Στην καθημερινή μας εμπειρία, η λέξη «εργασία» εμφανίζεται πολύ συχνά. Θα πρέπει όμως να διακρίνει κανείς μεταξύ φυσιολογικής εργασίας και εργασίας από τη σκοπιά της επιστήμης της φυσικής. Όταν γυρνάς σπίτι από το μάθημα, λες: "Ω, είμαι τόσο κουρασμένος!" Αυτό είναι φυσιολογικό έργο. Ή, για παράδειγμα, η δουλειά μιας ομάδας σε λαϊκό παραμύθι"Γογγύλι".
Εικόνα 1. Εργασία με την καθημερινή έννοια της λέξης
Θα μιλήσουμε εδώ για την εργασία από τη σκοπιά της φυσικής.
Μηχανολογικές εργασίεςσυμβαίνει όταν ένα σώμα κινείται υπό την επίδραση μιας δύναμης. Η εργασία υποδεικνύεται Λατινικό γράμμαΑ. Ένας πιο αυστηρός ορισμός της εργασίας ακούγεται κάπως έτσι.
Το έργο της δύναμης ονομάζεται φυσική ποσότητα, ίσο με το γινόμενο του μεγέθους της δύναμης και της απόστασης που διανύει το σώμα προς την κατεύθυνση της δύναμης.
Εικόνα 2. Η εργασία είναι ένα φυσικό μέγεθος
Ο τύπος ισχύει όταν στο σώμα ασκείται σταθερή δύναμη.
ΣΕ διεθνές σύστημαΟι μονάδες εργασίας SI μετρώνται σε joules.
Αυτό σημαίνει ότι εάν υπό την επίδραση δύναμης 1 newton ένα σώμα κινηθεί 1 μέτρο, τότε 1 joule εργασίας γίνεται από αυτή τη δύναμη.
Η μονάδα εργασίας πήρε το όνομά της από τον Άγγλο επιστήμονα James Prescott Joule.
Εικ. 3. James Prescott Joule (1818 - 1889)
Από τον τύπο για τον υπολογισμό της εργασίας προκύπτει ότι υπάρχουν τρεις πιθανές περιπτώσεις όπου η εργασία είναι ίση με μηδέν.
Η πρώτη περίπτωση είναι όταν μια δύναμη ενεργεί σε ένα σώμα, αλλά το σώμα δεν κινείται. Για παράδειγμα, ένα σπίτι υπόκειται σε μια τεράστια δύναμη βαρύτητας. Όμως δεν κάνει καμία δουλειά γιατί το σπίτι είναι ακίνητο.
Η δεύτερη περίπτωση είναι όταν το σώμα κινείται με αδράνεια, δηλαδή δεν ασκούνται δυνάμεις πάνω του. Για παράδειγμα, ΔΙΑΣΤΗΜΟΠΛΟΙΟκινείται στον διαγαλαξιακό χώρο.
Η τρίτη περίπτωση είναι όταν στο σώμα ασκείται δύναμη κάθετη προς την κατεύθυνση κίνησης του σώματος. Σε αυτή την περίπτωση, αν και το σώμα κινείται και ασκεί δύναμη πάνω του, δεν υπάρχει κίνηση του σώματος προς την κατεύθυνση της δύναμης.
Εικόνα 4. Τρεις περιπτώσεις όπου η εργασία είναι μηδέν
Θα πρέπει επίσης να ειπωθεί ότι το έργο που γίνεται από μια δύναμη μπορεί να είναι αρνητικό. Αυτό θα συμβεί εάν το σώμα κινηθεί ενάντια στην κατεύθυνση της δύναμης. Για παράδειγμα, όταν ένας γερανός σηκώνει ένα φορτίο πάνω από το έδαφος χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο, το έργο που γίνεται από τη δύναμη της βαρύτητας είναι αρνητικό (και το έργο που γίνεται από την ελαστική δύναμη του καλωδίου που κατευθύνεται προς τα πάνω, αντίθετα, είναι θετικό).
Ας υποθέσουμε ότι κατά την εκτέλεση Κατασκευαστικές εργασίεςο λάκκος πρέπει να γεμίσει με άμμο. Θα χρειαζόταν μερικά λεπτά για να το κάνει αυτό ένας εκσκαφέας, αλλά ένας εργάτης με φτυάρι θα έπρεπε να δουλέψει αρκετές ώρες. Αλλά και ο εκσκαφέας και ο εργάτης θα είχαν ολοκληρώσει την ίδια δουλειά.
Εικ. 5. Η ίδια εργασία μπορεί να ολοκληρωθεί στο διαφορετική ώρα
Για να χαρακτηριστεί η ταχύτητα της εργασίας που γίνεται στη φυσική, χρησιμοποιείται μια ποσότητα που ονομάζεται ισχύς.
Η ισχύς είναι ένα φυσικό μέγεθος ίσο με τον λόγο της εργασίας προς το χρόνο που εκτελείται.
Η ισχύς υποδεικνύεται με λατινικό γράμμα Ν.
Η μονάδα ισχύος SI είναι τα watt.
Ένα watt είναι η ισχύς με την οποία γίνεται ένα joule εργασίας σε ένα δευτερόλεπτο.
Η μονάδα ισχύος πήρε το όνομά της από τον Άγγλο επιστήμονα, εφευρέτη της ατμομηχανής, James Watt.
Εικ. 6. James Watt (1736 - 1819)
Ας συνδυάσουμε τον τύπο για τον υπολογισμό της εργασίας με τον τύπο για τον υπολογισμό της ισχύος.
