Почему совершенная работа не равна полезной
На этом уроке узнаем, куда пропадает часть затраченной энергии при работе каких-либо механизмов, научимся решать задачи с использованием КПД и познакомимся с мерами по увеличению КПД разных механизмов.
Полезная и затраченная работа
На предыдущих занятиях при рассмотрении устройства и работы простейших механизмов мы не учитывали трение между деталями механизмов, вес механизмов – это идеализированные условия. На практике работа, совершаемая приложенной к телу силой, называется затраченной, она всегда больше работы, которая совершается по перемещению груза, поднятию груза или преодолению сопротивления, эта работа называется полезной (Рис. 1). Полезная работа меньше затраченной .
Рис. 1. Поднимая груз, мы поднимаем крепление, веревки, преодолеваем трение
Коэффициент полезного действия
Отношение полезной работы к затраченной работе, выраженной в процентах, называется коэффициентом полезного действия (КПД): .
КПД выражается в процентах, чтобы его рассчитать, необходимо знать работу полезную и работу затраченную. При этом золотое правило механики не нарушается, потому что часть работы необходимо затратить, например, на трение, и, если сложить эти расходы, получается затраченная работа.
Эксперимент
На наклонной плоскости перемещаем каретку с грузом, с помощью динамометра узнаем вес каретки с грузом, в нашем случае вес 3 Н (Рис. 2).
Рис. 2. Вес каретки с грузом
Далее будем стараться перемещать каретку по наклонной плоскости, заметим при этом показания динамометра, который покажет силу тяги, прикладываемую к каретке. При равномерном перемещении сила тяги равна 1,8 Н. Узнаем путь каретки, он составляет 0,38 м, высота на которую каретку подняли 0,18 м (Рис. 3).
Рис. 3. Поднятие каретки с грузом по наклонной плоскости
Рассчитываем полезную и затраченную работу. Мы подняли груз весом P на высоту h – это полезная работа: .
Сила тяги и путь пройденный кареткой – это затраченная работа: .
Определим КПД: .
Задача
Условие: с помощью неподвижного блока груз массой m = 100 кг, подняли на высоту h = 5 м. Необходимо посчитать затраченную работу , если КПД этой установки = 70% (Рис. 4).
Рис. 4. Работа силы тяжести при поднятии груза
Решение
В формулу расчета КПД запишем известные нам данные и преобразуем, разделив левую и правую часть на 100%.
Из этого выражения получим .
Чтобы рассчитать полезную работу, необходимо выяснить, что полезного совершалось в данной задаче. Груз массой 100 кг поднимали на высоту 5 м.
– ускорение свободного падения
Объединяем все полученные формулы вместе: .
Проверка единиц измерения: .
Ответ: приблизительное значение работы составляет 7143 Дж.
Заключение
Когда конструкторы создают различные механизмы, они стремятся увеличить КПД путём уменьшения трения между частями механизма (смазочные материалы, подбор материалов) или уменьшения веса механизма.
Список рекомендованной литературы
- Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.
- Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
- Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.
Рекомендованные ссылки ресурсы сети Интернет
Интернет-портал «» (Источник)
Домашнее задание
- На коротком плече рычага подвешен груз массой 100 кг. Для его подъема к длинному плечу приложили силу 250 Н, груз подняли на высоту 0,08 м, при этом точка приложения движущей силы опустилась на высоту 0,4 м. Найти КПД рычага.
- Ящик массой 54 кг с помощью подвижного блока подняли на некоторую высоту. К тросу блока была приложена сила, равная 360 Н. Определите коэффициент полезного действия подвижного блока.
- По наклонному настилу длиной 3 м рабочий вкатил в кузов бочку массой 55 кг. Определите КПД погрузки, если рабочий прилагал силу 330 Н, а высота кузова машины 1,5 м.
