Механіка: робота, потужність та енергія
Робота (фізична робота, механічна робота)
З фізичної точки зору ми робимо роботу (W) якщо ми діємо на тіло силою, що викликає його рух. Робота - це фізична величина із позначкою W (з англійської роботи) та одиниця виміру, рівна теплу, тобто джоулі (J, читати "jaul"). Робота розраховується як добуток сили, що діє на тіло в напрямку руху та шляху, який воно проходить. Тому формула розрахунку роботи така w = F • s, отже, робота 1J виникає, коли по шляху 1 м прикладено силу 1N (J = N • m). З формули ми можемо отримати формули для обчислення шляху (s = w/F) та сили (F = w/s). Сила, перпендикулярна напрямку руху (або сила, яка не спричиняє руху), не спрацьовує (тобто, коли ми тримаємо предмет і не рухаємося разом з ним, ми фізично не виконуємо роботу, навіть якщо намагаємось тримай це). Якщо сила розподілена (тобто напрямок руху тварини з силою деякого кута), робота виконується лише за складовою її руху. Якщо діє сила проти руху (прикладом такої сили є сила тертя), ми повинні витратити більше сили, а отже, і більше роботи, щоб рухати тіло. Тож ми говоримо, що сила діє проти руху споживає роботу.
1.) Яку роботу зробить хлопчик вагою 52 кг, який має на спині рюкзак вагою 1,5 кг, коли рівним рухом по вертикальній драбині піднімається на висоту 10 м.?
2.) Кран піднімає вантаж рівномірним рухом на висоту 20 м, витрачаючи при цьому роботу 115 кДж. Яка вага вантажу?
Робота на похилій площині та на шківі
| Нерухомий шків (зображення зліва) являє собою просту машину, що складається з нерухомого колеса, що обертається навколо власної осі, яке має окружну канавку, в якій рухається мотузка, обидва кінці якої спрямовані вниз. На одному з них є навантаження, а ми тягнемо інший кінець. Він не шкодує роботи, це не змінює шляху або необхідної сили. Він просто змінюється напрямку діючої сили, оскільки вона тягне нас вниз краще, ніж вгору. | |
| Вільний шків (малюнок ліворуч) - це проста підставка, що складається з колеса, закріпленого на вантажі, який має канавку по колу, в якій рухається мотузка, обидва кінці якої спрямовані вгору, один кінець міцно тримається вгору. Такий простий вільний шків зменшує потужність необхідний для підйому вантажу наполовину. Однак не вільний шків не економить роботи, адже, хоча вона подвоює необхідну силу, траєкторію вдвічі. |
З вільним шківом ми маємо таку проблему, що нам доводиться підтягуватися, тоді як для нас було б краще тягнути вниз. Тому ми зазвичай використовуємо комбінацію нерухомого та вільного шківа - підйомник. На малюнку зліва показано простий підйомник. Однак підйомник або вільний шків не повинні бути такими простими. Вони також можуть складатися з декількох шківів. Чим більше вільних шківів містить складений шків, тим більше він зменшує необхідну силу і збільшує хід (два вільних шківи зменшують силу на третину і потроюють хід, три зменшують силу на чверть і збільшують хід в чотири рази). На зображенні праворуч зображений підйомник, який складається з трьох вільних шківів (таким чином зменшуючи силу до чверті і збільшуючи шлях в чотири рази) та одного нерухомого шківа (хоча шків праворуч угорі може виглядати нерухомим, насправді він вільний).
3.) Нам потрібно дістати тіло вагою 25 кг на висоту 7 м. Яку силу ми маємо докласти, якщо котимо її рівномірним рухом і використовуємо похилу площину з нахилом 30%? (Примітка: нахил 30% означає, що на кожні 100 м довжини в горизонтальному напрямку ми долаємо підйом на 30 м.)
1 кран піднімає вантаж за 5 секунд, а інший - за 10 секунд. Хто з них виконає більше роботи? Ні вони, вони обидва виконують однакову роботу. Але перший має більше влади, оскільки виконує ту саму роботу за менший час.
Потужність (P) - це фізична величина, яка вказує обсяг виконаної роботи з часом. Її бренд P (з англійської "power") та одиниця Вт (W). Ми обчислюємо це діленням роботи на час, за який вона була виконана. Таким чином, формула для розрахунку потужності така Р = Вт/т, отже, потужність 1 Вт відповідає роботі в 1 джоуль, виконаній за одну секунду (Вт = Дж/с).
4.) Велосипедист піднімається на пагорб з постійною швидкістю. Довжина кривошипа педалі становить 25 сантиметрів, один оборот педалі триває 2 секунди, середнє зусилля на педалі - 150Н. Визначте середню працездатність велосипедиста.
