙΚΟΔΟΜΙΚΟ ΤΕΤΡΑΓΩΝΟΕίναι τροχός με αυλάκι, τοποθετημένος σε θήκη. Ένα σχοινί, καλώδιο ή αλυσίδα περνά μέσα από την αυλάκωση του μπλοκ.
|
|
Σταθερό μπλοκ Αυτό ονομάζεται μπλοκ του οποίου ο άξονας είναι σταθερός και δεν ανεβαίνει ή πέφτει κατά την ανύψωση φορτίων (Εικ.).
Ένα σταθερό μπλοκ μπορεί να θεωρηθεί ως μοχλός ίσου οπλισμού, στον οποίο οι βραχίονες των δυνάμεων είναι ίσοι με την ακτίνα του τροχού (Εικ.): OA = OB = r. Ένα τέτοιο μπλοκ δεν παρέχει κέρδος στη δύναμη. ( φά 1 = φά 2), αλλά σας επιτρέπει να αλλάξετε την κατεύθυνση της δύναμης. Κινητό μπλοκ - αυτό είναι ένα μπλοκ. ο άξονας του οποίου ανεβαίνει και πέφτει μαζί με το φορτίο (Εικ.). Το σχήμα δείχνει τον αντίστοιχο μοχλό: ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ- σημείο υπομόχλιο του μοχλού, ΟΑ- δύναμη ώμου RΚαι OB- δύναμη ώμου φά. Από τον ώμο OB 2 φορές τον ώμο ΟΑ, μετά η δύναμη φά 2 φορές λιγότερη δύναμη R:
F = P/2 .
Ετσι, το κινητό μπλοκ δίνει διπλάσιο κέρδος σε αντοχή .
Αυτό μπορεί να αποδειχθεί χρησιμοποιώντας την έννοια της ροπής δύναμης. Όταν το μπλοκ βρίσκεται σε ισορροπία, οι ροπές των δυνάμεων φάΚαι Rίσα μεταξύ τους. Αλλά ο ώμος της δύναμης φά 2 φορές η μόχλευση R, και, επομένως, η ίδια η εξουσία φά 2 φορές λιγότερη δύναμη R.
Συνήθως στην πράξη χρησιμοποιείται συνδυασμός σταθερού μπλοκ και κινητού (Εικ.). Το σταθερό μπλοκ χρησιμοποιείται μόνο για ευκολία. Δεν δίνει κέρδος σε δύναμη, αλλά αλλάζει την κατεύθυνση της δύναμης. Για παράδειγμα, σας επιτρέπει να σηκώνετε ένα φορτίο ενώ στέκεστε στο έδαφος. Αυτό είναι χρήσιμο για πολλούς ανθρώπους ή εργαζόμενους. Δίνει όμως κέρδος σε δύναμη 2 φορές μεγαλύτερο από το συνηθισμένο!
Ισότητα εργασίας κατά τη χρήση απλών μηχανισμών. «Χρυσός κανόνας» της μηχανικής.
Οι απλοί μηχανισμοί που εξετάσαμε χρησιμοποιούνται κατά την εκτέλεση εργασιών σε περιπτώσεις όπου είναι απαραίτητο να εξισορροπηθεί μια άλλη δύναμη μέσω της δράσης μιας δύναμης.
Φυσικά, τίθεται το ερώτημα: ενώ δίνουν κέρδος σε δύναμη ή διαδρομή, οι απλοί μηχανισμοί δεν δίνουν κέρδος στη δουλειά; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα μπορεί να ληφθεί από την εμπειρία.
Εξισορροπώντας δύο διαφορετικές δυνάμεις μεγέθους σε έναν μοχλό φά 1 και φά 2 (εικ.), θέστε το μοχλό σε κίνηση. Αποδεικνύεται ότι ταυτόχρονα το σημείο εφαρμογής της μικρότερης δύναμης φά 2 πηγαίνει παραπέρα μικρό 2, και το σημείο εφαρμογής της μεγαλύτερης δύναμης φά 1 - μικρότερη διαδρομή μικρό 1. Έχοντας μετρήσει αυτές τις διαδρομές και τις μονάδες δύναμης, διαπιστώνουμε ότι οι διαδρομές που διανύονται από τα σημεία εφαρμογής των δυνάμεων στο μοχλό είναι αντιστρόφως ανάλογες με τις δυνάμεις:
μικρό 1 / μικρό 2 = φά 2 / φά 1.
