Πώς υποδεικνύεται το έργο της δύναμης; Μηχανολογικές εργασίες

Μηχανολογικές εργασίες. Μονάδες εργασίας.

Στην καθημερινή ζωή καταλαβαίνουμε τα πάντα με την έννοια της «εργασίας».

Στη φυσική, η έννοια Δουλειάκάπως διαφορετικό. Είναι ένα καθορισμένο φυσικό μέγεθος, που σημαίνει ότι μπορεί να μετρηθεί. Στη φυσική μελετάται κυρίως μηχανική εργασία .

Ας δούμε παραδείγματα μηχανικής εργασίας.

Το τρένο κινείται υπό την ελκτική δύναμη μιας ηλεκτρικής ατμομηχανής και εκτελείται μηχανική εργασία. Όταν εκτοξεύεται ένα όπλο, η δύναμη πίεσης των αερίων σκόνης λειτουργεί - μετακινεί τη σφαίρα κατά μήκος της κάννης και η ταχύτητα της σφαίρας αυξάνεται.

Από αυτά τα παραδείγματα είναι σαφές ότι η μηχανική εργασία εκτελείται όταν ένα σώμα κινείται υπό την επίδραση δύναμης. Η μηχανική εργασία εκτελείται επίσης στην περίπτωση που μια δύναμη που ασκεί ένα σώμα (για παράδειγμα, δύναμη τριβής) μειώνει την ταχύτητα της κίνησής του.

Θέλοντας να μετακινήσουμε το ντουλάπι, το πιέζουμε δυνατά, αλλά αν δεν κουνηθεί, τότε δεν κάνουμε μηχανικές εργασίες. Μπορεί κανείς να φανταστεί μια περίπτωση όταν ένα σώμα κινείται χωρίς τη συμμετοχή δυνάμεων (με αδράνεια)· σε αυτή την περίπτωση, δεν εκτελείται επίσης μηχανική εργασία.

Ετσι, μηχανική εργασία γίνεται μόνο όταν ασκείται δύναμη σε ένα σώμα και αυτό κινείται .

Δεν είναι δύσκολο να καταλάβουμε ότι όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη που ασκείται στο σώμα και όσο μεγαλύτερη είναι η διαδρομή που διανύει το σώμα υπό την επίδραση αυτής της δύναμης, τόσο μεγαλύτερη είναι η εργασία που γίνεται.

Η μηχανική εργασία είναι ευθέως ανάλογη με τη δύναμη που εφαρμόζεται και ευθέως ανάλογη με τη διανυθείσα απόσταση .

Επομένως, συμφωνήσαμε να μετρήσουμε το μηχανικό έργο με το γινόμενο της δύναμης και τη διαδρομή που διανύθηκε κατά μήκος αυτής της κατεύθυνσης αυτής της δύναμης:

έργο = δύναμη × διαδρομή

Οπου ΕΝΑ- Δουλειά, φά- δύναμη και μικρό- διανυθείσα απόσταση.

Ως μονάδα εργασίας θεωρείται το έργο που εκτελείται από μια δύναμη 1N σε μια διαδρομή 1 m.

Ενότητα εργασίας - μονάδα ενέργειας ή έργου (J ) πήρε το όνομά του από τον Άγγλο επιστήμονα Joule. Ετσι,

1 J = 1 N m.

Χρησιμοποιείται επίσης χιλιοτζούλες (kJ) .

1 kJ = 1000 J.

Τύπος A = Fsισχύει όταν η δύναμη φάσταθερό και συμπίπτει με την κατεύθυνση κίνησης του σώματος.

Αν η κατεύθυνση της δύναμης συμπίπτει με την κατεύθυνση κίνησης του σώματος, τότε αυτή η δύναμη κάνει θετική δουλειά.

Εάν το σώμα κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση της ασκούμενης δύναμης, για παράδειγμα, η δύναμη τριβής ολίσθησης, τότε αυτή η δύναμη λειτουργεί αρνητικά.

Εάν η κατεύθυνση της δύναμης που ασκεί το σώμα είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της κίνησης, τότε αυτή η δύναμη δεν λειτουργεί, το έργο είναι μηδέν:

Στο μέλλον, μιλώντας για μηχανικές εργασίες, θα το ονομάσουμε εν συντομία με μια λέξη - εργασία.

Παράδειγμα. Υπολογίστε την εργασία που γίνεται κατά την ανύψωση πλάκας γρανίτη με όγκο 0,5 m3 σε ύψος 20 m. Η πυκνότητα του γρανίτη είναι 2500 kg/m3.

Δεδομένος:

ρ = 2500 kg/m 3

Λύση:

όπου F είναι η δύναμη που πρέπει να ασκηθεί για να ανυψωθεί ομοιόμορφα η πλάκα. Αυτή η δύναμη είναι ίση σε συντελεστή με τη δύναμη Fstrand που ενεργεί στην πλάκα, δηλαδή F = Fstrand. Και η δύναμη της βαρύτητας μπορεί να προσδιοριστεί από τη μάζα της πλάκας: Fweight = gm. Ας υπολογίσουμε τη μάζα της πλάκας, γνωρίζοντας τον όγκο της και την πυκνότητα του γρανίτη: m = ρV; s = h, δηλαδή η διαδρομή είναι ίση με το ύψος ανύψωσης.

Άρα, m = 2500 kg/m3 · 0,5 m3 = 1250 kg.

F = 9,8 N/kg · 1250 kg ≈ 12.250 N.

A = 12.250 N · 20 m = 245.000 J = 245 kJ.

Απάντηση: A =245 kJ.

Μοχλοί.Δύναμη.Ενέργεια

Διαφορετικοί κινητήρες απαιτούν διαφορετικούς χρόνους για να ολοκληρώσουν την ίδια εργασία. Για παράδειγμα, ένας γερανός σε ένα εργοτάξιο σηκώνει εκατοντάδες τούβλα στον τελευταίο όροφο ενός κτιρίου μέσα σε λίγα λεπτά. Εάν αυτά τα τούβλα μετακινούνταν από έναν εργάτη, θα του έπαιρνε αρκετές ώρες για να το κάνει. Ενα άλλο παράδειγμα. Ένα άλογο μπορεί να οργώσει ένα εκτάριο γης σε 10-12 ώρες, ενώ ένα τρακτέρ με άροτρο πολλαπλών μερίδων ( υνίο- μέρος του αλέτρι που κόβει το στρώμα της γης από κάτω και το μεταφέρει στη χωματερή. πολυάροτρο - πολλά άροτρα), η εργασία αυτή θα ολοκληρωθεί σε 40-50 λεπτά.

Είναι σαφές ότι ένας γερανός κάνει την ίδια δουλειά πιο γρήγορα από έναν εργάτη και ένα τρακτέρ κάνει την ίδια δουλειά πιο γρήγορα από ένα άλογο. Η ταχύτητα της εργασίας χαρακτηρίζεται από μια ειδική ποσότητα που ονομάζεται ισχύς.

Η ισχύς είναι ίση με την αναλογία της εργασίας προς το χρόνο κατά τον οποίο εκτελέστηκε.

Για να υπολογίσετε την ισχύ, πρέπει να διαιρέσετε την εργασία με το χρόνο κατά τον οποίο έγινε αυτή η εργασία.ισχύς = εργασία/χρόνος.

Οπου Ν- εξουσία, ΕΝΑ- Δουλειά, t- χρόνος ολοκλήρωσης της εργασίας.

Η ισχύς είναι μια σταθερή ποσότητα όταν γίνεται η ίδια εργασία κάθε δευτερόλεπτο· σε άλλες περιπτώσεις η αναλογία Στοκαθορίζει τη μέση ισχύ:

Νμέσος = Στο . Ως μονάδα ισχύος λαμβάνεται η ισχύς με την οποία το J του έργου γίνεται σε 1 s.

Αυτή η μονάδα ονομάζεται watt ( W) προς τιμήν ενός άλλου Άγγλου επιστήμονα, του Watt.

1 watt = 1 joule/1 δευτερόλεπτο, ή 1 W = 1 J/s.

Watt (joule ανά δευτερόλεπτο) - W (1 J/s).

Οι μεγαλύτερες μονάδες ισχύος χρησιμοποιούνται ευρέως στην τεχνολογία - κιλοβάτ (kW), μεγαβάτ (MW) .