Ας θυμηθούμε τώρα ότι η αναλογία της διαδρομής που διανύει το σώμα είναι μικρό, κατά τη στιγμή της κίνησης tαντιπροσωπεύει την ταχύτητα κίνησης του σώματος v.
Ετσι, η ισχύς είναι ίση με το γινόμενο αριθμητική αξίαδύναμη στην ταχύτητα κίνησης του σώματος προς την κατεύθυνση της δύναμης.
Αυτός ο τύπος είναι βολικός στη χρήση κατά την επίλυση προβλημάτων στα οποία μια δύναμη δρα σε ένα σώμα που κινείται με γνωστή ταχύτητα.
Βιβλιογραφία
- Lukashik V.I., Ivanova E.V. Συλλογή προβλημάτων φυσικής για τις τάξεις 7-9 Εκπαιδευτικά ιδρύματα. - 17η έκδ. - Μ.: Εκπαίδευση, 2004.
- Peryshkin A.V. Η φυσικη. 7η τάξη - 14η έκδ., στερεότυπο. - M.: Bustard, 2010.
- Peryshkin A.V. Συλλογή προβλημάτων φυσικής, τάξεις 7-9: 5η έκδ., στερεότυπο. - Μ: Εκδοτικός Οίκος “Εξεταστική”, 2010.
- Διαδικτυακή πύλη Physics.ru ().
- Διαδικτυακή πύλη Festival.1september.ru ().
- Διαδικτυακή πύλη Fizportal.ru ().
- Διαδικτυακή πύλη Elkin52.narod.ru ().
Εργασία για το σπίτι
- Σε ποιες περιπτώσεις η εργασία είναι ίση με μηδέν;
- Πώς γίνεται το έργο κατά μήκος της διαδρομής που διανύεται προς την κατεύθυνση της δύναμης; Στην αντίθετη κατεύθυνση;
- Πόση δουλειά γίνεται από τη δύναμη τριβής που ασκεί το τούβλο όταν κινείται 0,4 m; Η δύναμη τριβής είναι 5 N.
1. Το μηχανικό έργο \(A \) είναι ένα φυσικό μέγεθος ίσο με το γινόμενο του διανύσματος δύναμης που ασκείται στο σώμα και του διανύσματος της μετατόπισής του:\(A=\vec(F)\vec(S) \) . Εργασία - κλιμακωτή ποσότητα, που χαρακτηρίζεται από μια αριθμητική τιμή και μια μονάδα.
Μια μονάδα εργασίας λαμβάνεται ως 1 joule (1 J). Αυτό είναι το έργο που γίνεται από μια δύναμη 1 N κατά μήκος μιας διαδρομής 1 m.
\[ [\,A\,]=[\,F\,][\,S\,]; [\,A\,]=1Н\cdot1m=1J\]
2. Εάν η δύναμη που ασκεί το σώμα κάνει μια ορισμένη γωνία \(\άλφα \) με τη μετατόπιση, τότε η προβολή της δύναμης \(F \) στον άξονα Χ είναι ίση με \(F_x \) (Εικ. 42).
Αφού \(F_x=F\cdot\cos\alpha \) , τότε \(A=FS\cos\alpha \) .
Έτσι, το έργο μιας σταθερής δύναμης είναι ίσο με το γινόμενο των μεγεθών των διανυσμάτων δύναμης και μετατόπισης και του συνημιτόνου της γωνίας μεταξύ αυτών των διανυσμάτων.
3. Εάν δύναμη \(F\) = 0 ή μετατόπιση \(S \) = 0, τότε το μηχανικό έργο είναι μηδέν \(A \) = 0. Το έργο είναι μηδέν εάν το διάνυσμα δύναμης είναι κάθετο στη μετατόπιση διάνυσμα, t .e. \(\cos90^\circ \) = 0. Άρα, το έργο της δύναμης που προσδίδει κεντρομόλο επιτάχυνση στο σώμα όταν ομοιόμορφη κίνησηκατά μήκος κύκλου, αφού η δύναμη αυτή είναι κάθετη στην κατεύθυνση κίνησης του σώματος σε οποιοδήποτε σημείο της τροχιάς.
4. Το έργο που γίνεται από μια δύναμη μπορεί να είναι είτε θετικό είτε αρνητικό. Το έργο είναι θετικό \(A \) > 0, αν η γωνία είναι 90° > \(\άλφα \) ≥ 0°; αν η γωνία 180° > \(\άλφα \) ≥ 90°, τότε το έργο είναι αρνητικό \(A \) < 0.
Εάν η γωνία \(\άλφα \) = 0°, τότε \(\cos\alpha \) = 1, \(A=FS \) . Αν η γωνία \(\άλφα \) = 180°, τότε \(\cos\alpha \) = -1, \(A=-FS \) .
5. Σε ελεύθερη πτώση από ύψος \(h\) ένα σώμα με μάζα \(m\) μετακινείται από τη θέση 1 στη θέση 2 (Εικ. 43). Σε αυτήν την περίπτωση, η δύναμη της βαρύτητας λειτουργεί ίση με:
\[ A=F_тh=mg(h_1-h_2)=mgh \]
Όταν ένα σώμα κινείται κατακόρυφα προς τα κάτω, η δύναμη και η μετατόπιση κατευθύνονται προς μία κατεύθυνση και η δύναμη της βαρύτητας λειτουργεί θετικά.