Έτσι, ενεργώντας στο μακρύ χέρι του μοχλού, κερδίζουμε σε δύναμη, αλλά ταυτόχρονα χάνουμε κατά το ίδιο ποσό στην πορεία.
Προϊόν δύναμης φάστο δρόμο μικρόυπάρχει δουλειά. Τα πειράματά μας δείχνουν ότι το έργο που γίνεται από τις δυνάμεις που ασκούνται στον μοχλό είναι ίσο μεταξύ τους:
φά 1 μικρό 1 = φά 2 μικρό 2, δηλ. ΕΝΑ 1 = ΕΝΑ 2.
Ετσι, Όταν χρησιμοποιείτε μόχλευση, δεν θα μπορείτε να κερδίσετε στη δουλειά.
Χρησιμοποιώντας μόχλευση, μπορούμε να κερδίσουμε είτε δύναμη είτε απόσταση. Εφαρμόζοντας δύναμη στον κοντό βραχίονα του μοχλού, κερδίζουμε σε απόσταση, αλλά χάνουμε με το ίδιο ποσό σε δύναμη.
Υπάρχει ένας θρύλος ότι ο Αρχιμήδης, ευχαριστημένος με την ανακάλυψη του κανόνα της μόχλευσης, αναφώνησε: «Δώσε μου ένα υπομόχλιο και θα αναποδογυρίσω τη Γη!»
Φυσικά, ο Αρχιμήδης δεν θα μπορούσε να ανταπεξέλθει σε ένα τέτοιο έργο ακόμα κι αν του είχε δοθεί ένα υπομόχλιο (που θα έπρεπε να ήταν έξω από τη Γη) και ένας μοχλός του απαιτούμενου μήκους.
Για να ανυψωθεί η γη μόλις 1 cm, ο μακρύς βραχίονας του μοχλού θα έπρεπε να περιγράφει ένα τόξο τεράστιου μήκους. Θα χρειάζονταν εκατομμύρια χρόνια για να μετακινήσετε το μακρύ άκρο του μοχλού κατά μήκος αυτής της διαδρομής, για παράδειγμα, με ταχύτητα 1 m/s!
Ένα σταθερό μπλοκ δεν δίνει κανένα κέρδος στην εργασία,που είναι εύκολο να επαληθευτεί πειραματικά (βλ. σχήμα). Μονοπάτια που διανύονται από τα σημεία εφαρμογής των δυνάμεων φάΚαι φά, είναι τα ίδια, οι δυνάμεις είναι ίδιες, που σημαίνει ότι το έργο είναι το ίδιο.
Μπορείτε να μετρήσετε και να συγκρίνετε την εργασία που έγινε με τη βοήθεια ενός κινούμενου μπλοκ. Προκειμένου να ανυψωθεί ένα φορτίο σε ύψος h χρησιμοποιώντας ένα κινητό μπλοκ, είναι απαραίτητο να μετακινήσετε το άκρο του σχοινιού στο οποίο είναι στερεωμένο το δυναμόμετρο, όπως δείχνει η εμπειρία (Εικ.), σε ύψος 2 ωρών.
Ετσι, παίρνοντας διπλάσιο κέρδος σε δύναμη, χάνουν 2 φορές στο δρόμο, επομένως, το κινητό μπλοκ δεν δίνει κέρδος στην εργασία.
Η πρακτική αιώνων το έχει δείξει Κανένας από τους μηχανισμούς δεν δίνει κέρδος στην απόδοση.Χρησιμοποιούν διάφορους μηχανισμούς για να κερδίσουν σε δύναμη ή σε ταξίδι, ανάλογα με τις συνθήκες εργασίας.
Ήδη οι αρχαίοι επιστήμονες γνώριζαν έναν κανόνα που ισχύει για όλους τους μηχανισμούς: όσες φορές κι αν νικήσουμε σε δύναμη, τόσες φορές χάνουμε σε απόσταση. Αυτός ο κανόνας έχει ονομαστεί «χρυσός κανόνας» της μηχανικής.
