การทำงานของแรงกำหนดอย่างไร? งานเครื่องกล

งานเครื่องกล. หน่วยงาน.

ในชีวิตประจำวัน ภายใต้แนวคิด "งาน" เราเข้าใจทุกอย่าง

ในทางฟิสิกส์ แนวคิด ทำงานแตกต่างกันบ้าง นี่คือปริมาณทางกายภาพบางอย่าง ซึ่งหมายความว่าสามารถวัดได้ ในทางฟิสิกส์ การศึกษาเป็นหลัก งานเครื่องกล .

พิจารณาตัวอย่างงานเครื่องกล

รถไฟเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของแรงฉุดของหัวรถจักรไฟฟ้าขณะทำงานเครื่องกล เมื่อปืนถูกยิง แรงดันของผงแก๊สจะทำงาน โดยจะเคลื่อนกระสุนไปตามลำกล้อง ขณะที่ความเร็วของกระสุนจะเพิ่มขึ้น

จากตัวอย่างเหล่านี้ จะเห็นได้ว่างานทางกลเกิดขึ้นเมื่อร่างกายเคลื่อนไหวภายใต้การกระทำของแรง งานทางกลยังดำเนินการในกรณีที่แรงที่กระทำต่อร่างกาย (เช่น แรงเสียดทาน) ลดความเร็วของการเคลื่อนที่

ต้องการย้ายตู้เรากดมันด้วยแรง แต่ถ้ามันไม่เคลื่อนที่ไปพร้อม ๆ กัน เราก็จะไม่ทำงานกลไก เราสามารถจินตนาการถึงกรณีที่ร่างกายเคลื่อนไหวโดยปราศจากการมีส่วนร่วมของแรง (โดยความเฉื่อย) ในกรณีนี้ งานทางกลก็ไม่ได้ดำเนินการเช่นกัน

ดังนั้น, งานกลจะทำได้ก็ต่อเมื่อแรงกระทำต่อร่างกายและเคลื่อนที่ .

เป็นเรื่องง่ายที่จะเข้าใจว่ายิ่งแรงกระทำต่อร่างกายและยิ่งเส้นทางที่ร่างกายผ่านไปภายใต้การกระทำของแรงนี้นานเท่าใดงานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

งานเครื่องกลเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงกระทำและเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะทางที่เคลื่อนที่ .

ดังนั้นเราจึงตกลงที่จะวัดงานทางกลโดยผลคูณของแรงและเส้นทางที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางของแรงนี้:

งาน = แรง × เส้นทาง

ที่ไหน แต่- ทำงาน, F- ความแข็งแกร่งและ ส- ระยะทางที่เดินทาง

หน่วยของงาน คือ งานที่ทำโดยแรง 1 นิวตัน บนเส้นทาง 1 เมตร

หน่วยงาน - จูล (เจ ) ตั้งชื่อตาม Joule นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ทางนี้,

1 J = 1N ม.

ยังใช้ กิโลจูล (kJ) .

1 kJ = 1,000 J.

สูตร A = Fsบังคับเมื่อกำลัง Fคงที่และสอดคล้องกับทิศทางการเคลื่อนที่ของร่างกาย

หากทิศทางของแรงตรงกับทิศทางการเคลื่อนที่ของร่างกาย แรงนี้ก็จะทำงานในเชิงบวก

หากการเคลื่อนที่ของร่างกายเกิดขึ้นในทิศทางตรงข้ามกับทิศทางของแรงที่กระทำ เช่น แรงเสียดทานจากการเลื่อน แรงนี้จะทำงานด้านลบ

หากทิศทางของแรงที่กระทำต่อร่างกายตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ แรงนี้จะไม่ทำงาน แสดงว่างานนั้นเป็นศูนย์:

คราวหน้าถ้าพูดถึงงานเครื่องกล เราจะเรียกสั้นๆ ว่า work กัน

ตัวอย่าง. คำนวณงานที่ทำเมื่อยกแผ่นหินแกรนิตที่มีปริมาตร 0.5 ม. 3 ให้สูง 20 ม. ความหนาแน่นของหินแกรนิตคือ 2,500 กก. / ม. 3

ที่ให้ไว้:

ρ \u003d 2500 กก. / ม. 3

วิธีการแก้:

โดยที่ F คือแรงที่ต้องใช้ในการยกจานขึ้นอย่างสม่ำเสมอ แรงนี้มีค่าเท่ากันในโมดูลัสต่อแรงของเส้นใย Fstrand ที่กระทำบนจาน นั่นคือ F = Fstrand และแรงโน้มถ่วงสามารถกำหนดได้โดยมวลของจาน: Ftyazh = gm. เราคำนวณมวลของแผ่นคอนกรีตโดยทราบปริมาตรและความหนาแน่นของหินแกรนิต: m = ρV; s = h นั่นคือ เส้นทางเท่ากับความสูงของทางขึ้น

ดังนั้น m = 2500 กก./ลบ.ม. 0.5 ลบ.ม. = 1250 กก.

F = 9.8 N/kg 1250 kg ≈ 12250 N.