5.) Стрічковий конвеєр потужністю 15 кВт піднімає цукровий буряк на висоту 2 м. Яка вага цукрового буряка, завантаженого за 5 хвилин?
Коли ми вставляємо стрілу в лук, тоді ми натягуємо її струну (ми намагаємось це зробити - виконуємо роботу) і відпускаємо, таким чином струна повертається у вихідне положення, а стріла стріляє. Розтягнувши струну (виконуючи роботу), ми зробили так, щоб струна могла виконувати роботу (стріляти) після звільнення. Іншими словами - розтягуванням ми додали енергії струні ("збережена" робота).
Енергія (Е) - це здатність тіла (або системи) виконувати роботу, тобто своєрідну «накопичену» роботу. Тіло (система) отримує енергію, виконуючи роботу. Тому її значення дорівнює роботі, яку здатне тіло робити, але ще не зробив. це процес, енергія - це стан, це фізична величина з позначкою Е і та сама одиниця, що і робота - Джоуль (J). Енергія може зберігатися в організмі (системі) у різних формах. Відповідно, ми розрізняємо механічну, акустичну, променисту, теплову, хімічну, ядерну, електричну та магнітну енергію.
Механічна енергія (позиційна та кінетична)
Механічна енергія ми можемо розділити його на два типи: позиційний (потенціал) енергія (Еп) а локомоторний (кінетичний) енергія (Я).
Позиційна енергія це залежить від положення тіла і дорівнює роботі, яка була витрачена при зміні положення тіла і яку тіло може виконати, повернувшись у початкове положення. За силою, яка споживає роботу, ми розрізняємо потенційну гравітацію, пружність, магнітну, електричну енергію.
Позиційна енергія сила тяжіння обчислюємо як добуток сили тяжіння, що діє на тіло, і висоти тіла над основою - нульовий рівень (Ep = FG • h = m • g • h). Це відносно, залежно від того, де ми визначаємо нульовий рівень (наприклад, книга вагою близько 500 г, розташована на висоті 1 м над столом, що має висоту 80 см, має позиційну енергію приблизно 5 Дж щодо стільниці і близько 9 Дж відносно земної поверхні). Енергія положення також може бути від’ємною (наприклад, енергія положення ковша в свердловині відносно земної поверхні).
Позиційна енергія гнучкість вони мають деформовані пружні тіла. Повернувшись до початкової форми, вони виконують ту саму роботу, яка потрібна для їх деформації.
Енергія руху це енергія, яку мають рухомі тіла. Це залежить від ваги та швидкості (коли я кину тобі щось, чим більший удар ти відчуєш, тим важче буде тіло і вища швидкість буде). Його значення дорівнює роботі, яку потрібно виконати, щоб привести об'єкт у спокій у рівномірний рух із заданою швидкістю. Виходячи з цього, ми можемо вивести формулу для розрахунку кінетичної енергії: формула роботи F • s. Для сили підставляємо формулу для її розрахунку за 2-м законом руху Ньютона (F = m • a), а для шляху формулу для розрахунку шляху рівноприскореного руху з нульовою початковою швидкістю (s = 1/2 • а • т 2). Отже, отримуємо формулу m • a • 1/2 • a • t 2, яку ми пристосовуємо до форми 1/2 • m • (a • t) 2. Для прискорення ми можемо підставити формулу для його розрахунку (a = Δv/t), в якій ми можемо замінити зміну швидкості швидкістю, оскільки початкова швидкість дорівнює нулю. Отже, отримуємо формулу Ek = 1/2 • m • (v/t • t) 2, в якій, однак, наш час скорочується і лише Ек = 1/2 • м • v 2 .
Позиційна та кінетична енергії змінюються один з одним. Наприклад, падаюче тіло має максимальну позиційну енергію на початку падіння, яка поступово, падаючи, перетворюється на кінетичну енергію. При ударі він має максимальну кінетичну енергію та нульову позиційну енергію (насправді, він не працює ідеально таким чином, оскільки енергія також втрачається - наприклад, завдяки опору повітря вона перетворюється на теплову енергію). Таким чином, енергія також трансформується під час ходьби, ковзання та перекочування вниз у долину і навпаки, стрибків на батуті та у багатьох інших ситуаціях. Закон збереження енергії говорить, що енергія не може бути вироблена або знищена, вона лише змінює свої форми.
6.) Яка потенційна енергія 5 м 3 води з дамби, яка падає на 50 метрів при спуску та русі турбіни?