Αποτελεσματικότητα του μηχανισμού.
Κατά την εξέταση του σχεδιασμού και της δράσης του μοχλού, δεν λάβαμε υπόψη την τριβή, καθώς και το βάρος του μοχλού. κάτω από αυτές τις ιδανικές συνθήκες, το έργο που γίνεται από την εφαρμοζόμενη δύναμη (θα το ονομάσουμε αυτό έργο γεμάτος), είναι ίσο με χρήσιμοςεργασίες για την ανύψωση φορτίων ή την υπέρβαση οποιασδήποτε αντίστασης.
Στην πράξη, η συνολική εργασία που γίνεται από έναν μηχανισμό είναι πάντα ελαφρώς μεγαλύτερη από τη χρήσιμη εργασία.
Μέρος της εργασίας γίνεται ενάντια στη δύναμη τριβής στον μηχανισμό και μετακινώντας τα επιμέρους μέρη του. Έτσι, όταν χρησιμοποιείτε ένα κινητό μπλοκ, πρέπει να κάνετε επιπλέον εργασίες για να σηκώσετε το ίδιο το μπλοκ, το σχοινί και να προσδιορίσετε τη δύναμη τριβής στον άξονα του μπλοκ.
Όποιο μηχανισμό κι αν πάρουμε, η χρήσιμη εργασία που γίνεται με τη βοήθειά του αποτελεί πάντα μόνο ένα μέρος της συνολικής εργασίας. Αυτό σημαίνει, δηλώνοντας χρήσιμη εργασία με το γράμμα Ap, συνολική (δαπανημένη) εργασία με το γράμμα Az, μπορούμε να γράψουμε:
Πάνω< Аз или Ап / Аз < 1.
Ο λόγος της χρήσιμης εργασίας προς το συνολικό έργο ονομάζεται απόδοση του μηχανισμού.
Ο παράγοντας απόδοσης συντομεύεται ως αποδοτικότητα.
Αποδοτικότητα = Απ / Αζ.
Η απόδοση εκφράζεται συνήθως ως ποσοστό και συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα η, που διαβάζεται ως «eta»:
η = Ap / Az · 100%.
Παράδειγμα: Ένα φορτίο βάρους 100 kg είναι αναρτημένο στον κοντό βραχίονα ενός μοχλού. Για την ανύψωσή του ασκείται δύναμη 250 N στον μακρύ βραχίονα.Το φορτίο ανυψώνεται σε ύψος h1 = 0,08 m, ενώ το σημείο εφαρμογής της κινητήριας δύναμης πέφτει σε ύψος h2 = 0,4 m. Βρείτε το αποτελεσματικότητα του μοχλού.
Ας γράψουμε τις συνθήκες του προβλήματος και ας το λύσουμε.
Δεδομένος :
Λύση :
η = Ap / Az · 100%.
Συνολική (δαπανημένη) εργασία Az = Fh2.
Χρήσιμη εργασία Ap = Рh1
P = 9,8 100 kg ≈ 1000 N.
Απ = 1000 N · 0,08 = 80 J.
Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.
η = 80 J/100 J 100% = 80%.
Απάντηση : η = 80%.
Αλλά ο «χρυσός κανόνας» ισχύει και σε αυτή την περίπτωση. Μέρος της χρήσιμης εργασίας - το 20% της - δαπανάται για την αντιμετώπιση της τριβής στον άξονα του μοχλού και της αντίστασης του αέρα, καθώς και για την κίνηση του ίδιου του μοχλού.
Η απόδοση οποιουδήποτε μηχανισμού είναι πάντα μικρότερη από 100%. Κατά το σχεδιασμό μηχανισμών, οι άνθρωποι προσπαθούν να αυξήσουν την αποτελεσματικότητά τους. Για να επιτευχθεί αυτό, μειώνονται οι τριβές στους άξονες των μηχανισμών και το βάρος τους.
Ενέργεια.