1 MW = 1.000.000 W

1 kW = 1000 W

1 mW = 0,001 W

1 W = 0,000001 MW

1 W = 0,001 kW

1 W = 1000 mW

Παράδειγμα. Βρείτε την ισχύ της ροής του νερού που ρέει μέσα από το φράγμα εάν το ύψος της πτώσης του νερού είναι 25 m και ο ρυθμός ροής του είναι 120 m3 ανά λεπτό.

Δεδομένος:

ρ = 1000 kg/m3

Λύση:

Μάζα νερού που πέφτει: m = ρV,

m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120.000 kg (12 104 kg).

Η βαρύτητα που δρα στο νερό:

F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)

Εργασία που εκτελείται με ροή ανά λεπτό:

A - 1.200.000 N · 25 m = 30.000.000 J (3 · 107 J).

Ισχύς ροής: N = A/t,

N = 30.000.000 J / 60 s = 500.000 W = 0,5 MW.

Απάντηση: N = 0,5 MW.

Διάφοροι κινητήρες έχουν ισχύ που κυμαίνονται από τα εκατοστά και τα δέκατα του κιλοβάτ (κινητήρας ηλεκτρικής ξυριστικής μηχανής, ραπτομηχανής) έως εκατοντάδες χιλιάδες κιλοβάτ (τουρμπίνες νερού και ατμού).

Πίνακας 5.

Ισχύς ορισμένων κινητήρων, kW.

Κάθε κινητήρας έχει μια πινακίδα (διαβατήριο κινητήρα), η οποία υποδεικνύει ορισμένες πληροφορίες για τον κινητήρα, συμπεριλαμβανομένης της ισχύος του.

Η ανθρώπινη ισχύς υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας είναι κατά μέσο όρο 70-80 W. Όταν πηδά ή τρέχει ανεβαίνοντας σκάλες, ένα άτομο μπορεί να αναπτύξει ισχύ έως και 730 W, και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη περισσότερο.

Από τον τύπο N = A/t προκύπτει ότι

Για να υπολογίσετε την εργασία, είναι απαραίτητο να πολλαπλασιάσετε την ισχύ με το χρόνο κατά τον οποίο εκτελέστηκε αυτή η εργασία.

Παράδειγμα. Ο κινητήρας ανεμιστήρα δωματίου έχει ισχύ 35 Watt. Πόση δουλειά κάνει σε 10 λεπτά;

Ας γράψουμε τις συνθήκες του προβλήματος και ας το λύσουμε.

Δεδομένος:

Λύση:

A = 35 W * 600s = 21.000 W * s = 21.000 J = 21 kJ.

Απάντηση ΕΝΑ= 21 kJ.

Απλοί μηχανισμοί.

Από αμνημονεύτων χρόνων, ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε διάφορες συσκευές για την εκτέλεση μηχανικών εργασιών.

Όλοι γνωρίζουν ότι ένα βαρύ αντικείμενο (πέτρα, ντουλάπι, εργαλειομηχανή), που δεν μπορεί να μετακινηθεί με το χέρι, μπορεί να μετακινηθεί με τη βοήθεια ενός αρκετά μεγάλου ραβδιού - ενός μοχλού.

Αυτή τη στιγμή, πιστεύεται ότι με τη βοήθεια μοχλών πριν από τρεις χιλιάδες χρόνια, κατά την κατασκευή των πυραμίδων στην Αρχαία Αίγυπτο, βαριές πέτρινες πλάκες μετακινήθηκαν και ανυψώθηκαν σε μεγάλα ύψη.

Σε πολλές περιπτώσεις, αντί να σηκώνεται ένα βαρύ φορτίο σε ένα ορισμένο ύψος, μπορεί να κυληθεί ή να τραβηχτεί στο ίδιο ύψος κατά μήκος ενός κεκλιμένου επιπέδου ή να ανυψωθεί χρησιμοποιώντας μπλοκ.

Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της δύναμης ονομάζονται μηχανισμών .

Οι απλοί μηχανισμοί περιλαμβάνουν: μοχλούς και τις ποικιλίες τους - μπλοκ, πύλη? κεκλιμένο επίπεδο και οι ποικιλίες του - σφήνα, βίδα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, απλοί μηχανισμοί χρησιμοποιούνται για να αποκτήσουν δύναμη, δηλαδή να αυξήσουν τη δύναμη που ασκεί στο σώμα αρκετές φορές.

Απλοί μηχανισμοί υπάρχουν τόσο στα οικιακά όσο και σε όλα τα πολύπλοκα βιομηχανικά και βιομηχανικά μηχανήματα που κόβουν, στρίβουν και σφραγίζουν μεγάλα φύλλα χάλυβα ή τραβούν τα καλύτερα νήματα από τα οποία κατασκευάζονται στη συνέχεια τα υφάσματα. Οι ίδιοι μηχανισμοί μπορούν να βρεθούν σε σύγχρονες πολύπλοκες αυτόματες μηχανές, μηχανές εκτύπωσης και μέτρησης.

Μοχλός βραχίονας. Ισορροπία δυνάμεων στο μοχλό.

Ας εξετάσουμε τον απλούστερο και πιο συνηθισμένο μηχανισμό - τον μοχλό.

Ο μοχλός είναι ένα άκαμπτο σώμα που μπορεί να περιστρέφεται γύρω από ένα σταθερό στήριγμα.

Οι εικόνες δείχνουν πώς ένας εργαζόμενος χρησιμοποιεί έναν λοστό ως μοχλό για να σηκώσει ένα φορτίο. Στην πρώτη περίπτωση ο εργάτης με δύναμη φάπιέζει την άκρη του λοστού σι, στο δεύτερο - ανεβάζει το τέλος σι.

Ο εργαζόμενος πρέπει να ξεπεράσει το βάρος του φορτίου Π- δύναμη κατευθυνόμενη κάθετα προς τα κάτω. Για να το κάνει αυτό, γυρίζει τον λοστό γύρω από έναν άξονα που διέρχεται από τον μοναδικό ακίνητοςτο σημείο θραύσης είναι το σημείο της υποστήριξής του ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ. Δύναμη φάμε το οποίο ο εργάτης ενεργεί στο μοχλό είναι λιγότερη δύναμη Π, έτσι ο εργαζόμενος λαμβάνει κέρδος σε δύναμη. Χρησιμοποιώντας ένα μοχλό, μπορείτε να σηκώσετε ένα τόσο βαρύ φορτίο που δεν μπορείτε να το σηκώσετε μόνοι σας.

Το σχήμα δείχνει έναν μοχλό του οποίου ο άξονας περιστροφής είναι ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ(υπομόχλιο) βρίσκεται μεταξύ των σημείων εφαρμογής των δυνάμεων ΕΝΑΚαι ΣΕ. Μια άλλη εικόνα δείχνει ένα διάγραμμα αυτού του μοχλού. Και οι δύο δυνάμεις φά 1 και φά 2 που ενεργούν στο μοχλό κατευθύνονται προς μία κατεύθυνση.

Η μικρότερη απόσταση ανάμεσα στο υπομόχλιο και την ευθεία γραμμή κατά την οποία ασκείται η δύναμη στο μοχλό ονομάζεται βραχίονας δύναμης.

Για να βρείτε τον βραχίονα της δύναμης, πρέπει να χαμηλώσετε την κάθετο από το υπομόχλιο στη γραμμή δράσης της δύναμης.

Το μήκος αυτής της καθέτου θα είναι ο βραχίονας αυτής της δύναμης. Το σχήμα δείχνει ότι ΟΑ- δύναμη ώμου φά 1; OB- δύναμη ώμου φά 2. Οι δυνάμεις που ασκούνται στον μοχλό μπορούν να τον περιστρέψουν γύρω από τον άξονά του προς δύο κατευθύνσεις: δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα. Ναι, δύναμη φά 1 περιστρέφει το μοχλό δεξιόστροφα και τη δύναμη φά 2 το περιστρέφει αριστερόστροφα.

Η κατάσταση υπό την οποία ο μοχλός βρίσκεται σε ισορροπία υπό την επίδραση των δυνάμεων που ασκούνται σε αυτόν μπορεί να προσδιοριστεί πειραματικά. Πρέπει να θυμόμαστε ότι το αποτέλεσμα της δράσης μιας δύναμης εξαρτάται όχι μόνο από την αριθμητική της τιμή (μέτρο), αλλά και από το σημείο στο οποίο εφαρμόζεται στο σώμα ή από το πώς κατευθύνεται.