Εάν ένα σώμα ανεβαίνει προς τα πάνω, τότε η δύναμη της βαρύτητας κατευθύνεται προς τα κάτω, και αν κινείται προς τα πάνω, τότε η δύναμη της βαρύτητας κάνει αρνητικό έργο, δηλ.
\[ A=-F_тh=-mg(h_1-h_2)=-mgh \]
6.
Η εργασία μπορεί να παρουσιαστεί γραφικά. Το σχήμα δείχνει ένα γράφημα της εξάρτησης της βαρύτητας από το ύψος ενός σώματος σε σχέση με την επιφάνεια της Γης (Εικ. 44). Γραφικά, το έργο της βαρύτητας είναι ίσο με το εμβαδόν του σχήματος (ορθογώνιο) που οριοθετείται από το γράφημα, τους άξονες συντεταγμένων και είναι κάθετο στον άξονα της τετμημένης
στο σημείο \(h\) .
Η γραφική παράσταση της ελαστικής δύναμης έναντι της επιμήκυνσης του ελατηρίου είναι μια ευθεία γραμμή που διέρχεται από την αρχή των συντεταγμένων (Εικ. 45). Κατ' αναλογία με το έργο της βαρύτητας, το έργο της ελαστικής δύναμης είναι ίσο με το εμβαδόν του τριγώνου που οριοθετείται από τη γραφική παράσταση, τους άξονες συντεταγμένων και την κάθετο στην τετμημένη στο σημείο \(x\) .
\(A=Fx/2=kx\cdot x/2 \) .
7. Το έργο που γίνεται από τη βαρύτητα δεν εξαρτάται από το σχήμα της τροχιάς κατά μήκος της οποίας κινείται το σώμα. εξαρτάται από την αρχική και την τελική θέση του σώματος. Αφήστε το σώμα πρώτα να μετακινηθεί από το σημείο Α στο σημείο Β κατά μήκος της τροχιάς ΑΒ (Εικ. 46). Το έργο της βαρύτητας σε αυτή την περίπτωση
\[ A_(AB)=mgh \]
Έστω τώρα το σώμα να κινηθεί από το σημείο Α στο σημείο Β, πρώτα κατά μήκος του κεκλιμένου επιπέδου AC και μετά κατά μήκος της βάσης του κεκλιμένου επιπέδου BC. Η εργασία που γίνεται από τη βαρύτητα όταν κινείται κατά μήκος του αεροσκάφους είναι μηδενική. Το έργο της βαρύτητας όταν κινείται κατά μήκος του εναλλασσόμενου ρεύματος είναι ίσο με το γινόμενο της προβολής της βαρύτητας στο κεκλιμένο επίπεδο \(mg\sin\alpha \) και το μήκος του κεκλιμένου επιπέδου, δηλ. , \(A_(AC)=mg\sin\alpha\cdot l \). Προϊόν \(l\cdot\sin\alpha=h \) . Τότε \(A_(AC)=mgh \) . Το έργο της βαρύτητας όταν κινείται ένα σώμα κατά μήκος δύο διαφορετικών τροχιών δεν εξαρτάται από το σχήμα της τροχιάς, αλλά εξαρτάται από την αρχική και την τελική θέση του σώματος.
Το έργο της ελαστικής δύναμης επίσης δεν εξαρτάται από το σχήμα της τροχιάς.
Ας υποθέσουμε ότι ένα σώμα κινείται από το σημείο Α στο σημείο Β κατά μήκος της τροχιάς ACB και μετά από το σημείο Β στο σημείο Α κατά μήκος της τροχιάς ΒΑ. Όταν κινείται κατά μήκος της τροχιάς ACB, η βαρύτητα λειτουργεί θετικά· όταν κινείται κατά μήκος της τροχιάς BA, το έργο της βαρύτητας είναι αρνητικό, ίσο σε μέγεθος με το έργο όταν κινείται κατά μήκος της τροχιάς ACB. Επομένως, το έργο που γίνεται από τη βαρύτητα κατά μήκος μιας κλειστής διαδρομής είναι μηδέν. Το ίδιο ισχύει και για το έργο της ελαστικής δύναμης.
Οι δυνάμεις των οποίων το έργο δεν εξαρτάται από το σχήμα της τροχιάς και είναι ίσο με μηδέν κατά μήκος μιας κλειστής τροχιάς ονομάζονται συντηρητικές. Οι συντηρητικές δυνάμεις περιλαμβάνουν τη βαρύτητα και την ελαστικότητα.
8. Οι δυνάμεις των οποίων το έργο εξαρτάται από το σχήμα της διαδρομής ονομάζονται μη συντηρητικές. Η δύναμη τριβής είναι μη συντηρητική. Εάν ένα σώμα κινείται από το σημείο Α στο σημείο Β (Εικ. 47) πρώτα κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής και μετά κατά μήκος μιας διακεκομμένης γραμμής ACB, τότε στην πρώτη περίπτωση το έργο της δύναμης τριβής \(A_(AB)=-Fl_( AB) \) , και στο δεύτερο \(A_(ABC)=A_(AC)+A_(CB) , \(A_(ABC)=-Fl_(AC)-Fl_(CB) \) .
Επομένως, το έργο (A_(AB) \) δεν είναι ίσο με το έργο \(A_(ABC) \) .
9. Η ισχύς είναι ένα φυσικό μέγεθος ίσο με τον λόγο της εργασίας προς τη χρονική περίοδο κατά την οποία εκτελείται. Η ισχύς χαρακτηρίζει την ταχύτητα με την οποία γίνεται η εργασία.
Η ισχύς συμβολίζεται με το γράμμα \(N\).