Στα εργοστάσια και τα εργοστάσια, οι μηχανές και οι μηχανές κινούνται από ηλεκτρικούς κινητήρες, οι οποίοι καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια (εξ ου και το όνομα).
|
Ένα συμπιεσμένο ελατήριο (Εικ.), όταν ευθυγραμμίζεται, λειτουργεί, ανυψώνει ένα φορτίο σε ύψος ή κάνει ένα καρότσι να κινείται. Ένα σταθερό φορτίο που ανυψώνεται πάνω από το έδαφος δεν λειτουργεί, αλλά αν αυτό το φορτίο πέσει, μπορεί να κάνει δουλειά (για παράδειγμα, μπορεί να οδηγήσει ένα σωρό στο έδαφος). Κάθε κινούμενο σώμα έχει την ικανότητα να κάνει δουλειά. Έτσι, μια χαλύβδινη σφαίρα Α (σύκο) που κυλά προς τα κάτω από ένα κεκλιμένο επίπεδο, χτυπώντας ένα ξύλινο μπλοκ Β, την μετακινεί σε μια ορισμένη απόσταση. Ταυτόχρονα γίνεται δουλειά. Εάν ένα σώμα ή πολλά σώματα που αλληλεπιδρούν (ένα σύστημα σωμάτων) μπορούν να δουλέψουν, λέγεται ότι έχουν ενέργεια. Ενέργεια - μια φυσική ποσότητα που δείχνει πόση δουλειά μπορεί να κάνει ένα σώμα (ή πολλά σώματα). Η ενέργεια εκφράζεται στο σύστημα SI στις ίδιες μονάδες με το έργο, δηλαδή σε τζάουλ. Όσο περισσότερη δουλειά μπορεί να κάνει ένα σώμα, τόσο περισσότερη ενέργεια έχει. Όταν γίνεται η εργασία, η ενέργεια των σωμάτων αλλάζει. Η εργασία που γίνεται είναι ίση με την αλλαγή της ενέργειας. Δυναμική και κινητική ενέργεια.Δυνατότητα (από λατ.δραστικότητα - δυνατότητα) ενέργεια είναι η ενέργεια που καθορίζεται από τη σχετική θέση σωμάτων που αλληλεπιδρούν και μερών του ίδιου σώματος. Δυνητική ενέργεια, για παράδειγμα, κατέχεται από ένα σώμα ανυψωμένο σε σχέση με την επιφάνεια της Γης, επειδή η ενέργεια εξαρτάται από τη σχετική θέση αυτού και της Γης. και την αμοιβαία έλξη τους. Αν θεωρήσουμε ότι η δυναμική ενέργεια ενός σώματος που βρίσκεται στη Γη είναι μηδέν, τότε η δυναμική ενέργεια ενός σώματος που ανυψώνεται σε ένα ορισμένο ύψος θα καθοριστεί από το έργο που κάνει η βαρύτητα όταν το σώμα πέφτει στη Γη. Ας υποδηλώσουμε τη δυναμική ενέργεια του σώματος μιν, επειδή Ε = Α, και το έργο, όπως ξέρουμε, είναι ίσο με το γινόμενο δύναμης και διαδρομής, λοιπόν A = Fh, Οπου φά- βαρύτητα. Αυτό σημαίνει ότι η δυναμική ενέργεια En είναι ίση με: E = Fh, ή E = gmh, Οπου σολ- επιτάχυνση της βαρύτητας, Μ- μάζα σώματος, η- το ύψος στο οποίο ανυψώνεται το σώμα. Το νερό στα ποτάμια που συγκρατούνται από φράγματα έχει τεράστια δυναμική ενέργεια. Πέφτοντας κάτω, το νερό λειτουργεί, οδηγώντας ισχυρούς στρόβιλους σταθμών παραγωγής ενέργειας. Η δυναμική ενέργεια ενός σφυριού κόπρα (Εικ.) χρησιμοποιείται στην κατασκευή για την εκτέλεση του έργου της οδήγησης πασσάλων. Όταν ανοίγετε μια πόρτα με ένα ελατήριο, γίνεται εργασία για να τεντώσει (ή να συμπιέσει) το ελατήριο. Λόγω της κεκτημένης ενέργειας, το ελατήριο, συστέλλοντας (ή ανορθώνοντας), λειτουργεί, κλείνοντας την πόρτα. Η ενέργεια των συμπιεσμένων και μη στριμωγμένων ελατηρίων χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, σε ρολόγια, διάφορα παιχνίδια κουρδίσματος κ.λπ. Οποιοδήποτε ελαστικό παραμορφωμένο σώμα έχει δυναμική ενέργεια.