Διάφορα βάρη αιωρούνται από το μοχλό (βλ. εικόνα) και στις δύο πλευρές του υπομόχλου, έτσι ώστε κάθε φορά ο μοχλός να παραμένει σε ισορροπία. Οι δυνάμεις που ασκούνται στο μοχλό είναι ίσες με τα βάρη αυτών των φορτίων. Για κάθε περίπτωση, μετρώνται οι μονάδες δύναμης και οι ώμοι τους. Από την εμπειρία που φαίνεται στο Σχήμα 154, είναι σαφές ότι η δύναμη 2 Νεξισορροπεί τη δύναμη 4 Ν. Σε αυτή την περίπτωση, όπως φαίνεται από το σχήμα, ο ώμος μικρότερης αντοχής είναι 2 φορές μεγαλύτερος από τον ώμο μεγαλύτερης αντοχής.

Με βάση τέτοια πειράματα, καθορίστηκε η συνθήκη (κανόνας) της ισορροπίας του μοχλού.

Ένας μοχλός βρίσκεται σε ισορροπία όταν οι δυνάμεις που ασκούνται σε αυτόν είναι αντιστρόφως ανάλογες με τους βραχίονες αυτών των δυνάμεων.

Αυτός ο κανόνας μπορεί να γραφτεί ως τύπος:

φά 1/φά 2 = μεγάλο 2/ μεγάλο 1 ,

Οπου φά 1Καιφά 2 - δυνάμεις που δρουν στο μοχλό, μεγάλο 1Καιμεγάλο 2 , - οι ώμοι αυτών των δυνάμεων (βλ. σχήμα).

Ο κανόνας της ισορροπίας του μοχλού καθιερώθηκε από τον Αρχιμήδη γύρω στο 287 - 212. προ ΧΡΙΣΤΟΥ μι. (αλλά στην τελευταία παράγραφο ειπώθηκε ότι οι μοχλοί χρησιμοποιήθηκαν από τους Αιγύπτιους; Ή μήπως η λέξη «κατεστημένο» παίζει σημαντικό ρόλο εδώ;)

Από αυτόν τον κανόνα προκύπτει ότι μια μικρότερη δύναμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξισορροπήσει μια μεγαλύτερη δύναμη χρησιμοποιώντας ένα μοχλό. Αφήστε τον ένα βραχίονα του μοχλού να είναι 3 φορές μεγαλύτερος από τον άλλο (βλ. εικόνα). Στη συνέχεια, εφαρμόζοντας μια δύναμη, για παράδειγμα, 400 N στο σημείο B, μπορείτε να σηκώσετε μια πέτρα βάρους 1200 N. Για να σηκώσετε ένα ακόμη βαρύτερο φορτίο, πρέπει να αυξήσετε το μήκος του μοχλοβραχίονα στον οποίο ενεργεί ο εργάτης.

Παράδειγμα. Χρησιμοποιώντας ένα μοχλό, ένας εργαζόμενος σηκώνει μια πλάκα βάρους 240 kg (βλ. Εικ. 149). Ποια δύναμη ασκεί στον μεγαλύτερο μοχλοβραχίονα των 2,4 m αν ο μικρότερος βραχίονας είναι 0,6 m;

Ας γράψουμε τις συνθήκες του προβλήματος και ας το λύσουμε.

Δεδομένος:

Λύση:

Σύμφωνα με τον κανόνα της ισορροπίας του μοχλού, F1/F2 = l2/l1, από όπου F1 = F2 l2/l1, όπου F2 = P είναι το βάρος της πέτρας. Βάρος πέτρας asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N

Τότε, F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.

Απάντηση: F1 = 600 N.

Στο παράδειγμά μας, ο εργάτης υπερνικά μια δύναμη 2400 N, εφαρμόζοντας μια δύναμη 600 N στο μοχλό. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, ο βραχίονας στον οποίο ενεργεί ο εργάτης είναι 4 φορές μεγαλύτερος από αυτόν στον οποίο ενεργεί το βάρος της πέτρας ( μεγάλο 1 : μεγάλο 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).

Εφαρμόζοντας τον κανόνα της μόχλευσης, μια μικρότερη δύναμη μπορεί να εξισορροπήσει μια μεγαλύτερη δύναμη. Σε αυτή την περίπτωση, ο ώμος μικρότερης δύναμης θα πρέπει να είναι μακρύτερος από τον ώμο μεγαλύτερης αντοχής.

Στιγμή δύναμης.

Γνωρίζετε ήδη τον κανόνα της ισορροπίας του μοχλού:

φά 1 / φά 2 = μεγάλο 2 / μεγάλο 1 ,

Χρησιμοποιώντας την ιδιότητα της αναλογίας (το γινόμενο των ακραίων μελών του είναι ίσο με το γινόμενο των μεσαίων μελών του), το γράφουμε με αυτή τη μορφή:

φά 1μεγάλο 1 = φά 2 μεγάλο 2 .

Στην αριστερή πλευρά της εξίσωσης είναι το γινόμενο της δύναμης φά 1 στον ώμο της μεγάλο 1, και στα δεξιά - το προϊόν της δύναμης φά 2 στον ώμο της μεγάλο 2 .

Το γινόμενο του συντελεστή της δύναμης που περιστρέφει το σώμα και τον ώμο του ονομάζεται στιγμή της δύναμης; δηλώνεται με το γράμμα Μ. Αυτό σημαίνει

Ένας μοχλός βρίσκεται σε ισορροπία υπό την επίδραση δύο δυνάμεων αν η ροπή της δύναμης που τον περιστρέφει δεξιόστροφα είναι ίση με τη στιγμή της δύναμης που τον περιστρέφει αριστερόστροφα.

Αυτός ο κανόνας ονομάζεται κανόνας των στιγμών , μπορεί να γραφτεί ως τύπος:

Μ1 = Μ2

Πράγματι, στο πείραμα που εξετάσαμε (§ 56), οι ενεργούσες δυνάμεις ήταν ίσες με 2 N και 4 N, οι ώμοι τους αντιστοιχούσαν σε 4 και 2 πιέσεις μοχλού, δηλαδή οι ροπές αυτών των δυνάμεων είναι ίδιες όταν ο μοχλός βρίσκεται σε ισορροπία .

Η στιγμή της δύναμης, όπως κάθε φυσικό μέγεθος, μπορεί να μετρηθεί. Ως μονάδα ροπής δύναμης λαμβάνεται μια ροπή δύναμης 1 N, ο βραχίονας της οποίας είναι ακριβώς 1 m.

Αυτή η μονάδα ονομάζεται νεοτονόμετρο (N m).

Η ροπή της δύναμης χαρακτηρίζει τη δράση μιας δύναμης και δείχνει ότι εξαρτάται ταυτόχρονα τόσο από το μέτρο της δύναμης όσο και από τη μόχλευση της. Πράγματι, γνωρίζουμε ήδη, για παράδειγμα, ότι η δράση μιας δύναμης σε μια πόρτα εξαρτάται τόσο από το μέγεθος της δύναμης όσο και από το πού ασκείται η δύναμη. Όσο πιο εύκολο είναι να στρίψετε την πόρτα, τόσο πιο μακριά από τον άξονα περιστροφής ασκείται η δύναμη που ασκείται σε αυτήν. Είναι καλύτερα να ξεβιδώσετε το παξιμάδι με ένα μακρύ κλειδί παρά με ένα κοντό. Όσο πιο εύκολο είναι να σηκώσετε έναν κουβά από το πηγάδι, τόσο μακρύτερη είναι η λαβή της πύλης κ.λπ.

Μοχλοί στην τεχνολογία, την καθημερινότητα και τη φύση.

Ο κανόνας της μόχλευσης (ή ο κανόνας των στιγμών) αποτελεί τη βάση της δράσης διαφόρων ειδών εργαλείων και συσκευών που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία και την καθημερινή ζωή όπου απαιτείται κέρδος σε δύναμη ή ταξίδια.