Источник
| ««« [ ] »»» | ||
| § 05-б. Коэффициент полезного действия | ||
Допустим, мы отдыхаем на даче, и нам нужно принести из колодца воды. Мы опускаем в него ведро, зачерпываем воду и начинаем поднимать. Не забыли, какова наша цель? Правильно: набрать воды. Но взгляните: мы поднимаем не только воду, но и само ведро, а также тяжёлую цепь, на которой оно висит. Это символизирует двухцветная стрелка: вес поднимаемого нами груза складывается из веса воды и веса ведра и цепи.
Рассматривая ситуацию качественно, мы скажем: наряду с полезной работой по подъёму воды мы совершаем и другую работу – подъём ведра и цепи. Разумеется, без цепи и ведра мы не смогли бы набрать воды, однако, с точки зрения конечной цели, их вес «вредит» нам. Если бы этот вес был бы меньше, то и полная совершённая работа тоже была бы меньше (при той же полезной). Теперь перейдём к количественному изучению этих работ и введём физическую величину, называемую коэффициентом полезного действия. Задача. Яблоки, отобранные для переработки, грузчик высыпает из корзин в грузовик. Масса пустой корзины 2 кг, а яблок в ней – 18 кг. Чему равна доля полезной работы грузчика от его полной работы? Решение. Полной работой является перемещение яблок в корзинах. Эта работа складывается из подъёма яблок и подъёма корзин. Важно: поднятие яблок – полезная работа, а поднятие корзин – «бесполезная», потому что цель работы грузчика – переместить только яблоки.
| ||
Введём обозначения: Fя – сила, с которой руки поднимают вверх только яблоки, а Fк – сила, с которой руки поднимают вверх только корзину. Каждая из этих сил равна соответствующей силе тяжести: F=mg. Пользуясь формулой A = ±( F||· l ) , «распишем» работы этих двух сил: Aполезн = +Fя · lя = mяg · h и Aбесполезн = +Fк · lк = mкg · h Полная работа складывается из двух работ, то есть равна их сумме: Aполн = Aполезн + Aбесполезн = mяg h + mкg h = ( mя + mк ) · g h В задаче нас просят вычислить долю полезной работы грузчика от его полной работы. Сделаем это, поделив полезную работу на полную:
В физике такие доли принято выражать в процентах и обозначать греческой буквой «η» (читается: «эта»). В итоге получим: η = 0,9 или η = 0,9 ·100% = 90% , что то же самое. Это число показывает, что из 100% полной работы грузчика доля его полезной работы составляет 90%. Задача решена. Физическая величина, равная отношению полезной работы к полной совершённой работе, в физике имеет собственное название – КПД – коэффициент полезного действия:
После вычисления КПД по этой формуле его принято умножать на 100%. И наоборот: для подстановки КПД в эту формулу его значение нужно перевести из процентов в десятичную дробь, поделив на 100%.
| ||||||||||||||||||||||||
Источник
1. Механическая работа ( A ) — физическая величина, равная произведению вектора силы, действующей на тело, и вектора его перемещения: ( A=vec{F}vec{S} ). Работа — скалярная величина, характеризуется числовым значением и единицей.
За единицу работы принимают 1 джоуль (1 Дж). Это такая работа, которую совершает сила 1 Н на пути 1 м.
[ [,A,]=[,F,][,S,]; [,A,]=1Нcdot1м=1Дж ]
2. Если сила, действующая на тело, составляет некоторый угол ( alpha ) с перемещением, то проекция силы ( F ) на ось X равна ( F_x ) (рис. 42).
Поскольку ( F_x=Fcdotcosalpha ), то ( A=FScosalpha ).
Таким образом, работа постоянной силы равна произведению модулей векторов силы и перемещения и косинуса угла между этими векторами.
3. Если сила ( F ) = 0 или перемещение ( S ) = 0, то механическая работа равна нулю ( A ) = 0. Работа равна нулю, если вектор силы перпендикулярен вектору перемещения, т.е. ( cos90^circ ) = 0. Так, нулю равна работа силы, сообщающей телу центростремительное ускорение при его равномерном движении по окружности, так как эта сила перпендикулярна направлению движения тела в любой точке траектории.