Μονάδα ισχύος: \([N]=[A]/[t] \) . \([N] \) = 1 J/1 s = 1 J/s. Αυτή η μονάδα ονομάζεται watt (W). Ένα watt είναι η ισχύς με την οποία εκτελείται 1 J εργασίας σε 1 s.
10. Η ισχύς που αναπτύσσεται από τον κινητήρα είναι ίση με: \(N = A/t \) , \(A=F\cdot S \) , από όπου \(N=FS/t \) . Ο λόγος της κίνησης προς το χρόνο είναι η ταχύτητα κίνησης: \(S/t = v\) . Όπου \(N = Fv \) .
Από τον τύπο που προκύπτει είναι σαφές ότι όταν σταθερή δύναμηαντίσταση, η ταχύτητα κίνησης είναι ευθέως ανάλογη με την ισχύ του κινητήρα.
Σε διάφορες μηχανές και μηχανισμούς μετατρέπεται η μηχανική ενέργεια. Λόγω ενέργειας γίνεται δουλειά κατά τη μεταμόρφωσή του. Ταυτόχρονα, να δεσμευτούν χρήσιμη εργασίαμόνο ένα μέρος της ενέργειας καταναλώνεται. Μέρος της ενέργειας δαπανάται για εργασία ενάντια στις δυνάμεις τριβής. Έτσι, κάθε μηχανή χαρακτηρίζεται από μια τιμή που υποδεικνύει ποιο μέρος της ενέργειας που μεταφέρεται σε αυτό χρησιμοποιείται χρήσιμα. Αυτή η ποσότητα ονομάζεται συντελεστής χρήσιμη δράση(αποδοτικότητα).
Ο συντελεστής απόδοσης είναι μια τιμή ίση με την αναλογία χρήσιμης εργασίας \((A_p) \) προς όλες τις ολοκληρωμένες εργασίες \((A_s) \) : \(\eta=A_p/A_s \) . Η αποτελεσματικότητα εκφράζεται ως ποσοστό.
Μέρος 1
1. Η εργασία καθορίζεται από τον τύπο
1) \(A=Fv \)
2) \(A=N/t\)
3) \(A=mv\)
4) \(A=FS \)
2. Το φορτίο ανυψώνεται ομοιόμορφα κατακόρυφα προς τα πάνω με ένα σχοινί δεμένο σε αυτό. Το έργο της βαρύτητας σε αυτή την περίπτωση
1) ίσο με μηδέν
2) θετικό
3) αρνητικό
4) περισσότερο έργο ελαστικής δύναμης
3. Το κιβώτιο έλκεται από ένα σχοινί δεμένο πάνω του, κάνοντας γωνία 60° με την οριζόντια, ασκώντας δύναμη 30 N. Ποιο είναι το έργο που κάνει αυτή η δύναμη αν το μέτρο μετατόπισης είναι 10 m;
1) 300 J
2) 150 J
3) 3 J
4) 1,5 J
4. Τεχνητός δορυφόροςΗ Γη, της οποίας η μάζα είναι ίση με \(m\), κινείται ομοιόμορφα σε μια κυκλική τροχιά με ακτίνα \(R\) . Το έργο που γίνεται από τη βαρύτητα σε χρόνο ίσο με την περίοδο της επανάστασης είναι ίσο με
1) \(mgR \)
2) \(\pi mgR \)
3) \(2\pi mgR \)
4) \(0 \)
5. Ένα αυτοκίνητο βάρους 1,2 τόνων διανύει 800 μέτρα κατά μήκος ενός οριζόντιου δρόμου. Πόσο έργο έγινε από τη δύναμη τριβής αν ο συντελεστής τριβής είναι 0,1;
1) -960 kJ
2) -96 kJ
3) 960 kJ
4) 96 kJ
6. Ένα ελατήριο με ακαμψία 200 N/m τεντώνεται κατά 5 εκ. Πόσο έργο θα κάνει η ελαστική δύναμη όταν το ελατήριο επιστρέψει στην ισορροπία;
1) 0,25 J
2) 5 J
3) 250 J
4) 500 J
7. Μπάλες ίδιας μάζας κυλούν σε μια τσουλήθρα κατά μήκος τριών διαφορετικών αγωγών, όπως φαίνεται στο σχήμα. Σε ποια περίπτωση το έργο που γίνεται από τη βαρύτητα θα είναι μεγαλύτερο;
1) 1
2) 2
3) 3
4) η δουλειά είναι ίδια σε όλες τις περιπτώσεις
8. Η εργασία κατά μήκος μιας κλειστής διαδρομής είναι μηδέν
Α. Δυνάμεις τριβής
Β. Ελαστικές δυνάμεις
Η σωστή απάντηση είναι
1) και το Α και το Β
2) μόνο Α
3) μόνο Β
4) ούτε Α ούτε Β
9. Η μονάδα ισχύος SI είναι
1) J
2) W
3) J s
4) Nm
10. Τι ισούται με το χρήσιμο έργο αν η εργασία που γίνεται είναι 1000 J, και Απόδοση κινητήρα 40 %?
1) 40000 J
2) 1000 J
3) 400 J
4) 25 J
11. Καθιερώστε μια αντιστοιχία μεταξύ του έργου δύναμης (στην αριστερή στήλη του πίνακα) και του πρόσημου του έργου (στη δεξιά στήλη του πίνακα). Στην απάντησή σας, σημειώστε τους επιλεγμένους αριθμούς κάτω από τα αντίστοιχα γράμματα.