Енергія в природі
Майже вся енергія на Землі та в нашому тілі надходить від сонця. Сонце в певних місцях нагріває повітря, тиск змінюється, тому атмосфера ніколи не знаходиться в рівновазі, але вона намагається потрапити в неї, тепле повітря піднімається і падає холодне. В результаті всього цього створюється вітер - повітря, що рухається з кінетичною енергією, яку ми використовуємо, наприклад, для виробництва електроенергії на вітрових електростанціях. Сонце нагріває водну поверхню, змушуючи воду випаровуватися, потім водяна пара піднімається, охолоджується в атмосфері і падає у вигляді дощу, снігу або граду. Дощ наповнений струмками та річками, які мають кинетичну енергію під час течії. У дамбах ми перетворюємо його в позиційний, а потім (при відведенні від стіни дамби) знову в рухому, а потім в електричну. Сонячну енергію використовують також рослини, які за допомогою фотосинтезу перетворюють її в хімічну енергію. Тварини і люди, коли рослини їдять, використовують його і перетворюють у тепло і рух, частина з яких вони зберігають в організмі у вигляді хімічної енергії. Вугілля, нафта та природний газ містять в собі багато хімічної енергії, яка також надходить від сонця. Вони виникли із залишків рослин і тварин (тварини отримували хімічну енергію з рослин або інших тварин і рослин шляхом фотосинтезу від сонця).
Енергія корисна для людини, але вона може бути і небезпечною. Через енергію в нашій країні вивергаються вулкани, землетруси утворюють цунамі. Недбале маніпулювання енергією небезпечно (адже яка катастрофа сталася на Чорнобильській АЕС). Люди також зловживають енергією (зброєю, бомбами тощо). Ми також повинні бути обережними, витрачаючи енергію. Ми можемо пропустити викопне паливо дуже швидко. Їх використання також спричиняє забруднення повітря та глобальне потепління. Жоден спосіб виробництва електроенергії не є повністю екологічним. Наприклад, гідроелектростанції шкідливі для риб, вітри для птахів, а сонячні електростанції займають землю, де рослини можуть рости. Найкращий спосіб використовувати будь-яку енергію екологічно безпечно - не витрачати її даремно.
Трохи різні одиниці
Можливо, ви помітили, що електрична енергія (і електричні роботи) на ваших лічильниках вимірюється не в джоулях, а в інших одиницях виміру - кіловат-годин (кВт-год). Що таке перетворення джоуля в кіловат-годину і навпаки? Оскільки ми обчислюємо роботу, помноживши потужність на час, один джоуль насправді буде однією ватсекундою. Ми перетворюємо W у кВт, ділячи 1000 і секунди на годину, ділячи 3600 (60 • 60). Отже, ми перетворюємо J у кВт-год, ділячи 3600000 (1000 • 3600). Навпаки, ми помножимо кіловат-годину на джоулі. Тому: кВт-год = 3600000 • Дж a J = 1/3600000 • кВт-год. Ми також можемо це пам’ятати кВт-год = 3,6 • МДж a МДж = 1/3,6 • кВт-год.
Ми також можемо визначити ефективність в інших одиницях, крім системних одиниць SI. У автомобілях потужність все ще подається не у ватах, а в іншій одиниці (яку, до речі, винайшов Джеймс Ватт) - кінь (відповідно. кінська сила). Цей пристрій має різні марки: словацьку k, старший шт або KS; Англійська (але також використовується в інших країнах, а іноді і в Словаччині) HP або к.с. (від кінських сил), французький ch (від cheval-vapeur), німецький PS (від Pferdestärke). Подібно до того, як одиниця має різні марки, вона також має різні значення (які змінювались протягом історії). Сьогодні найчастіше використовуються два значення: Одне - це метрична (континентальний, європейський) кінь (735,5 Вт, точніше 735,49875 Вт), що використовується в континентальній Європі, Азії та Південній Америці. Другий - це механічні (Англійська, американська, імперська) кінь (745,7 Дж, точніше 745,69987158227022J), що використовується в англомовних країнах та колишніх британських колоніях.
Енергоспоживання та ефективність
Машини не можуть використовувати всю енергію (всю потужність), яку ми їм постачаємо, оскільки частина енергії втрачається. Викликається доставлена потужність (енергія, що надходить протягом певного періоду) введення (P '). Це фізична величина з позначкою P ' і одиниця, рівна потужності, Вт (W). Чим менша різниця між введеною та вихідною потужністю даного пристрою, тим краще. Існує також фізична величина ефективність, ознакою якого є грецька буква η (ета). Ця кількість становить безрозмірний, що означає, що не має одиниці. Ми обчислюємо це так, що розділити владу на владу. Зазвичай ми виражаємо це у відсотках. Жоден пристрій не має коефіцієнта корисної дії, який досягає 100%, оскільки завжди є деяка втрачена енергія.