Η δυναμική ενέργεια του συμπιεσμένου αερίου χρησιμοποιείται στη λειτουργία θερμικών κινητήρων, σε σφυριά, που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία εξόρυξης, στην οδοποιία, στην εκσκαφή σκληρού εδάφους κ.λπ. Η ενέργεια που κατέχει ένα σώμα ως αποτέλεσμα της κίνησής του ονομάζεται κινητική (από τα ελληνικά. kinema - κίνηση) ενέργεια. Η κινητική ενέργεια ενός σώματος συμβολίζεται με το γράμμα μιΠρος την. Το κινούμενο νερό, οδηγώντας τις τουρμπίνες των υδροηλεκτρικών σταθμών, ξοδεύει την κινητική του ενέργεια και λειτουργεί. Κινητική ενέργεια έχει και ο κινούμενος αέρας, ο άνεμος. Από τι εξαρτάται η κινητική ενέργεια; Ας στραφούμε στην εμπειρία (βλ. σχήμα). Εάν κυλήσετε την μπάλα Α από διαφορετικά ύψη, θα παρατηρήσετε ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος από το οποίο κυλά η μπάλα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητά της και όσο περισσότερο μετακινεί το μπλοκ, δηλαδή κάνει περισσότερη δουλειά. Αυτό σημαίνει ότι η κινητική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται από την ταχύτητά του. Λόγω της ταχύτητάς της, μια ιπτάμενη σφαίρα έχει υψηλή κινητική ενέργεια. Η κινητική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται και από τη μάζα του. Ας κάνουμε ξανά το πείραμά μας, αλλά θα κυλήσουμε μια άλλη μπάλα μεγαλύτερης μάζας από το κεκλιμένο επίπεδο. Η μπάρα Β θα προχωρήσει περαιτέρω, δηλαδή θα γίνει περισσότερη δουλειά. Αυτό σημαίνει ότι η κινητική ενέργεια της δεύτερης μπάλας είναι μεγαλύτερη από την πρώτη. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός σώματος και η ταχύτητα με την οποία κινείται, τόσο μεγαλύτερη είναι η κινητική του ενέργεια. Για τον προσδιορισμό της κινητικής ενέργειας ενός σώματος χρησιμοποιείται ο τύπος: Ek = mv^2 /2, Οπου Μ- μάζα σώματος, v- ταχύτητα κίνησης του σώματος. Η κινητική ενέργεια των σωμάτων χρησιμοποιείται στην τεχνολογία. Το νερό που συγκρατεί το φράγμα έχει, όπως ήδη αναφέρθηκε, μεγάλη δυναμική ενέργεια. Όταν το νερό πέφτει από ένα φράγμα, κινείται και έχει την ίδια υψηλή κινητική ενέργεια. Οδηγεί έναν στρόβιλο συνδεδεμένο με μια γεννήτρια ηλεκτρικού ρεύματος. Λόγω της κινητικής ενέργειας του νερού, παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια του κινούμενου νερού έχει μεγάλη σημασία στην εθνική οικονομία. Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται χρησιμοποιώντας ισχυρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Η ενέργεια του νερού που πέφτει είναι μια φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας, σε αντίθεση με την ενέργεια των καυσίμων. Όλα τα σώματα στη φύση, σε σχέση με τη συμβατική μηδενική τιμή, έχουν είτε δυναμική είτε κινητική ενέργεια και μερικές φορές και τα δύο μαζί. Για παράδειγμα, ένα ιπτάμενο αεροπλάνο έχει τόσο κινητική όσο και δυναμική ενέργεια σε σχέση με τη Γη. Γνωριστήκαμε με δύο είδη μηχανικής ενέργειας. Άλλα είδη ενέργειας (ηλεκτρική, εσωτερική κ.