ΕΡΓΟ ΔΥΝΑΜΗΣ
Α. Εργασία ελαστικής δύναμης κατά το τέντωμα ενός ελατηρίου
Β. Έργο της δύναμης τριβής
Β. Έργο βαρύτητας όταν πέφτει ένα σώμα
ΣΗΜΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
1) θετικό
2) αρνητικό
3) ίσο με μηδέν
12. Από τις παρακάτω προτάσεις, επιλέξτε δύο σωστές και γράψτε τους αριθμούς τους στον πίνακα.
1) Το έργο της βαρύτητας δεν εξαρτάται από το σχήμα της τροχιάς.
2) Η εργασία γίνεται κατά τη διάρκεια οποιασδήποτε κίνησης του σώματος.
3) Το έργο που γίνεται από τη δύναμη τριβής ολίσθησης είναι πάντα αρνητικό.
4) Το έργο που κάνει η ελαστική δύναμη κατά μήκος ενός κλειστού περιγράμματος δεν είναι μηδέν.
5) Το έργο της δύναμης τριβής δεν εξαρτάται από το σχήμα της τροχιάς.
Μέρος 2ο
13. Ένα βαρούλκο ανυψώνει ομοιόμορφα ένα φορτίο βάρους 300 kg σε ύψος 3 m σε 10 δευτερόλεπτα. Ποια είναι η δύναμη του βαρούλκου;
Απαντήσεις
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 η δύναμη ασκείται στο σώμα και τόσο περισσότερο μακρύτερο δρόμοπου το σώμα περνά υπό την επίδραση αυτής της δύναμης, τόσο περισσότερη δουλειά 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 το τελευταίο όροφοτα κτίρια είναι εκατοντάδες τούβλα. 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 ( Τρ) 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 (ηλεκτρικός κινητήρας ξυραφιού, ραπτομηχανή) έως και 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 δύναμη στο φυσιολογικές συνθήκεςη εργασία 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.
Επί αυτή τη στιγμήπιστεύεται ότι με τη βοήθεια μοχλών πριν από τρεις χιλιάδες χρόνια κατά την κατασκευή των πυραμίδων στο Αρχαία Αίγυπτοςμετακίνησε και ύψωσε βαριές πέτρινες πλάκες 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 στερεός, το οποίο 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; OV- 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 χρησιμοποιούσαν μοχλούς οι Αιγύπτιοι; Ή εδώ σημαντικός ρόλοςπαίζει με τη λέξη "εγκατεστημένο";)
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 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 μακριά γαλλικο ΚΛΕΙΔΙπαρά 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, η συσκευή τους είναι διαφορετική. Το ψαλίδι γραφείου, σχεδιασμένο για κοπή χαρτιού, έχει μακριές λεπίδες και λαβές που έχουν σχεδόν το ίδιο μήκος. Δεν απαιτεί μεγάλη δύναμη για να κόψετε χαρτί και είναι πιο βολικό να κόβετε σε ευθεία γραμμή με μακριά λεπίδα. 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.
Μοχλοί διαφορετικό είδοςδιαθέσιμο σε πολλά αυτοκίνητα. 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 διαφορετικά μέρησώματα ζώων και 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 OV- δύναμη ώμου φά. Από τον ώμο OV 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 Rκαι, 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 ένα κέρδος σε δύναμη ή μονοπάτι, οι απλοί μηχανισμοί δεν δίνουν κέρδος στην εργασία; 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.
Η αναλογία χρήσιμης εργασίας προς εργασία πλήρους απασχόλησηςπου ονομάζεται αποτελεσματικότητα 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 και το σημείο εφαρμογής κινητήρια δύναμηέπεσε σε ύψος h2 = 0,4 μ. Βρείτε την απόδοση 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 " Χρυσός Κανόνας"εκτελείται και σε αυτήν την περίπτωση. Μέρος της χρήσιμης εργασίας - το 20% αυτής - δαπανάται για την υπέρβαση 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, κατέβασε ένα κεκλιμένο αεροπλάνο ατσάλινη μπάλαΑ (ρύζι), χτυπώντας ξύλινο μπλοκΒ, το μετακινεί σε κάποια 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 ελεύθερη πτώση, 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. Ο κινούμενος αέρας, ο άνεμος, έχει επίσης κινητική ενέργεια. Από τι εξαρτάται η κινητική ενέργεια; Ας στραφούμε στην εμπειρία (βλ. σχήμα). Αν κυλήσετε την μπάλα Α από διαφορετικά ύψη, τότε μπορείτε να παρατηρήσετε ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος που 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 ηλεκτρικό ρεύμα. Λόγω της κινητικής ενέργειας του νερού, παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια του κινούμενου νερού έχει μεγάλης σημασίαςστην 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. |
Μία από τις πιο σημαντικές έννοιες στη μηχανική είναι έργο δύναμης .
Έργο δύναμης
Ολα φυσικά σώματαστον κόσμο γύρω μας τίθενται σε κίνηση με τη βοήθεια της δύναμης. Εάν ένα κινούμενο σώμα στην ίδια ή αντίθετη κατεύθυνση ασκείται από μια δύναμη ή πολλές δυνάμεις από ένα ή περισσότερα σώματα, τότε λέγεται ότι γίνονται εργασίες .
Δηλαδή, η μηχανική εργασία εκτελείται από μια δύναμη που ασκεί το σώμα. Έτσι, η ελκτική δύναμη μιας ηλεκτρικής ατμομηχανής θέτει ολόκληρο το τρένο σε κίνηση, εκτελώντας έτσι μηχανική εργασία. Το ποδήλατο οδηγείται από τη μυϊκή δύναμη των ποδιών του ποδηλάτη. Κατά συνέπεια, αυτή η δύναμη κάνει και μηχανική εργασία.