Έχουμε κέρδος σε δύναμη όταν δουλεύουμε με ψαλίδι. Ψαλίδι - αυτό είναι μοχλός(εικ), ο άξονας περιστροφής του οποίου συμβαίνει μέσω μιας βίδας που συνδέει και τα δύο μισά του ψαλιδιού. Δρούσα δύναμη φά 1 είναι η μυϊκή δύναμη του χεριού του ατόμου που πιάνει το ψαλίδι. Αντίρροπη δύναμη φά 2 είναι η δύναμη αντίστασης του υλικού που κόβεται με ψαλίδι. Ανάλογα με τον σκοπό του ψαλιδιού, ο σχεδιασμός τους ποικίλλει. Το ψαλίδι γραφείου, σχεδιασμένο για κοπή χαρτιού, έχει μακριές λεπίδες και λαβές που έχουν σχεδόν το ίδιο μήκος. Το κόψιμο του χαρτιού δεν απαιτεί μεγάλη δύναμη και μια μακριά λεπίδα διευκολύνει την κοπή σε ευθεία γραμμή. Τα ψαλίδια κοπής λαμαρίνας (Εικ.) έχουν λαβές πολύ μακρύτερες από τις λεπίδες, καθώς η δύναμη αντίστασης του μετάλλου είναι μεγάλη και για να εξισορροπηθεί, πρέπει να αυξηθεί σημαντικά ο βραχίονας της ενεργού δύναμης. Η διαφορά μεταξύ του μήκους των λαβών και της απόστασης του τμήματος κοπής και του άξονα περιστροφής είναι ακόμη μεγαλύτερη συρματοκόπτης(Εικ.), σχεδιασμένο για κοπή σύρματος.

Πολλά μηχανήματα έχουν διαφορετικούς τύπους μοχλών. Η λαβή μιας ραπτομηχανής, τα πεντάλ ή το χειρόφρενο ενός ποδηλάτου, τα πεντάλ ενός αυτοκινήτου και ενός τρακτέρ και τα πλήκτρα ενός πιάνου είναι όλα παραδείγματα μοχλών που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις μηχανές και εργαλεία.

Παραδείγματα χρήσης μοχλών είναι οι χειρολαβές των μέγγεων και των πάγκων εργασίας, ο μοχλός μιας μηχανής διάτρησης κ.λπ.

Η δράση των ζυγών μοχλού βασίζεται στην αρχή του μοχλού (Εικ.). Οι κλίμακες εκπαίδευσης που φαίνονται στο Σχήμα 48 (σελ. 42) λειτουργούν ως μοχλός ίσου βραχίονα . ΣΕ δεκαδικές κλίμακεςΟ ώμος από τον οποίο αναρτάται το κύπελλο με τα βάρη είναι 10 φορές μεγαλύτερος από τον ώμο που φέρει το φορτίο. Αυτό κάνει τη ζύγιση μεγάλων φορτίων πολύ πιο εύκολη. Όταν ζυγίζετε ένα φορτίο σε δεκαδική κλίμακα, θα πρέπει να πολλαπλασιάσετε τη μάζα των βαρών επί 10.

Η συσκευή της ζυγαριάς για τη ζύγιση φορτηγών αυτοκινήτων αυτοκινήτων βασίζεται επίσης στον κανόνα της μόχλευσης.

Μοχλοί βρίσκονται επίσης σε διάφορα μέρη του σώματος των ζώων και των ανθρώπων. Αυτά είναι, για παράδειγμα, τα χέρια, τα πόδια, τα σαγόνια. Πολλοί μοχλοί μπορούν να βρεθούν στο σώμα των εντόμων (διαβάζοντας ένα βιβλίο για τα έντομα και τη δομή του σώματός τους), των πτηνών και στη δομή των φυτών.

Εφαρμογή του νόμου της ισορροπίας ενός μοχλού σε ένα μπλοκ.

ΟΙΚΟΔΟΜΙΚΟ ΤΕΤΡΑΓΩΝΟΕίναι τροχός με αυλάκι, τοποθετημένος σε θήκη. Ένα σχοινί, καλώδιο ή αλυσίδα περνά μέσα από την αυλάκωση του μπλοκ.

Σταθερό μπλοκ Αυτό ονομάζεται μπλοκ του οποίου ο άξονας είναι σταθερός και δεν ανεβαίνει ή πέφτει κατά την ανύψωση φορτίων (Εικ.).

Ένα σταθερό μπλοκ μπορεί να θεωρηθεί ως μοχλός ίσου οπλισμού, στον οποίο οι βραχίονες των δυνάμεων είναι ίσοι με την ακτίνα του τροχού (Εικ.): OA = OB = r. Ένα τέτοιο μπλοκ δεν παρέχει κέρδος στη δύναμη. ( φά 1 = φά 2), αλλά σας επιτρέπει να αλλάξετε την κατεύθυνση της δύναμης. Κινητό μπλοκ - αυτό είναι ένα μπλοκ. ο άξονας του οποίου ανεβαίνει και πέφτει μαζί με το φορτίο (Εικ.). Το σχήμα δείχνει τον αντίστοιχο μοχλό: ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ- σημείο υπομόχλιο του μοχλού, ΟΑ- δύναμη ώμου RΚαι OB- δύναμη ώμου φά. Από τον ώμο OB 2 φορές τον ώμο ΟΑ, μετά η δύναμη φά 2 φορές λιγότερη δύναμη R:

F = P/2 .

Ετσι, το κινητό μπλοκ δίνει διπλάσιο κέρδος σε αντοχή .

Αυτό μπορεί να αποδειχθεί χρησιμοποιώντας την έννοια της ροπής δύναμης. Όταν το μπλοκ βρίσκεται σε ισορροπία, οι ροπές των δυνάμεων φάΚαι Rίσα μεταξύ τους. Αλλά ο ώμος της δύναμης φά 2 φορές η μόχλευση 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 κέρδος σε δύναμη ή διαδρομή, οι απλοί μηχανισμοί δεν δίνουν κέρδος στη δουλειά; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα μπορεί να ληφθεί από την εμπειρία.

Εξισορροπώντας δύο διαφορετικές δυνάμεις μεγέθους σε έναν μοχλό φά 1 και φά 2 (εικ.), θέστε το μοχλό σε κίνηση. Αποδεικνύεται ότι ταυτόχρονα το σημείο εφαρμογής της μικρότερης δύναμης φά 2 πηγαίνει παραπέρα μικρό 2, και το σημείο εφαρμογής της μεγαλύτερης δύναμης φά 1 - μικρότερη διαδρομή μικρό 1. Έχοντας μετρήσει αυτές τις διαδρομές και τις μονάδες δύναμης, διαπιστώνουμε ότι οι διαδρομές που διανύονται από τα σημεία εφαρμογής των δυνάμεων στο μοχλό είναι αντιστρόφως ανάλογες με τις δυνάμεις:

μικρό 1 / μικρό 2 = φά 2 / φά 1.

Έτσι, ενεργώντας στο μακρύ χέρι του μοχλού, κερδίζουμε σε δύναμη, αλλά ταυτόχρονα χάνουμε κατά το ίδιο ποσό στην πορεία.

Προϊόν δύναμης φάστο δρόμο μικρόυπάρχει δουλειά. Τα πειράματά μας δείχνουν ότι το έργο που γίνεται από τις δυνάμεις που ασκούνται στον μοχλό είναι ίσο μεταξύ τους:

φά 1 μικρό 1 = φά 2 μικρό 2, δηλ. ΕΝΑ 1 = ΕΝΑ 2.

Ετσι, Όταν χρησιμοποιείτε μόχλευση, δεν θα μπορείτε να κερδίσετε στη δουλειά.

Χρησιμοποιώντας μόχλευση, μπορούμε να κερδίσουμε είτε δύναμη είτε απόσταση. Εφαρμόζοντας δύναμη στον κοντό βραχίονα του μοχλού, κερδίζουμε σε απόσταση, αλλά χάνουμε με το ίδιο ποσό σε δύναμη.

Υπάρχει ένας θρύλος ότι ο Αρχιμήδης, ευχαριστημένος με την ανακάλυψη του κανόνα της μόχλευσης, αναφώνησε: «Δώσε μου ένα υπομόχλιο και θα αναποδογυρίσω τη Γη!»

Φυσικά, ο Αρχιμήδης δεν θα μπορούσε να ανταπεξέλθει σε ένα τέτοιο έργο ακόμα κι αν του είχε δοθεί ένα υπομόχλιο (που θα έπρεπε να ήταν έξω από τη Γη) και ένας μοχλός του απαιτούμενου μήκους.

Για να ανυψωθεί η γη μόλις 1 cm, ο μακρύς βραχίονας του μοχλού θα έπρεπε να περιγράφει ένα τόξο τεράστιου μήκους. Θα χρειάζονταν εκατομμύρια χρόνια για να μετακινήσετε το μακρύ άκρο του μοχλού κατά μήκος αυτής της διαδρομής, για παράδειγμα, με ταχύτητα 1 m/s!