4. Работа силы можетбыть как положительной, так и отрицательной. Работа положительная ( A ) > 0, если угол 90° > ( alpha ) ≥ 0°; если угол 180° > ( alpha ) ≥ 90°, то работа отрицательная ( A ) < 0.
Если угол ( alpha ) = 0°, то ( cosalpha ) = 1, ( A=FS ). Если угол ( alpha ) = 180°, то ( cosalpha ) = -1, ( A=-FS ).
5. При свободном падении с высоты ( h ) тело массой ( m ) перемещается из положения 1 в положение 2 (рис. 43). При этом сила тяжести совершает работу, равную:
[ A=F_тh=mg(h_1-h_2)=mgh ]
При движении тела вертикально вниз сила и перемещение направлены в одну сторону, и сила тяжести совершает положительную работу.
Если тело поднимается вверх, то сила тяжести направлена вниз, а перемещение вверх, то сила тяжести совершает отрицательную работу, т.е.
[ A=-F_тh=-mg(h_1-h_2)=-mgh ]
6. Работу можно представить графически. На рисунке изображён график зависимости силы тяжести от высоты тела относительно поверхности Земли (рис. 44). Графически работа силы тяжести равна площади фигуры (прямоугольника), ограниченного графиком, координатными осями и перпендикуляром, восставленным к оси абсцисс
в точке ( h ).
Графиком зависимости силы упругости от удлинения пружины является прямая, проходящая через начало координат (рис. 45). По аналогии с работой силы тяжести работа силы упругости равна площади треугольника, ограниченного графиком, координатными осями и перпендикуляром, восставленным к оси абсцисс в точке ( x ).
( A=Fx/2=kxcdot x/2 ).
[ F=kx^2/2 ]
7. Работа силы тяжести не зависит от формы траектории, по которой перемещается тело; она зависит от начального и конечного положений тела. Пусть тело сначала перемещается из точки А в точку В по траектории АВ (рис. 46). Работа силы тяжести в этом случае
[ A_{AB}=mgh ]
Пусть теперь тело движется из точки А в точку В сначала вдоль наклонной плоскости АС, затем вдоль основания наклонной плоскости ВС. Работа силы тяжести при перемещении по ВС равна нулю. Работа силы тяжести при перемещении по АС равна произведению проекции силы тяжести на наклонную плоскость ( mgsinalpha ) и длины наклонной плоскости, т.е. ( A_{AC}=mgsinalphacdot l ). Произведение ( lcdotsinalpha=h ). Тогда ( A_{AC}=mgh ). Работа силы тяжести при перемещении тела по двум различным траекториям не зависит от формы траектории, а зависит от начального и конечного положений тела.
Работа силы упругости также не зависит от формы траектории.
Предположим, что тело перемещается из точки А в точку В по траектории АСВ, а затем из точки В в точку А по траектории ВА. При движении по траектории АСВ сила тяжести совершает положительную работу, при движении по траектории В А работа силы тяжести отрицательна, равная по модулю работе при движении по траектории АСВ. Следовательно работа силы тяжести по замкнутой траектории равна нулю. То же относится и к работе силы упругости.
Силы, работа которых не зависит от формы траектории и по замкнутой траектории равна нулю, называют консервативными. К консервативным силам относятся сила тяжести и сила упругости.
8. Силы, работа которых зависит от формы пути, называют неконсервативными. Неконсервативной является сила трения. Если тело перемещается из точки А в точку В (рис. 47) сначала по прямой, а затем по ломаной линии АСВ, то в первом случае работа силы трения ( A_{AB}=-Fl_{AB} ), а во втором ( A_{ABC}=A_{AC}+A_{CB} ), ( A_{ABC}=-Fl_{AC}-Fl_{CB} ).
Следовательно, работа ( A_{AB} ) не равна работе ( A_{ABC} ).
9. Мощностью называется физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, за который она совершена. Мощность характеризует быстроту совершения работы.
Мощность обозначается буквой ( N ).
[ N = A/t ]
Единица мощности: ( [N]=[A]/[t] ). ( [N] ) = 1 Дж/1 с = 1 Дж/с. Эта единица называется ватт (Вт). Один ватт — такая мощность, при которой работа 1 Дж совершается за 1 с.