Στη φυσική έργο δύναμης καλούμε ένα φυσικό μέγεθος ίσο με το γινόμενο του συντελεστή δύναμης, του συντελεστή μετατόπισης του σημείου εφαρμογής της δύναμης και του συνημιτόνου της γωνίας μεταξύ των διανυσμάτων δύναμης και μετατόπισης.
A = F s cos (F, s) ,
Οπου φά μονάδα δύναμης,
s – μονάδα ταξιδιού .
Η εργασία γίνεται πάντα εάν η γωνία μεταξύ των ανέμων δύναμης και μετατόπισης δεν είναι ίσο με μηδέν. Εάν η δύναμη ενεργεί προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση της κίνησης, η ποσότητα εργασίας είναι αρνητική.
Δεν γίνεται εργασία εάν δεν ασκούνται δυνάμεις στο σώμα ή εάν η γωνία μεταξύ της ασκούμενης δύναμης και της κατεύθυνσης κίνησης είναι 90 o (cos 90 o = 0).
Εάν ένα άλογο τραβήξει ένα κάρο, τότε η μυϊκή δύναμη του αλόγου, ή η δύναμη έλξης που κατευθύνεται κατά μήκος της κατεύθυνσης της κίνησης του καροτσιού, λειτουργεί. Όμως η δύναμη της βαρύτητας με την οποία πιέζει ο οδηγός στο καρότσι δεν κάνει καμία δουλειά, αφού κατευθύνεται προς τα κάτω, κάθετα προς την κατεύθυνση της κίνησης.
Το έργο της δύναμης είναι ένα βαθμωτό μέγεθος.
Μονάδα εργασίας στο σύστημα μέτρησης SI - joule. 1 joule είναι το έργο που εκτελείται από μια δύναμη 1 newton σε απόσταση 1 m εάν οι κατευθύνσεις της δύναμης και της μετατόπισης συμπίπτουν.
Εάν σε ένα σώμα ή σε ένα υλικό σημείο δρουν πολλές δυνάμεις, τότε μιλάμε για το έργο που επιτελείται από τη δύναμη που προκύπτει.
Εάν η εφαρμοζόμενη δύναμη δεν είναι σταθερή, τότε το έργο της υπολογίζεται ως ολοκλήρωμα:
Εξουσία
Η δύναμη που θέτει ένα σώμα σε κίνηση κάνει μηχανική εργασία. Αλλά πώς γίνεται αυτή η δουλειά, γρήγορα ή αργά, μερικές φορές είναι πολύ σημαντικό να το γνωρίζουμε στην πράξη. Άλλωστε το ίδιο έργο μπορεί να ολοκληρωθεί σε διαφορετικούς χρόνους. Η δουλειά που κάνει ένας μεγάλος ηλεκτροκινητήρας μπορεί να γίνει από έναν μικρό κινητήρα. Αλλά θα χρειαστεί πολύ περισσότερο χρόνο για αυτό.
Στη μηχανική, υπάρχει μια ποσότητα που χαρακτηρίζει την ταχύτητα της εργασίας. Αυτή η ποσότητα ονομάζεται εξουσία.
Η ισχύς είναι ο λόγος της εργασίας που εκτελείται σε μια ορισμένη χρονική περίοδο προς την αξία αυτής της περιόδου.
Ν= A /∆ t
Α-πριό Α = φά μικρό cos α , ΕΝΑ s/∆ t = v , ως εκ τούτου
Ν= φά v cos α = φά v ,
Οπου φά - δύναμη, v Ταχύτητα, α – η γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης της δύναμης και της κατεύθυνσης της ταχύτητας.
Αυτό είναι εξουσία - αυτό είναι το βαθμωτό γινόμενο του διανύσματος δύναμης και του διανύσματος ταχύτητας του σώματος.
Στο διεθνές σύστημα SI, η ισχύς μετριέται σε watt (W).
1 watt ισχύος είναι 1 joule (J) εργασίας που γίνεται σε 1 δευτερόλεπτο (s).
Η ισχύς μπορεί να αυξηθεί αυξάνοντας τη δύναμη που εκτελεί την εργασία ή τον ρυθμό με τον οποίο εκτελείται αυτή η εργασία.
Για να μπορέσουμε να χαρακτηρίσουμε τα ενεργειακά χαρακτηριστικά της κίνησης, εισήχθη η έννοια της μηχανικής εργασίας. Και είναι για εκείνη μέσα της διαφορετικές εκδηλώσειςτο άρθρο είναι αφιερωμένο σε. Το θέμα είναι και εύκολο και αρκετά δύσκολο στην κατανόηση. Ο συγγραφέας προσπάθησε ειλικρινά να το κάνει πιο κατανοητό και προσιτό στην κατανόηση, και μπορεί κανείς μόνο να ελπίζει ότι ο στόχος έχει επιτευχθεί.