Ένα σταθερό μπλοκ δεν δίνει κανένα κέρδος στην εργασία,που είναι εύκολο να επαληθευτεί πειραματικά (βλ. σχήμα). Μονοπάτια που διανύονται από τα σημεία εφαρμογής των δυνάμεων φάΚαι φά, είναι τα ίδια, οι δυνάμεις είναι ίδιες, που σημαίνει ότι το έργο είναι το ίδιο.

Μπορείτε να μετρήσετε και να συγκρίνετε την εργασία που έγινε με τη βοήθεια ενός κινούμενου μπλοκ. Προκειμένου να ανυψωθεί ένα φορτίο σε ύψος h χρησιμοποιώντας ένα κινητό μπλοκ, είναι απαραίτητο να μετακινήσετε το άκρο του σχοινιού στο οποίο είναι στερεωμένο το δυναμόμετρο, όπως δείχνει η εμπειρία (Εικ.), σε ύψος 2 ωρών.

Ετσι, παίρνοντας διπλάσιο κέρδος σε δύναμη, χάνουν 2 φορές στο δρόμο, επομένως, το κινητό μπλοκ δεν δίνει κέρδος στην εργασία.

Η πρακτική αιώνων το έχει δείξει Κανένας από τους μηχανισμούς δεν δίνει κέρδος στην απόδοση.Χρησιμοποιούν διάφορους μηχανισμούς για να κερδίσουν σε δύναμη ή σε ταξίδι, ανάλογα με τις συνθήκες εργασίας.

Ήδη οι αρχαίοι επιστήμονες γνώριζαν έναν κανόνα που ισχύει για όλους τους μηχανισμούς: όσες φορές κι αν νικήσουμε σε δύναμη, τόσες φορές χάνουμε σε απόσταση. Αυτός ο κανόνας έχει ονομαστεί «χρυσός κανόνας» της μηχανικής.

Αποτελεσματικότητα του μηχανισμού.

Κατά την εξέταση του σχεδιασμού και της δράσης του μοχλού, δεν λάβαμε υπόψη την τριβή, καθώς και το βάρος του μοχλού. κάτω από αυτές τις ιδανικές συνθήκες, το έργο που γίνεται από την εφαρμοζόμενη δύναμη (θα το ονομάσουμε αυτό έργο γεμάτος), είναι ίσο με χρήσιμοςεργασίες για την ανύψωση φορτίων ή την υπέρβαση οποιασδήποτε αντίστασης.

Στην πράξη, η συνολική εργασία που γίνεται από έναν μηχανισμό είναι πάντα ελαφρώς μεγαλύτερη από τη χρήσιμη εργασία.

Μέρος της εργασίας γίνεται ενάντια στη δύναμη τριβής στον μηχανισμό και μετακινώντας τα επιμέρους μέρη του. Έτσι, όταν χρησιμοποιείτε ένα κινητό μπλοκ, πρέπει να κάνετε επιπλέον εργασίες για να σηκώσετε το ίδιο το μπλοκ, το σχοινί και να προσδιορίσετε τη δύναμη τριβής στον άξονα του μπλοκ.

Όποιο μηχανισμό κι αν πάρουμε, η χρήσιμη εργασία που γίνεται με τη βοήθειά του αποτελεί πάντα μόνο ένα μέρος της συνολικής εργασίας. Αυτό σημαίνει, δηλώνοντας χρήσιμη εργασία με το γράμμα Ap, συνολική (δαπανημένη) εργασία με το γράμμα Az, μπορούμε να γράψουμε:

Πάνω< Аз или Ап / Аз < 1.

Ο λόγος της χρήσιμης εργασίας προς το συνολικό έργο ονομάζεται απόδοση του μηχανισμού.

Ο παράγοντας απόδοσης συντομεύεται ως αποδοτικότητα.

Αποδοτικότητα = Απ / Αζ.

Η απόδοση εκφράζεται συνήθως ως ποσοστό και συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα η, που διαβάζεται ως «eta»:

η = Ap / Az · 100%.

Παράδειγμα: Ένα φορτίο βάρους 100 kg είναι αναρτημένο στον κοντό βραχίονα ενός μοχλού. Για την ανύψωσή του ασκείται δύναμη 250 N στον μακρύ βραχίονα.Το φορτίο ανυψώνεται σε ύψος h1 = 0,08 m, ενώ το σημείο εφαρμογής της κινητήριας δύναμης πέφτει σε ύψος h2 = 0,4 m. Βρείτε το αποτελεσματικότητα του μοχλού.

Ας γράψουμε τις συνθήκες του προβλήματος και ας το λύσουμε.

Δεδομένος :

Λύση :

η = Ap / Az · 100%.

Συνολική (δαπανημένη) εργασία Az = Fh2.

Χρήσιμη εργασία Ap = Рh1

P = 9,8 100 kg ≈ 1000 N.

Απ = 1000 N · 0,08 = 80 J.

Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.

η = 80 J/100 J 100% = 80%.

Απάντηση : η = 80%.

Αλλά ο «χρυσός κανόνας» ισχύει και σε αυτή την περίπτωση. Μέρος της χρήσιμης εργασίας - το 20% της - δαπανάται για την αντιμετώπιση της τριβής στον άξονα του μοχλού και της αντίστασης του αέρα, καθώς και για την κίνηση του ίδιου του μοχλού.

Η απόδοση οποιουδήποτε μηχανισμού είναι πάντα μικρότερη από 100%. Κατά το σχεδιασμό μηχανισμών, οι άνθρωποι προσπαθούν να αυξήσουν την αποτελεσματικότητά τους. Για να επιτευχθεί αυτό, μειώνονται οι τριβές στους άξονες των μηχανισμών και το βάρος τους.

Ενέργεια.

Στα εργοστάσια και τα εργοστάσια, οι μηχανές και οι μηχανές κινούνται από ηλεκτρικούς κινητήρες, οι οποίοι καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια (εξ ου και το όνομα).