10. Мощность, развиваемая двигателем, равна: ( N = A/t ), ( A=Fcdot S ), откуда ( N=FS/t ). Отношение перемещения ко времени представляет собой скорость движения: ( S/t = v ). Откуда ( N = Fv ).
Из полученной формулы видно, что при постоянной силе сопротивления скорость движения прямо пропорциональна мощности двигателя.
В различных машинах и механизмах происходит преобразование механической энергии. За счёт энергии при её преобразовании совершается работа. При этом на совершение полезной работы расходуется только часть энергии. Некоторая часть энергии тратится на совершение работы против сил трения. Таким образом, любая машина характеризуется величиной, показывающей, какая часть передаваемой ей энергии используется полезно. Эта величина называется коэффициентом полезного действия (КПД).
Коэффициентом полезного действия называют величину, равную отношению полезной работы ( (A_п) ) ко всей совершённой работе ( (A_с) ): ( eta=A_п/A_с ). Выражают КПД в процентах.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. Работа определяется по формуле
1) ( A=Fv )
2) ( A=N/t )
3) ( A=mv )
4) ( A=FS )
2. Груз равномерно поднимают вертикально вверх за привязанную к нему верёвку. Работа силы тяжести в этом случае
1) равна нулю
2) положительная
3) отрицательная
4) больше работы силы упругости
3. Ящик тянут за привязанную к нему верёвку, составляющую угол 60° с горизонтом, прикладывая силу 30 Н. Какова работа этой силы, если модуль перемещения равен 10 м?
1) 300 Дж
2) 150 Дж
3) 3 Дж
4) 1,5 Дж
4. Искусственный спутник Земли, масса которого равна ( m ), равномерно движется по круговой орбите радиусом ( R ). Работа, совершаемая силой тяжести за время, равное периоду обращения, равна
1) ( mgR )
2) ( pi mgR )
3) ( 2pi mgR )
4) ( 0 )
5. Автомобиль массой 1,2 т проехал 800 м по горизонтальной дороге. Какая работа была совершена при этом силой трения, если коэффициент трения 0,1?
1) -960 кДж
2) -96 кДж
3) 960 кДж
4) 96 кДж
6. Пружину жёсткостью 200 Н/м растянули на 5 см. Какую работу совершит сила упругости при возвращении пружины в состояние равновесия?
1) 0,25 Дж
2) 5 Дж
3) 250 Дж
4) 500 Дж
7. Шарики одинаковой массы скатываются с горки по трём разным желобам, как показано на рисунке. В каком случае работа силы тяжести будет наибольшей?
1) 1
2) 2
3) 3
4) работа во всех случаях одинакова
8. Работа по замкнутой траектории равна нулю
А. Силы трения
Б. Силы упругости
Верным является ответ
1) и А, и Б
2) только А
3) только Б
4) ни А, ни Б
9. Единицей мощности в СИ является
1) Дж
2) Вт
3) Дж·с
4) Н·м
10. Чему равна полезная работа, если совершённая работа составляет 1000 Дж, а КПД двигателя 40 %?
1) 40000 Дж
2) 1000 Дж
3) 400 Дж
4) 25 Дж
11. Установите соответствие между работой силы (в левом столбце таблицы) и знаком работы (в правом столбце таблицы). В ответе запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.
РАБОТА СИЛЫ
A. Работа силы упругости при растяжении пружины
Б. Работа силы трения
B. Работа силы тяжести при падении тела
ЗНАК РАБОТЫ
1) положительная
2) отрицательная
3) равна нулю
12. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Работа силы тяжести не зависит от формы траектории.
2) Работа совершается при любом перемещении тела.
3) Работа силы трения скольжения всегда отрицательна.
4) Работа силы упругости по замкнутому контуру не равна нулю.
5) Работа силы трения не зависит от формы траектории.
Часть 2
13. Лебёдка равномерно поднимает груз массой 300 кг на высоту 3 м за 10 с. Какова мощность лебёдки?