Τι ονομάζεται μηχανική εργασία;
Πώς ονομάζεται? Εάν κάποια δύναμη λειτουργεί σε ένα σώμα και ως αποτέλεσμα της δράσης της το σώμα κινείται, τότε αυτό ονομάζεται μηχανικό έργο. Όταν προσεγγίζουμε από την άποψη της επιστημονικής φιλοσοφίας, μπορούν να επισημανθούν εδώ αρκετές πρόσθετες πτυχές, αλλά το άρθρο θα καλύψει το θέμα από την άποψη της φυσικής. Η μηχανική εργασία δεν είναι δύσκολη αν σκεφτείς προσεκτικά τις λέξεις που γράφονται εδώ. Αλλά η λέξη "μηχανικό" συνήθως δεν γράφεται και όλα συντομεύονται στη λέξη "εργασία". Αλλά δεν είναι κάθε δουλειά μηχανική. Εδώ είναι ένας άντρας που κάθεται και σκέφτεται. Λειτουργεί? Ψυχικά ναι! Είναι όμως αυτό μηχανικό έργο; Οχι. Τι γίνεται αν ένα άτομο περπατάει; Εάν ένα σώμα κινείται υπό την επίδραση δύναμης, τότε αυτό είναι μηχανικό έργο. Είναι απλό. Με άλλα λόγια, μια δύναμη που επενεργεί σε ένα σώμα λειτουργεί (μηχανικά). Και κάτι ακόμα: είναι έργο που μπορεί να χαρακτηρίσει το αποτέλεσμα της δράσης μιας συγκεκριμένης δύναμης. Έτσι, εάν ένα άτομο περπατά, τότε ορισμένες δυνάμεις (τριβή, βαρύτητα κ.λπ.) εκτελούν μηχανική εργασία στο άτομο και ως αποτέλεσμα της δράσης τους, το άτομο αλλάζει το σημείο του, με άλλα λόγια, μετακινείται.
Το έργο ως φυσικό μέγεθος είναι ίσο με τη δύναμη που ασκεί το σώμα, πολλαπλασιαζόμενη με τη διαδρομή που έχει κάνει το σώμα υπό την επίδραση αυτής της δύναμης και προς την κατεύθυνση που υποδεικνύεται από αυτήν. Μπορούμε να πούμε ότι η μηχανική εργασία γινόταν εάν πληρούνταν ταυτόχρονα 2 προϋποθέσεις: μια δύναμη ενεργούσε στο σώμα και αυτό κινήθηκε προς την κατεύθυνση της δράσης του. Αλλά δεν συνέβη ή δεν συμβαίνει εάν η δύναμη ενεργούσε και το σώμα δεν άλλαζε τη θέση του στο σύστημα συντεταγμένων. Ακολουθούν μικρά παραδείγματα όταν δεν εκτελούνται μηχανικές εργασίες:
- Έτσι, ένα άτομο μπορεί να ακουμπήσει σε έναν τεράστιο ογκόλιθο για να τον μετακινήσει, αλλά δεν υπάρχει αρκετή δύναμη. Η δύναμη επενεργεί στην πέτρα, αλλά δεν κινείται και δεν εμφανίζεται κανένα έργο.
- Το σώμα κινείται στο σύστημα συντεταγμένων και η δύναμη είναι ίση με μηδέν ή έχουν αντισταθμιστεί όλα. Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί ενώ κινείται με αδράνεια.
- Όταν η κατεύθυνση προς την οποία κινείται ένα σώμα είναι κάθετη στη δράση της δύναμης. Όταν το τρένο κινείται κατά μήκος οριζόντια γραμμή, τότε η βαρύτητα δεν κάνει τη δουλειά της.
Ανάλογα με ορισμένες συνθήκες, η μηχανική εργασία μπορεί να είναι αρνητική και θετική. Έτσι, εάν οι κατευθύνσεις τόσο των δυνάμεων όσο και των κινήσεων του σώματος είναι ίδιες, τότε εμφανίζεται θετική εργασία. Ένα παράδειγμα θετικής εργασίας είναι η επίδραση της βαρύτητας σε μια πτώση νερού. Αν όμως η δύναμη και η κατεύθυνση της κίνησης είναι αντίθετες, τότε εμφανίζεται αρνητικό μηχανικό έργο. Ένα παράδειγμα τέτοιας επιλογής είναι η άνοδος μπαλόνικαι η βαρύτητα, που κάνει αρνητική δράση. Όταν ένα σώμα υπόκειται στην επίδραση πολλών δυνάμεων, αυτό το έργο ονομάζεται «προκύπτον έργο δύναμης».
Χαρακτηριστικά πρακτικής εφαρμογής (κινητική ενέργεια)
Ας περάσουμε από τη θεωρία στο πρακτικό κομμάτι. Ξεχωριστά, θα πρέπει να μιλήσουμε για τη μηχανική εργασία και τη χρήση της στη φυσική. Όπως ίσως θυμούνται πολλοί, όλη η ενέργεια του σώματος χωρίζεται σε κινητική και δυναμική. Όταν ένα αντικείμενο βρίσκεται σε ισορροπία και δεν κινείται πουθενά, η δυναμική του ενέργεια ισούται με συνολική ενέργεια, και η κινητική ισούται με μηδέν. Όταν αρχίζει η κίνηση, η δυναμική ενέργεια αρχίζει να μειώνεται, η κινητική ενέργεια αρχίζει να αυξάνεται, αλλά συνολικά είναι ίσες με τη συνολική ενέργεια του αντικειμένου. Για ένα υλικό σημείο, η κινητική ενέργεια ορίζεται ως το έργο μιας δύναμης που επιταχύνει το σημείο από το μηδέν στην τιμή H, και στη μορφή του τύπου η κινητική ενός σώματος είναι ίση με ½*M*N, όπου M είναι μάζα. Για να μάθετε την κινητική ενέργεια ενός αντικειμένου που αποτελείται από πολλά σωματίδια, πρέπει να βρείτε το άθροισμα όλης της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων, και αυτή θα είναι η κινητική ενέργεια του σώματος.