1.) Призначення: Якою роботою займеться хлопчик із вагою 52 кг, який має на спині рюкзак вагою 1,5 кг, коли рівним рухом по вертикальній драбині піднімається на висоту 10 м.?
Реєстрація:
- Гравітаційне прискорення (g). 9,81N • кг -1
- Вага хлопчика (м1). 52 кг
- Вага рюкзака (м2). 1,5 кг
- Висота підйому (год). 10м
- Подолання сили тяжіння (FG).
- Виконана робота (Вт).
Розрахунок:
Відповідь: Хлопчик виконає роботу 5 248 кДж.
2.) Призначення: Кран піднімає вантаж рівномірним рухом на висоту 20 м, витрачаючи при цьому роботу 115 кДж. Яка вага вантажу?
Реєстрація:
- Гравітаційне прискорення (g). 9,81N • кг -1
- Кран-робота (Ш). 115 кДж = 115000 Дж
- Висота (год). 20м
- Подолання сили тяжіння (FG).
- Вага вантажу (м).
Розрахунок:
Відповідь: Вантаж важить 586,14 кг.
3.) Призначення: Нам потрібно отримати тіло вагою 25 кг на висоту 7 м. Яку силу ми маємо докласти, якщо котимо її рівномірним рухом і використовуємо похилу площину з нахилом 30%? (Примітка: нахил 30% означає, що на кожні 100 м довжини в горизонтальному напрямку ми долаємо підйом на 30 м.)
Реєстрація:
- Гравітаційне прискорення (g). 9,81N • кг -1
- Висота (год). 7м
- Вага тіла (м). 25 кг
- Необхідне зусилля без похилої площини (F1 = FG).
- Потрібна робота (Вт).
- Нахил. 30%
- Довжина похилої площини.
- Необхідна сила (F).
Розрахунок:
Спочатку розраховуємо необхідну роботу:
Потім обчислюємо довжину похилої площини, тобто. шлях, яким проходить тіло (Ми знаємо, що нахил становить 30%, тому ми використовуємо триплет, щоб підрахувати, яким він буде на 7 м. Потім, використовуючи теорему Піфагора, довжину похилої площини):
s = √ ((23,3333м) 2 + (7м) 2) ≈24,3607
Потім ділимо роботу на доріжку, щоб знайти необхідну міцність:
Відповідь: Ми повинні прикласти силу 70,47 Н.
4.) Призначення: Велосипедист піднімається на пагорб з постійною швидкістю. Довжина кривошипа педалі становить 25 сантиметрів, один оборот педалі триває 2 секунди, середнє зусилля на педалі - 150Н. Визначте середню продуктивність велосипедиста, округлену до найближчих Вт.
Реєстрація:
- Сила педалі (F). 150Н
- Довжина кривошипа педалі (r). 25см = 0,25м
- Доріжки.
- Тривалість обертання (т). 2с
- Середня потужність (P).
Розрахунок:
Спочатку обчислюємо пройдену відстань. Ми знаємо, що велосипедист обертає педалі, тому доріжка має форму кола, радіус якого - кривошип педалі.
Потім обчислюємо працездатність велосипедиста:
Відповідь: Середня потужність велосипедиста - 118 Вт.
5 . ) Призначення: Стрічковий конвеєр потужністю 15 кВт піднімає цукровий буряк на висоту 2 м. Яка вага цукрового буряка, завантаженого за 5 хвилин? Виразіть результат, округлений до точної тони.
Реєстрація:
Гравітаційне прискорення (g). 9,81N • кг -1
Потужність конвеєра (P). 15 кВт = 15000 Вт
Вага буряка (м).
Розрахунок:
Відповідь: Вага цукрового буряка, завантаженого за 5 хвилин, становить 229 тонн.
6.) Призначення: Яка потенційна енергія 5 м 3 води з дамби, яка падає на 50 метрів при спуску та русі турбіни? Щільність води 1000кг • м -3 .
Реєстрація:
- Гравітаційне прискорення (g). 9,81N • кг -1
- Висота (год). 50м
- Об'єм води (V). 50м 3
- Щільність (ρ). 1000 кг • м -3
- Потенційна енергія (Ep).
Розрахунок:
Відповідь: Потенційна енергія води з дамби становить 24,525 МДж.
(Ви можете повернутися до прикладів, натиснувши номер прикладу.)
- Бунтівна школа вдома - Фізика - Електричний струм, напруга та опір
- SPŠT Бардейов; Сторінка 15; Середня технічна промислова школа в м. Бардейов
- SPŠT Бардейов; Сторінка 23; Середня технічна промислова школа в м. Бардейов
- SPŠT Бардейов; Сторінка 51; Середня технічна промислова школа в м. Бардейов
- Шаурма вдома - рецепт