Ένα συμπιεσμένο ελατήριο (Εικ.), όταν ευθυγραμμίζεται, λειτουργεί, ανυψώνει ένα φορτίο σε ύψος ή κάνει ένα καρότσι να κινείται. Ένα σταθερό φορτίο που ανυψώνεται πάνω από το έδαφος δεν λειτουργεί, αλλά αν αυτό το φορτίο πέσει, μπορεί να κάνει δουλειά (για παράδειγμα, μπορεί να οδηγήσει ένα σωρό στο έδαφος). Κάθε κινούμενο σώμα έχει την ικανότητα να κάνει δουλειά. Έτσι, μια χαλύβδινη σφαίρα Α (σύκο) που κυλά προς τα κάτω από ένα κεκλιμένο επίπεδο, χτυπώντας ένα ξύλινο μπλοκ Β, την μετακινεί σε μια ορισμένη απόσταση. Ταυτόχρονα γίνεται δουλειά. Εάν ένα σώμα ή πολλά σώματα που αλληλεπιδρούν (ένα σύστημα σωμάτων) μπορούν να δουλέψουν, λέγεται ότι έχουν ενέργεια. Ενέργεια - μια φυσική ποσότητα που δείχνει πόση δουλειά μπορεί να κάνει ένα σώμα (ή πολλά σώματα). Η ενέργεια εκφράζεται στο σύστημα SI στις ίδιες μονάδες με το έργο, δηλαδή σε τζάουλ. Όσο περισσότερη δουλειά μπορεί να κάνει ένα σώμα, τόσο περισσότερη ενέργεια έχει. Όταν γίνεται η εργασία, η ενέργεια των σωμάτων αλλάζει. Η εργασία που γίνεται είναι ίση με την αλλαγή της ενέργειας. Δυναμική και κινητική ενέργεια. Δυνατότητα (από λατ.δραστικότητα - δυνατότητα) ενέργεια είναι η ενέργεια που καθορίζεται από τη σχετική θέση σωμάτων που αλληλεπιδρούν και μερών του ίδιου σώματος. Δυνητική ενέργεια, για παράδειγμα, κατέχεται από ένα σώμα ανυψωμένο σε σχέση με την επιφάνεια της Γης, επειδή η ενέργεια εξαρτάται από τη σχετική θέση αυτού και της Γης. και την αμοιβαία έλξη τους. Αν θεωρήσουμε ότι η δυναμική ενέργεια ενός σώματος που βρίσκεται στη Γη είναι μηδέν, τότε η δυναμική ενέργεια ενός σώματος που ανυψώνεται σε ένα ορισμένο ύψος θα καθοριστεί από το έργο που κάνει η βαρύτητα όταν το σώμα πέφτει στη Γη. Ας υποδηλώσουμε τη δυναμική ενέργεια του σώματος μιν, επειδή Ε = Α, και το έργο, όπως ξέρουμε, είναι ίσο με το γινόμενο δύναμης και διαδρομής, λοιπόν A = Fh, Οπου φά- βαρύτητα. Αυτό σημαίνει ότι η δυναμική ενέργεια En είναι ίση με: E = Fh, ή E = gmh, Οπου σολ- επιτάχυνση της βαρύτητας, Μ- μάζα σώματος, η- το ύψος στο οποίο ανυψώνεται το σώμα. Το νερό στα ποτάμια που συγκρατούνται από φράγματα έχει τεράστια δυναμική ενέργεια. Πέφτοντας κάτω, το νερό λειτουργεί, οδηγώντας ισχυρούς στρόβιλους σταθμών παραγωγής ενέργειας. Η δυναμική ενέργεια ενός σφυριού κόπρα (Εικ.) χρησιμοποιείται στην κατασκευή για την εκτέλεση του έργου της οδήγησης πασσάλων. Όταν ανοίγετε μια πόρτα με ένα ελατήριο, γίνεται εργασία για να τεντώσει (ή να συμπιέσει) το ελατήριο. Λόγω της κεκτημένης ενέργειας, το ελατήριο, συστέλλοντας (ή ανορθώνοντας), λειτουργεί, κλείνοντας την πόρτα. Η ενέργεια των συμπιεσμένων και μη στριμωγμένων ελατηρίων χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, σε ρολόγια, διάφορα παιχνίδια κουρδίσματος κ.λπ. Οποιοδήποτε ελαστικό παραμορφωμένο σώμα έχει δυναμική ενέργεια.Η δυναμική ενέργεια του συμπιεσμένου αερίου χρησιμοποιείται στη λειτουργία θερμικών κινητήρων, σε σφυριά, που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία εξόρυξης, στην οδοποιία, στην εκσκαφή σκληρού εδάφους κ.λπ. Η ενέργεια που κατέχει ένα σώμα ως αποτέλεσμα της κίνησής του ονομάζεται κινητική (από τα ελληνικά. kinema - κίνηση) ενέργεια. Η κινητική ενέργεια ενός σώματος συμβολίζεται με το γράμμα μιΠρος την. Το κινούμενο νερό, οδηγώντας τις τουρμπίνες των υδροηλεκτρικών σταθμών, ξοδεύει την κινητική του ενέργεια και λειτουργεί. Ο κινούμενος αέρας, ο άνεμος, έχει επίσης κινητική ενέργεια. Από τι εξαρτάται η κινητική ενέργεια; Ας στραφούμε στην εμπειρία (βλ. σχήμα). Εάν κυλήσετε την μπάλα Α από διαφορετικά ύψη, θα παρατηρήσετε ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος από το οποίο κυλά η μπάλα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητά της και όσο περισσότερο μετακινεί το μπλοκ, δηλαδή κάνει περισσότερη δουλειά. Αυτό σημαίνει ότι η κινητική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται από την ταχύτητά του. Λόγω της ταχύτητάς της, μια ιπτάμενη σφαίρα έχει υψηλή κινητική ενέργεια. Η κινητική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται και από τη μάζα του. Ας κάνουμε ξανά το πείραμά μας, αλλά θα κυλήσουμε μια άλλη μπάλα μεγαλύτερης μάζας από το κεκλιμένο επίπεδο. Η μπάρα Β θα προχωρήσει περαιτέρω, δηλαδή θα γίνει περισσότερη δουλειά. Αυτό σημαίνει ότι η κινητική ενέργεια της δεύτερης μπάλας είναι μεγαλύτερη από την πρώτη. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός σώματος και η ταχύτητα με την οποία κινείται, τόσο μεγαλύτερη είναι η κινητική του ενέργεια. Για τον προσδιορισμό της κινητικής ενέργειας ενός σώματος χρησιμοποιείται ο τύπος: Ek = mv^2 /2, Οπου Μ- μάζα σώματος, v- ταχύτητα κίνησης του σώματος. Η κινητική ενέργεια των σωμάτων χρησιμοποιείται στην τεχνολογία. Το νερό που συγκρατεί το φράγμα έχει, όπως ήδη αναφέρθηκε, μεγάλη δυναμική ενέργεια. Όταν το νερό πέφτει από ένα φράγμα, κινείται και έχει την ίδια υψηλή κινητική ενέργεια. Οδηγεί έναν στρόβιλο συνδεδεμένο με μια γεννήτρια ηλεκτρικού ρεύματος. Λόγω της κινητικής ενέργειας του νερού, παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια του κινούμενου νερού έχει μεγάλη σημασία στην εθνική οικονομία. Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται χρησιμοποιώντας ισχυρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Η ενέργεια του νερού που πέφτει είναι μια φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας, σε αντίθεση με την ενέργεια των καυσίμων. Όλα τα σώματα στη φύση, σε σχέση με τη συμβατική μηδενική τιμή, έχουν είτε δυναμική είτε κινητική ενέργεια και μερικές φορές και τα δύο μαζί. Για παράδειγμα, ένα ιπτάμενο αεροπλάνο έχει τόσο κινητική όσο και δυναμική ενέργεια σε σχέση με τη Γη. Γνωριστήκαμε με δύο είδη μηχανικής ενέργειας. Άλλα είδη ενέργειας (ηλεκτρική, εσωτερική κ.λπ.) θα συζητηθούν σε άλλες ενότητες του μαθήματος της φυσικής. Μετατροπή ενός τύπου μηχανικής ενέργειας σε άλλο. Το φαινόμενο της μετατροπής ενός τύπου μηχανικής ενέργειας σε άλλο είναι πολύ βολικό να παρατηρηθεί στη συσκευή που φαίνεται στο σχήμα. Τυλίγοντας το νήμα στον άξονα, ο δίσκος της συσκευής ανυψώνεται. Ένας δίσκος που σηκώνεται προς τα πάνω έχει κάποια δυναμική ενέργεια. Αν το αφήσετε, θα στριφογυρίσει και θα αρχίσει να πέφτει. Καθώς πέφτει, η δυναμική ενέργεια του δίσκου μειώνεται, αλλά ταυτόχρονα αυξάνεται η κινητική του ενέργεια. Στο τέλος της πτώσης, ο δίσκος έχει τόσο απόθεμα κινητικής ενέργειας που μπορεί να ανέβει ξανά σχεδόν στο προηγούμενο ύψος του. (Μέρος της ενέργειας δαπανάται δουλεύοντας ενάντια στη δύναμη τριβής, οπότε ο δίσκος δεν φτάνει στο αρχικό του ύψος.) Αφού σηκωθεί, ο δίσκος πέφτει ξανά και μετά ανεβαίνει ξανά. Σε αυτό το πείραμα, όταν ο δίσκος κινείται προς τα κάτω, η δυναμική του ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια και όταν κινείται προς τα πάνω, η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια. Ο μετασχηματισμός της ενέργειας από τον έναν τύπο στον άλλο συμβαίνει επίσης όταν δύο ελαστικά σώματα συγκρούονται, για παράδειγμα, μια λαστιχένια μπάλα στο πάτωμα ή μια χαλύβδινη σφαίρα σε μια χαλύβδινη πλάκα. Αν σηκώσετε μια χαλύβδινη μπάλα (ρύζι) πάνω από μια ατσάλινη πλάκα και την απελευθερώσετε από τα χέρια σας, θα πέσει. Καθώς η μπάλα πέφτει, η δυναμική της ενέργεια μειώνεται και η κινητική της ενέργεια αυξάνεται, καθώς αυξάνεται η ταχύτητα της μπάλας. Όταν η μπάλα χτυπήσει στο πιάτο, τόσο η μπάλα όσο και η πλάκα θα συμπιεστούν. Η κινητική ενέργεια που είχε η μπάλα θα μετατραπεί σε δυναμική ενέργεια της συμπιεσμένης πλάκας και της συμπιεσμένης μπάλας. Στη συνέχεια, χάρη στη δράση των ελαστικών δυνάμεων, η πλάκα και η μπάλα θα πάρουν το αρχικό τους σχήμα. Η μπάλα θα αναπηδήσει από την πλάκα και η δυναμική της ενέργεια θα μετατραπεί ξανά στην κινητική ενέργεια της μπάλας: η μπάλα θα αναπηδήσει προς τα πάνω με ταχύτητα σχεδόν ίση με την ταχύτητα που είχε τη στιγμή που χτυπούσε στην πλάκα. Καθώς η μπάλα ανεβαίνει προς τα πάνω, η ταχύτητα της μπάλας, άρα και η κινητική της ενέργεια, μειώνεται, ενώ η δυναμική ενέργεια αυξάνεται. Έχοντας αναπηδήσει από την πλάκα, η μπάλα ανεβαίνει σχεδόν στο ίδιο ύψος από το οποίο άρχισε να πέφτει. Στο κορυφαίο σημείο της ανόδου, όλη η κινητική του ενέργεια θα μετατραπεί ξανά σε δυναμικό. Τα φυσικά φαινόμενα συνήθως συνοδεύονται από τη μετατροπή ενός τύπου ενέργειας σε άλλο. Η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί από το ένα σώμα στο άλλο. Για παράδειγμα, κατά την τοξοβολία, η δυναμική ενέργεια ενός τραβηγμένου τόξου μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια ενός ιπτάμενου βέλους.