Χαρακτηριστικά πρακτικής εφαρμογής (δυναμική ενέργεια)
Στην περίπτωση που όλες οι δυνάμεις που δρουν στο σώμα είναι συντηρητικές και η δυναμική ενέργεια είναι ίση με τη συνολική, τότε δεν γίνεται καμία εργασία. Αυτό το αξίωμα είναι γνωστό ως ο νόμος της διατήρησης της μηχανικής ενέργειας. Μηχανική ενέργεια σε κλειστό σύστημαείναι σταθερή στο χρονικό διάστημα. Ο νόμος διατήρησης χρησιμοποιείται ευρέως για την επίλυση προβλημάτων από την κλασική μηχανική.
Χαρακτηριστικά πρακτικής εφαρμογής (θερμοδυναμική)
Στη θερμοδυναμική, το έργο που εκτελείται από ένα αέριο κατά τη διαστολή υπολογίζεται από το ολοκλήρωμα της πίεσης επί του όγκου. Αυτή η προσέγγιση είναι εφαρμόσιμη όχι μόνο σε περιπτώσεις όπου υπάρχει ακριβής συνάρτηση όγκου, αλλά και σε όλες τις διεργασίες που μπορούν να εμφανιστούν στο επίπεδο πίεσης/όγκου. Επίσης, εφαρμόζει γνώσεις μηχανικής εργασίας όχι μόνο στα αέρια, αλλά σε οτιδήποτε μπορεί να ασκήσει πίεση.
Χαρακτηριστικά πρακτικής εφαρμογής στην πράξη (θεωρητική μηχανική)
ΣΕ θεωρητική μηχανικήΌλες οι ιδιότητες και οι τύποι που περιγράφονται παραπάνω εξετάζονται λεπτομερέστερα, ιδίως οι προβολές. Δίνει επίσης τον ορισμό του για διάφορους τύπους μηχανικής εργασίας (παράδειγμα ορισμού για το ολοκλήρωμα Rimmer): το όριο στο οποίο τείνει το άθροισμα όλων των δυνάμεων του στοιχειώδους έργου, όταν η λεπτότητα του διαμερίσματος τείνει στο μηδέν, ονομάζεται έργο δύναμης κατά μήκος της καμπύλης. Μάλλον δύσκολο; Αλλά τίποτα, όλα είναι καλά με τη θεωρητική μηχανική. Ναι, τελείωσαν όλες οι μηχανικές εργασίες, οι φυσικές και άλλες δυσκολίες. Στη συνέχεια θα υπάρχουν μόνο παραδείγματα και ένα συμπέρασμα.
Μονάδες μέτρησης μηχανολογικού έργου
Το SI χρησιμοποιεί joules για να μετρήσει την εργασία, ενώ το GHS χρησιμοποιεί ergs:
- 1 J = 1 kg m²/s² = 1 N m
- 1 erg = 1 g cm²/s² = 1 dyne cm
- 1 erg = 10 −7 J
Παραδείγματα μηχανικών εργασιών
Για να κατανοήσετε τελικά μια τέτοια έννοια όπως η μηχανική εργασία, θα πρέπει να μελετήσετε αρκετές μεμονωμένα παραδείγματα, που θα σας επιτρέψει να το εξετάσετε από πολλές, αλλά όχι όλες, πλευρές:
- Όταν ένα άτομο σηκώνει μια πέτρα με τα χέρια του, πραγματοποιείται μηχανική εργασία με τη βοήθεια της μυϊκής δύναμης των χεριών του.
- Όταν ένα τρένο ταξιδεύει κατά μήκος των σιδηροτροχιών, έλκεται από την ελκτική δύναμη του ελκυστήρα (ηλεκτρική ατμομηχανή, ατμομηχανή ντίζελ, κ.λπ.).
- Εάν πάρετε ένα όπλο και πυροβολήσετε από αυτό, τότε χάρη στη δύναμη πίεσης που δημιουργείται από τα αέρια σκόνης, θα γίνει δουλειά: η σφαίρα μετακινείται κατά μήκος της κάννης του όπλου ταυτόχρονα με την αύξηση της ταχύτητας της ίδιας της σφαίρας.
- Μηχανική εργασία υπάρχει επίσης όταν η δύναμη τριβής δρα σε ένα σώμα, αναγκάζοντάς το να μειώσει την ταχύτητα της κίνησής του.
- Το παραπάνω παράδειγμα με μπάλες, όταν ανεβαίνουν μέσα την αντίθετη πλευράσε σχέση με την κατεύθυνση της βαρύτητας, είναι επίσης ένα παράδειγμα μηχανικής εργασίας, αλλά εκτός από τη βαρύτητα, η δύναμη του Αρχιμήδη ενεργεί επίσης όταν οτιδήποτε είναι ελαφρύτερο από τον αέρα ανεβαίνει προς τα πάνω.
Τι είναι δύναμη;
Τέλος, θα ήθελα να θίξω το θέμα της εξουσίας. Το έργο που εκτελεί μια δύναμη σε μια μονάδα χρόνου ονομάζεται ισχύς. Στην πραγματικότητα, η ισχύς είναι ένα φυσικό μέγεθος που είναι μια αντανάκλαση του λόγου της εργασίας προς μια ορισμένη χρονική περίοδο κατά την οποία έγινε αυτή η εργασία: M=P/B, όπου το M είναι η ισχύς, το P είναι το έργο, το B είναι ο χρόνος. Η μονάδα ισχύος SI είναι 1 W. Ένα watt είναι ίσο με την ισχύ που κάνει ένα joule εργασίας σε ένα δευτερόλεπτο: 1 W=1J\1s.