Ответы
Механическая работа. Мощность
Оценка
Источник
Автор Даниил Леонидович На чтение 7 мин. Просмотров 13.9k. Опубликовано 18 ноября
Что такое КПД
Коэффициент полезного действия машины или механизма – это важная величина, характеризующая энергоэффективность данного устройства. Понятие используется и в повседневной жизни. Например, когда человек говорит, что КПД его усилий низкий, это значит, что сил затрачено много, а результата почти нет. Величина измеряет отношение полезной работы ко всей совершенной работе.
Согласно формуле, чтобы найти величину, нужно полезную работу разделить на всю совершенную работу. Или полезную энергию разделить на всю израсходованную энергию. Этот коэффициент всегда меньше единицы. Работа и энергия измеряется в Джоулях. Поделив Джоули на Джоули, получаем безразмерную величину. КПД иногда называют энергоэффективностью устройства.
Если попытаться объяснить простым языком, то представим, что мы кипятим чайник на плите. При сгорании газа образуется определенное количество теплоты. Часть этой теплоты нагревает саму горелку, плиту и окружающее пространство. Остальная часть идет на нагревание чайника и воды в нем. Чтобы рассчитать энергоэффективность данной плитки, нужно будет разделить количество тепла, требуемое для нагрева воды до температуры кипения на количество тепла, выделившееся при горении газа.
Данная величина всегда ниже единицы. Например, для любой атомной электростанции она не превышает 35%. Причиной является то, что электростанция представляет собой паровую машину, где нагретый за счет ядерной реакции пар вращает турбину. Большая часть энергии идет на нагрев окружающего пространства. Тот факт, что η не может быть равен 100%, следует из второго начала термодинамики.
Примеры расчета КПД
Пример 1. Нужно рассчитать коэффициент для классического камина. Дано: удельная теплота сгорания березовых дров – 107Дж/кг, количество дров – 8 кг. После сгорания дров температура в комнате повысилась на 20 градусов. Удельная теплоемкость кубометра воздуха – 1,3 кДж/ кг*град. Общая кубатура комнаты – 75 кубометров.
Чтобы решить задачу, нужно найти частное или отношение двух величин. В числителе будет количество теплоты, которое получил воздух в комнате (1300Дж*75*20=1950 кДж ). В знаменателе – количество теплоты, выделенное дровами при горении (10000000Дж*8 =8*107 кДж). После подсчетов получаем, что энергоэффективность дровяного камина – около 2,5%. Действительно, современная теория об устройстве печей и каминов говорит, что классическая конструкция не является энергоэффективной. Это связано с тем, что труба напрямую выводит горячий воздух в атмосферу. Для повышения эффективности устраивают дымоход с каналами, где воздух сначала отдает тепло кладке каналов, и лишь потом выходит наружу. Но справедливости ради, нужно отметить, что в процессе горения камина нагревается не только воздух, но и предметы в комнате, а часть тепла выходит наружу через элементы, плохо теплоизолированные – окна, двери и т.д.
Пример 2. Автомобиль проделал путь 100 км. Вес машины с пассажирами и багажом – 1400 кг. При этом было затрачено14 литров бензина. Найти: КПД двигателя.
Для решения задачи необходимо отношение работы по перемещению груза к количеству тепла, выделившемуся при сгорании топлива. Количество тепла также измеряется в Джоулях, поэтому не придется приводить к другим единицам. A будет равна произведению силы на путь( A=F*S=m*g*S). Сила равна произведению массы на ускорение свободного падения. Полезная работа = 1400 кг x 9,8м/с2 x 100000м=1,37*108 Дж
Удельная теплота сгорания бензина – 46 МДж/кг=46000 кДж/кг. Восемь литров бензина будем считать примерно равными 8 кг. Тепла выделилось 46*106*14=6.44*108 Дж. В результате получаем η ≈21%.