Το μηχανικό έργο είναι ένα ενεργειακό χαρακτηριστικό της κίνησης των φυσικών σωμάτων, το οποίο έχει βαθμωτή μορφή. Είναι ίσο με το μέτρο της δύναμης που ασκεί το σώμα, πολλαπλασιασμένο με το μέτρο της μετατόπισης που προκαλεί η δύναμη αυτή και με το συνημίτονο της μεταξύ τους γωνίας.

Formula 1 - Μηχανική εργασία.

F - Δύναμη που ενεργεί στο σώμα.

s - Κίνηση σώματος.

cosa - συνημίτονο της γωνίας μεταξύ δύναμης και μετατόπισης.

Αυτή η φόρμουλα έχει μια γενική μορφή. Εάν η γωνία μεταξύ της ασκούμενης δύναμης και της μετατόπισης είναι μηδέν, τότε το συνημίτονο είναι ίσο με 1. Κατά συνέπεια, το έργο θα είναι ίσο μόνο με το γινόμενο της δύναμης και της μετατόπισης. Με απλά λόγια, εάν ένα σώμα κινείται προς την κατεύθυνση εφαρμογής της δύναμης, τότε το μηχανικό έργο είναι ίσο με το γινόμενο δύναμης και μετατόπισης.

Η δεύτερη ειδική περίπτωση είναι όταν η γωνία μεταξύ της δύναμης που ασκεί στο σώμα και της μετατόπισής του είναι 90 μοίρες. Σε αυτή την περίπτωση, το συνημίτονο των 90 μοιρών είναι ίσο με μηδέν, άρα το έργο θα είναι ίσο με μηδέν. Και πράγματι, αυτό που συμβαίνει είναι ότι ασκούμε δύναμη προς μία κατεύθυνση, και το σώμα κινείται κάθετα προς αυτήν. Δηλαδή, το σώμα σαφώς δεν κινείται υπό την επίδραση της δύναμης μας. Έτσι, το έργο που κάνει η δύναμή μας για να κινήσουμε το σώμα είναι μηδέν.

Εικόνα 1 - Έργο δυνάμεων κατά την κίνηση ενός σώματος.

Εάν σε ένα σώμα ασκούνται περισσότερες από μία δυνάμεις, τότε υπολογίζεται η συνολική δύναμη που ασκείται στο σώμα. Και μετά αντικαθίσταται στον τύπο ως η μόνη δύναμη. Ένα σώμα υπό την επίδραση δύναμης μπορεί να κινηθεί όχι μόνο ευθύγραμμα, αλλά και κατά μήκος μιας αυθαίρετης τροχιάς. Σε αυτή την περίπτωση, το έργο υπολογίζεται για ένα μικρό τμήμα κίνησης, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ευθύγραμμο και στη συνέχεια συνοψίζεται σε ολόκληρη τη διαδρομή.

Η εργασία μπορεί να είναι θετική και αρνητική. Δηλαδή, εάν η μετατόπιση και η δύναμη συμπίπτουν ως προς την κατεύθυνση, τότε το έργο είναι θετικό. Και αν ασκηθεί δύναμη προς μια κατεύθυνση και το σώμα κινηθεί προς μια άλλη, τότε το έργο θα είναι αρνητικό. Ένα παράδειγμα αρνητικής εργασίας είναι το έργο μιας δύναμης τριβής. Δεδομένου ότι η δύναμη τριβής κατευθύνεται αντίθετα με την κίνηση. Φανταστείτε ένα σώμα να κινείται κατά μήκος ενός αεροπλάνου. Μια δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα το ωθεί προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Αυτή η δύναμη κάνει θετική δουλειά για να κινήσει το σώμα. Αλλά ταυτόχρονα, η δύναμη τριβής κάνει αρνητικό έργο. Επιβραδύνει την κίνηση του σώματος και κατευθύνεται προς την κίνησή του.

Εικόνα 2 - Δύναμη κίνησης και τριβής.

Το μηχανικό έργο μετριέται σε Joules. Ένα Joule είναι το έργο που εκτελείται από μια δύναμη ενός Newton όταν μετακινείται ένα σώμα κατά ένα μέτρο. Εκτός από την κατεύθυνση κίνησης του σώματος, μπορεί να αλλάξει και το μέγεθος της ασκούμενης δύναμης. Για παράδειγμα, όταν ένα ελατήριο συμπιέζεται, η δύναμη που εφαρμόζεται σε αυτό θα αυξάνεται ανάλογα με την απόσταση που διανύεται. Σε αυτή την περίπτωση, η εργασία υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο.

Formula 2 - Εργασία συμπίεσης ελατηρίου.

k είναι η ακαμψία του ελατηρίου.

x - κινούμενη συντεταγμένη.

Μία από τις πιο σημαντικές έννοιες στη μηχανική είναι έργο δύναμης .

Έργο δύναμης

Όλα τα φυσικά σώματα στον κόσμο γύρω μας τίθενται σε κίνηση με τη βία. 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 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.

Σημειώστε ότι το έργο και η ενέργεια έχουν τις ίδιες μονάδες μέτρησης. Αυτό σημαίνει ότι η εργασία μπορεί να μετατραπεί σε ενέργεια. Για παράδειγμα, για να σηκωθεί ένα σώμα σε ένα ορισμένο ύψος, τότε θα έχει δυναμική ενέργεια, χρειάζεται μια δύναμη που θα κάνει αυτή τη δουλειά. Το έργο που γίνεται από την ανυψωτική δύναμη θα μετατραπεί σε δυναμική ενέργεια.

Ο κανόνας για τον προσδιορισμό της εργασίας σύμφωνα με το γράφημα εξάρτησης F(r):το έργο είναι αριθμητικά ίσο με το εμβαδόν του σχήματος κάτω από το γράφημα της δύναμης έναντι της μετατόπισης.

Γωνία μεταξύ διανύσματος δύναμης και μετατόπισης

1) Προσδιορίστε σωστά την κατεύθυνση της δύναμης που κάνει το έργο. 2) Απεικονίζουμε το διάνυσμα μετατόπισης. 3) Μεταφέρουμε τα διανύσματα σε ένα σημείο και παίρνουμε την επιθυμητή γωνία.

Στο σχήμα, το σώμα ασκείται από τη δύναμη της βαρύτητας (mg), την αντίδραση του στηρίγματος (N), τη δύναμη της τριβής (Ftr) και τη δύναμη τάσης του σχοινιού F, υπό την επίδραση της οποίας το σώμα κινείται r.

Έργο βαρύτητας

Εργασία αντίδρασης εδάφους

Έργο δύναμης τριβής

Εργασία που γίνεται με τάνυση σχοινιού

Έργο που γίνεται με τη δύναμη που προκύπτει

Το έργο που εκτελείται από την προκύπτουσα δύναμη μπορεί να βρεθεί με δύο τρόπους: 1η μέθοδος - ως το άθροισμα του έργου (λαμβάνοντας υπόψη τα σημάδια "+" ή "-") όλων των δυνάμεων που δρουν στο σώμα, στο παράδειγμά μας
Μέθοδος 2 - πρώτα απ 'όλα, βρείτε τη δύναμη που προκύπτει και, στη συνέχεια, απευθείας το έργο της, δείτε το σχήμα

Έργο ελαστικής δύναμης

Για να βρεθεί το έργο που κάνει η ελαστική δύναμη, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη ότι αυτή η δύναμη αλλάζει γιατί εξαρτάται από την επιμήκυνση του ελατηρίου. Από το νόμο του Hooke προκύπτει ότι όσο αυξάνεται η απόλυτη επιμήκυνση, αυξάνεται και η δύναμη.