λπ.) θα συζητηθούν σε άλλες ενότητες του μαθήματος της φυσικής. Μετατροπή ενός τύπου μηχανικής ενέργειας σε άλλο. Το φαινόμενο της μετατροπής ενός τύπου μηχανικής ενέργειας σε άλλο είναι πολύ βολικό να παρατηρηθεί στη συσκευή που φαίνεται στο σχήμα. Τυλίγοντας το νήμα στον άξονα, ο δίσκος της συσκευής ανυψώνεται. Ένας δίσκος που σηκώνεται προς τα πάνω έχει κάποια δυναμική ενέργεια. Αν το αφήσετε, θα στριφογυρίσει και θα αρχίσει να πέφτει. Καθώς πέφτει, η δυναμική ενέργεια του δίσκου μειώνεται, αλλά ταυτόχρονα αυξάνεται η κινητική του ενέργεια. Στο τέλος της πτώσης, ο δίσκος έχει τόσο απόθεμα κινητικής ενέργειας που μπορεί να ανέβει ξανά σχεδόν στο προηγούμενο ύψος του. (Μέρος της ενέργειας δαπανάται δουλεύοντας ενάντια στη δύναμη τριβής, οπότε ο δίσκος δεν φτάνει στο αρχικό του ύψος.) Αφού σηκωθεί, ο δίσκος πέφτει ξανά και μετά ανεβαίνει ξανά. Σε αυτό το πείραμα, όταν ο δίσκος κινείται προς τα κάτω, η δυναμική του ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια και όταν κινείται προς τα πάνω, η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια. Ο μετασχηματισμός της ενέργειας από τον έναν τύπο στον άλλο συμβαίνει επίσης όταν δύο ελαστικά σώματα συγκρούονται, για παράδειγμα, μια λαστιχένια μπάλα στο πάτωμα ή μια χαλύβδινη σφαίρα σε μια χαλύβδινη πλάκα. Αν σηκώσετε μια χαλύβδινη μπάλα (ρύζι) πάνω από μια ατσάλινη πλάκα και την απελευθερώσετε από τα χέρια σας, θα πέσει. Καθώς η μπάλα πέφτει, η δυναμική της ενέργεια μειώνεται και η κινητική της ενέργεια αυξάνεται, καθώς αυξάνεται η ταχύτητα της μπάλας. Όταν η μπάλα χτυπήσει στο πιάτο, τόσο η μπάλα όσο και η πλάκα θα συμπιεστούν. Η κινητική ενέργεια που είχε η μπάλα θα μετατραπεί σε δυναμική ενέργεια της συμπιεσμένης πλάκας και της συμπιεσμένης μπάλας. Στη συνέχεια, χάρη στη δράση των ελαστικών δυνάμεων, η πλάκα και η μπάλα θα πάρουν το αρχικό τους σχήμα. Η μπάλα θα αναπηδήσει από την πλάκα και η δυναμική της ενέργεια θα μετατραπεί ξανά στην κινητική ενέργεια της μπάλας: η μπάλα θα αναπηδήσει προς τα πάνω με ταχύτητα σχεδόν ίση με την ταχύτητα που είχε τη στιγμή που χτυπούσε στην πλάκα. Καθώς η μπάλα ανεβαίνει προς τα πάνω, η ταχύτητα της μπάλας, άρα και η κινητική της ενέργεια, μειώνεται, ενώ η δυναμική ενέργεια αυξάνεται. Έχοντας αναπηδήσει από την πλάκα, η μπάλα ανεβαίνει σχεδόν στο ίδιο ύψος από το οποίο άρχισε να πέφτει. Στο κορυφαίο σημείο της ανόδου, όλη η κινητική του ενέργεια θα μετατραπεί ξανά σε δυναμικό. Τα φυσικά φαινόμενα συνήθως συνοδεύονται από τη μετατροπή ενός τύπου ενέργειας σε άλλο. Η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί από το ένα σώμα στο άλλο. Για παράδειγμα, κατά την τοξοβολία, η δυναμική ενέργεια ενός τραβηγμένου τόξου μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια ενός ιπτάμενου βέλους. |
Τι σημαίνει?
Στη φυσική, «μηχανικό έργο» είναι το έργο κάποιας δύναμης (βαρύτητας, ελαστικότητας, τριβής κ.λπ.) σε ένα σώμα, ως αποτέλεσμα της οποίας το σώμα κινείται.
Συχνά η λέξη "μηχανικό" απλά δεν γράφεται.
Μερικές φορές μπορείτε να συναντήσετε την έκφραση «το σώμα έχει κάνει δουλειά», που καταρχήν σημαίνει «η δύναμη που ασκεί το σώμα έχει κάνει δουλειά».