Единицы измерения
Коэффициент полезного действия – величина безразмерная, то есть не нужно ставить какую-либо единицу измерения. Но эту величину можно выразить и в процентах. Для этого полученное в результате деления по формуле число необходимо умножить на 100%. В школьном курсе математики рассказывали, что процент – этот одна сотая чего-либо. Умножая на 100 процентов, мы показываем, сколько в числе сотых.
От чего зависит величина КПД
Эта величина зависит от того, насколько общая совершенная работа может переходить в полезную. Прежде всего, это зависит от самого устройства механизма или машины. Инженеры всего мира бьются над тем, чтобы повышать КПД машин. Например, для электромобилей коэффициент очень высок – больше 90%.
А вот двигатель внутреннего сгорания, в силу своего устройства, не может иметь η, близкий к 100 процентам. Ведь энергия топлива не действует непосредственно на вращающиеся колеса. Энергия рассеивается на каждом передаточном звене. Слишком много передаточных звеньев, и часть выхлопных газов все равно выходит в выхлопную трубу.
Как обозначается
В русских учебниках обозначается двояко. Либо так и пишется – КПД, либо обозначается греческой буквой η. Эти обозначения равнозначны.
Символ, обозначающий КПД
Символом является греческая буква эта η. Но чаще все же используют выражение КПД.
Мощность и КПД
Мощность механизма или устройства равна работе, совершаемой в единицу времени. Работа(A) измеряется в Джоулях, а время в системе Си – в секундах. Но не стоит путать понятие мощности и номинальной мощности. Если на чайнике написана мощность 1 700 Ватт, это не значит, что он передаст 1 700 Джоулей за одну секунду воде, налитой в него. Это мощность номинальная. Чтобы узнать η электрочайника, нужно узнать количество теплоты(Q), которое должно получить определенное количество воды при нагреве на энное количество градусов. Эту цифру делят на работу электрического тока, выполненную за время нагревания воды.
Величина A будет равна номинальной мощности, умноженной на время в секундах. Q будет равно объему воды, умноженному на разницу температур на удельную теплоемкость. Потом делим Q на A тока и получаем КПД электрочайника, примерно равное 80 процентам. Прогресс не стоит на месте, и КПД различных устройств повышается, в том числе бытовой техники.
Напрашивается вопрос, почему через мощность нельзя узнать КПД устройства. На упаковке с оборудованием всегда указана номинальная мощность. Она показывает, сколько энергии потребляет устройство из сети. Но в каждом конкретном случае невозможно будет предсказать, сколько конкретно потребуется энергии для нагрева даже одного литра воды.
Например, в холодной комнате часть энергии потратится на обогрев пространства. Это связано с тем, что в результате теплообмена чайник будет охлаждаться. Если, наоборот, в комнате будет жарко, чайник закипит быстрее. То есть КПД в каждом из этих случаев будет разным.
Формула работы в физике
Для механической работы формула несложна: A = F x S. Если расшифровать, она равна приложенной силе на путь, на протяжении которого эта сила действовала. Например, мы поднимаем груз массой 15 кг на высоту 2 метра. Механическая работа по преодолению силы тяжести будет равна F x S = m x g x S. То есть, 15 x 9,8 x 2 = 294 Дж. Если речь идет о количестве теплоты, то A в этом случае равняется изменению количества теплоты. Например, на плите нагрели воду. Ее внутренняя энергия изменилась, она увеличилась на величину, равную произведению массы воды на удельную теплоемкость на количество градусов, на которое она нагрелась.
Это интересно
Наукой обосновано, что коэффициент полезного действия любого механизма всегда меньше единицы. Это связано со вторым началом термодинамики.
Для сравнения, коэффициенты полезного действия различных устройств:
- гидроэлектростанций 93-95%;
- АЭС – не более 35%;
- тепловых электростанций – 25-40%;
- бензинового двигателя – около 20%;
- дизельного двигателя – около 40%;
- электрочайника – более 95%;
- электромобиля – 88-95%.
Наука и инженерная мысль не стоит на месте. постоянно изобретаются способы, как уменьшить теплопотери, снизить трение между частями агрегата, повысить энергоэффективность техники.
Источник