Για να υπολογίσετε το έργο της ελαστικής δύναμης κατά τη μετάβαση ενός ελατηρίου (σώματος) από μη παραμορφωμένη κατάσταση σε παραμορφωμένη, χρησιμοποιήστε τον τύπο

Εξουσία

Μια κλιμακωτή ποσότητα που χαρακτηρίζει την ταχύτητα εργασίας (μπορεί να γίνει μια αναλογία με την επιτάχυνση, η οποία χαρακτηρίζει το ρυθμό μεταβολής της ταχύτητας). Καθορίζεται από τον τύπο

Αποδοτικότητα

Η αποδοτικότητα είναι ο λόγος της χρήσιμης εργασίας που εκτελείται από ένα μηχάνημα προς όλη την εργασία που δαπανάται (παρεχόμενη ενέργεια) κατά την ίδια χρονική περίοδο

Η απόδοση εκφράζεται ως ποσοστό. Όσο πιο κοντά είναι αυτός ο αριθμός στο 100%, τόσο υψηλότερη είναι η απόδοση του μηχανήματος. Δεν μπορεί να υπάρχει απόδοση μεγαλύτερη από 100, καθώς είναι αδύνατο να γίνει περισσότερη δουλειά χρησιμοποιώντας λιγότερη ενέργεια.

Η απόδοση ενός κεκλιμένου επιπέδου είναι ο λόγος του έργου που εκτελείται από τη βαρύτητα προς το έργο που δαπανάται για την κίνηση κατά μήκος του κεκλιμένου επιπέδου.

Το κύριο πράγμα που πρέπει να θυμάστε

1) Τύποι και μονάδες μέτρησης.
2) Η εργασία εκτελείται με τη βία.
3) Να είναι σε θέση να προσδιορίσει τη γωνία μεταξύ των διανυσμάτων δύναμης και μετατόπισης

Εάν το έργο που εκτελείται από μια δύναμη κατά την κίνηση ενός σώματος κατά μήκος μιας κλειστής διαδρομής είναι μηδέν, τότε τέτοιες δυνάμεις ονομάζονται συντηρητικόςή δυνητικός. Το έργο που γίνεται από τη δύναμη τριβής όταν κινείται ένα σώμα κατά μήκος μιας κλειστής διαδρομής δεν είναι ποτέ ίση με το μηδέν. Η δύναμη τριβής, σε αντίθεση με τη δύναμη της βαρύτητας ή της ελαστικής δύναμης, είναι μη συντηρητικόςή μη δυνητικό.

Υπάρχουν συνθήκες υπό τις οποίες ο τύπος δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί
Αν η δύναμη είναι μεταβλητή, αν η τροχιά της κίνησης είναι καμπύλη γραμμή. Σε αυτή την περίπτωση, η διαδρομή χωρίζεται σε μικρά τμήματα για τα οποία πληρούνται αυτές οι προϋποθέσεις και υπολογίζεται η στοιχειώδης εργασία σε καθένα από αυτά τα τμήματα. Το συνολικό έργο σε αυτή την περίπτωση είναι ίσο με το αλγεβρικό άθροισμα των στοιχειωδών έργων:

Η αξία του έργου που γίνεται από μια συγκεκριμένη δύναμη εξαρτάται από την επιλογή του συστήματος αναφοράς.

Το άλογο τραβάει το κάρο με κάποια δύναμη, ας το δηλώσουμε φάέλξη. Ο παππούς, καθισμένος στο κάρο, το πιέζει με λίγη δύναμη. Ας το χαρακτηρίσουμε φάπίεση Το κάρο κινείται κατά την κατεύθυνση της δύναμης έλξης του αλόγου (προς τα δεξιά), αλλά προς την κατεύθυνση της δύναμης πίεσης του παππού (προς τα κάτω) το κάρο δεν κινείται. Γι' αυτό στη φυσική το λένε φάη έλξη λειτουργεί στο καρότσι και φάη πίεση δεν κάνει δουλειά στο καρότσι.

Ετσι, εργασία δύναμης στο σώμα ή μηχανική εργασία– ένα φυσικό μέγεθος του οποίου το μέτρο είναι ίσο με το γινόμενο της δύναμης και της διαδρομής που διανύει το σώμα κατά την κατεύθυνση δράσης αυτής της δύναμηςμικρό:

Προς τιμήν του Άγγλου επιστήμονα D. Joule ονομάστηκε η μονάδα μηχανικής εργασίας 1 τζάουλ(σύμφωνα με τον τύπο, 1 J = 1 N m).

Εάν μια συγκεκριμένη δύναμη ασκεί το εν λόγω σώμα, τότε κάποιο σώμα ενεργεί σε αυτό. Να γιατί το έργο της δύναμης στο σώμα και το έργο του σώματος στο σώμα είναι πλήρη συνώνυμα.Ωστόσο, το έργο του πρώτου σώματος στο δεύτερο και το έργο του δεύτερου σώματος στο πρώτο είναι εν μέρει συνώνυμα, αφού οι συντελεστές αυτών των έργων είναι πάντα ίσοι και τα σημάδια τους είναι πάντα αντίθετα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο υπάρχει ένα σύμβολο "±" στον τύπο. Ας συζητήσουμε τα σημάδια της εργασίας με περισσότερες λεπτομέρειες.

Οι αριθμητικές τιμές της δύναμης και της διαδρομής είναι πάντα μη αρνητικές ποσότητες. Αντίθετα, η μηχανική εργασία μπορεί να έχει θετικά και αρνητικά σημάδια. Αν η κατεύθυνση της δύναμης συμπίπτει με την κατεύθυνση κίνησης του σώματος, τότε το έργο που κάνει η δύναμη θεωρείται θετικό.Εάν η κατεύθυνση της δύναμης είναι αντίθετη από την κατεύθυνση κίνησης του σώματος, το έργο που γίνεται από μια δύναμη θεωρείται αρνητικό(παίρνουμε το «–» από τον τύπο «±»). Αν η φορά κίνησης του σώματος είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της δύναμης, τότε μια τέτοια δύναμη δεν κάνει κανένα έργο, δηλαδή Α = 0.

Εξετάστε τρεις απεικονίσεις τριών πτυχών της μηχανικής εργασίας.

Η εργασία με τη βία μπορεί να φαίνεται διαφορετική από την οπτική γωνία διαφορετικών παρατηρητών.Ας εξετάσουμε ένα παράδειγμα: ένα κορίτσι ανεβαίνει σε ένα ασανσέρ. Κάνει μηχανικές εργασίες; Ένα κορίτσι μπορεί να κάνει δουλειά μόνο σε εκείνα τα σώματα που υφίστανται βία. Υπάρχει μόνο ένα τέτοιο σώμα - η καμπίνα του ανελκυστήρα, αφού η κοπέλα πιέζει το πάτωμά της με το βάρος της. Τώρα πρέπει να μάθουμε αν η καμπίνα πηγαίνει με συγκεκριμένο τρόπο. Ας εξετάσουμε δύο επιλογές: με ακίνητο και κινούμενο παρατηρητή.

Αφήστε το αγόρι παρατηρητή να καθίσει πρώτα στο έδαφος. Σε σχέση με αυτό, ο θάλαμος του ανελκυστήρα κινείται προς τα πάνω και περνά μια ορισμένη απόσταση. Το βάρος του κοριτσιού κατευθύνεται προς την αντίθετη κατεύθυνση - προς τα κάτω, επομένως, το κορίτσι εκτελεί αρνητική μηχανική εργασία στην καμπίνα: ΕΝΑ dev< 0. Вообразим, что мальчик-наблюдатель пересел внутрь кабины движущегося лифта. Как и ранее, вес девочки действует на пол кабины. Но теперь по отношению к такому наблюдателю кабина лифта не движется. Поэтому с точки зрения наблюдателя в кабине лифта девочка не совершает механическую работу: ΕΝΑ dev = 0.