Νομίζω - δουλεύω.
Πάω - δουλεύω κι εγώ.
Πού είναι η μηχανική εργασία εδώ;
Εάν ένα σώμα κινείται υπό την επίδραση δύναμης, τότε εκτελείται μηχανική εργασία.
Λένε ότι το σώμα λειτουργεί.
Ή ακριβέστερα, θα είναι έτσι: το έργο γίνεται από τη δύναμη που ασκεί το σώμα.
Το έργο χαρακτηρίζει το αποτέλεσμα μιας δύναμης.
Οι δυνάμεις που δρουν σε ένα άτομο εκτελούν μηχανικό έργο πάνω του και ως αποτέλεσμα της δράσης αυτών των δυνάμεων, το άτομο κινείται.
Το έργο είναι ένα φυσικό μέγεθος ίσο με το γινόμενο της δύναμης που ασκείται σε ένα σώμα και της διαδρομής που ακολουθεί το σώμα υπό την επίδραση μιας δύναμης προς την κατεύθυνση αυτής της δύναμης.
Α - μηχανική εργασία,
F - δύναμη,
S - διανυθείσα απόσταση.
Η δουλειά γίνεται, αν συντρέχουν 2 προϋποθέσεις ταυτόχρονα: ασκεί δύναμη στο σώμα και αυτό
κινείται προς την κατεύθυνση της δύναμης.
Δεν γίνεται καμία δουλειά(δηλαδή ίσο με 0), εάν:
1. Η δύναμη ενεργεί, αλλά το σώμα δεν κινείται.
Για παράδειγμα: ασκούμε δύναμη σε μια πέτρα, αλλά δεν μπορούμε να την μετακινήσουμε.
2. Το σώμα κινείται και η δύναμη είναι μηδέν, ή αντισταθμίζονται όλες οι δυνάμεις (δηλαδή, το αποτέλεσμα αυτών των δυνάμεων είναι 0).
Για παράδειγμα: όταν κινείται με αδράνεια, δεν γίνεται καμία εργασία.
3. Η φορά της δύναμης και η φορά κίνησης του σώματος είναι αμοιβαία κάθετες.
Για παράδειγμα: όταν ένα τρένο κινείται οριζόντια, η βαρύτητα δεν λειτουργεί.
Η εργασία μπορεί να είναι θετική και αρνητική
1. Αν η φορά της δύναμης και η φορά κίνησης του σώματος συμπίπτουν, γίνεται θετική εργασία.
Για παράδειγμα: η δύναμη της βαρύτητας, που ενεργεί σε μια σταγόνα νερού που πέφτει, κάνει θετική δουλειά.
2. Αν η φορά της δύναμης και της κίνησης του σώματος είναι αντίθετη, γίνεται αρνητική εργασία.
Για παράδειγμα: η δύναμη της βαρύτητας που επενεργεί σε ένα ανερχόμενο μπαλόνι κάνει αρνητική δράση.
Εάν σε ένα σώμα δρουν πολλές δυνάμεις, τότε το συνολικό έργο που γίνεται από όλες τις δυνάμεις είναι ίσο με το έργο που εκτελείται από τη δύναμη που προκύπτει.
Μονάδες εργασίας
Προς τιμήν του Άγγλου επιστήμονα D. Joule, η μονάδα εργασίας ονομάστηκε 1 Joule.
Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI):
[A] = J = N m
1J = 1Ν 1μ
Το μηχανικό έργο είναι ίσο με 1 J εάν, υπό την επίδραση δύναμης 1 N, ένα σώμα κινείται 1 m προς την κατεύθυνση αυτής της δύναμης.
Όταν πετάτε από τον αντίχειρα ενός ατόμου στον δείκτη του
το κουνούπι λειτουργεί - 0.000 000 000 000 000 000 000 000 001 J.
Η ανθρώπινη καρδιά εκτελεί περίπου 1 J εργασίας ανά συστολή, η οποία αντιστοιχεί στην εργασία που γίνεται κατά την ανύψωση φορτίου βάρους 10 kg σε ύψος 1 cm.
ΔΟΥΛΕΨΤΕ ΦΙΛΟΙ!