A = 12,250 N 20 m = 245,000 J = 245 kJ

ตอบ: A = 245 กิโลจูล

คันโยก. พลัง. พลังงาน

เครื่องยนต์ที่ต่างกันใช้เวลาต่างกันในการทำงานแบบเดียวกัน ตัวอย่างเช่น เครนในไซต์ก่อสร้างยกอิฐหลายร้อยก้อนขึ้นไปที่ชั้นบนสุดของอาคารในเวลาไม่กี่นาที ถ้าคนงานจะย้ายอิฐเหล่านี้ เขาจะใช้เวลาหลายชั่วโมงในการทำเช่นนี้ ตัวอย่างอื่น. ม้าสามารถไถที่ดินได้หลายเฮกตาร์ใน 10-12 ชั่วโมง ในขณะที่รถไถพรวนไถพรวนหลายคัน ( คันไถ- ส่วนหนึ่งของคันไถที่ตัดชั้นดินจากด้านล่างและถ่ายโอนไปยังกองขยะ แชร์หลายรายการ - แชร์จำนวนมาก) งานนี้จะใช้เวลา 40-50 นาที

เป็นที่ชัดเจนว่าปั้นจั่นทำงานแบบเดียวกันได้เร็วกว่าคนงาน และรถแทรกเตอร์เร็วกว่าม้า ความเร็วในการทำงานนั้นมีค่าพิเศษที่เรียกว่าพลัง

กำลังไฟฟ้าเท่ากับอัตราส่วนของงานต่อเวลาที่ทำเสร็จ

ในการคำนวณกำลังงาน จำเป็นต้องแบ่งงานตามเวลาที่งานนี้เสร็จสิ้นกำลัง = งาน / เวลา

ที่ไหน นู๋- พลัง, อา- ทำงาน, t- เวลาของงานที่ทำ

กำลังเป็นค่าคงที่ เมื่องานเดียวกันเสร็จทุกวินาที ในกรณีอื่นอัตราส่วน ที่กำหนดกำลังเฉลี่ย:

นู๋ cf = ที่ . หน่วยของกำลังถูกนำมาเป็นกำลังซึ่งงานใน J เสร็จสิ้นใน 1 วินาที

หน่วยนี้เรียกว่าวัตต์ ( อ.) เพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษคนหนึ่งชื่อ Watt

1 วัตต์ = 1 จูล/1 วินาที, หรือ 1 วัตต์ = 1 เจ/วิ

วัตต์ (จูลต่อวินาที) - W (1 J / s)

หน่วยกำลังที่ใหญ่ขึ้นมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิศวกรรม - กิโลวัตต์ (กิโลวัตต์), เมกะวัตต์ (MW) .

1 เมกะวัตต์ = 1,000,000 วัตต์

1 กิโลวัตต์ = 1,000 วัตต์

1 mW = 0.001 W

1 วัตต์ = 0.000001 เมกะวัตต์

1 วัตต์ = 0.001 กิโลวัตต์

1 วัตต์ = 1,000 มิลลิวัตต์

ตัวอย่าง. จงหากำลังของการไหลของน้ำที่ไหลผ่านเขื่อน ถ้าความสูงของน้ำตกอยู่ที่ 25 ม. และอัตราการไหลคือ 120 ลบ.ม. ต่อนาที

ที่ให้ไว้:

ρ = 1,000 กก./ลบ.ม

วิธีการแก้:

มวลน้ำที่ตกลงมา: m = ρV,

ม. = 1,000 กก./ลบ.ม. 120 ลบ.ม. = 120,000 กก. (12 104 กก.)

แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อน้ำ:

F = 9.8 ม./วินาที2 120,000 กก. ≈ 1,200,000 นิวตัน (12 105 นิวตัน)

งานที่ทำต่อนาที:

A - 1,200,000 N 25 m = 30,000,000 J (3 107 J)

กระแสไฟ: N = A/t,

N = 30,000,000 J / 60 s = 500,000 W = 0.5 MW

ตอบ: N = 0.5 เมกะวัตต์

เครื่องยนต์ต่างๆ มีกำลังตั้งแต่หนึ่งในร้อยและสิบของกิโลวัตต์ (มอเตอร์ของมีดโกนไฟฟ้า จักรเย็บผ้า) ไปจนถึงหลายแสนกิโลวัตต์ (กังหันน้ำและไอน้ำ)

ตารางที่ 5

กำลังของเครื่องยนต์บางตัว กิโลวัตต์

เครื่องยนต์แต่ละตัวมีแผ่นป้าย (พาสปอร์ตเครื่องยนต์) ซึ่งมีข้อมูลบางอย่างเกี่ยวกับเครื่องยนต์ รวมทั้งกำลังของมัน

กำลังคนในสภาวะการทำงานปกติอยู่ที่ 70-80 วัตต์ โดยเฉลี่ย การกระโดด วิ่งขึ้นบันได บุคคลสามารถพัฒนากำลังไฟฟ้าได้สูงถึง 730 วัตต์ และในบางกรณีอาจมากกว่านั้นด้วยซ้ำ

จากสูตร N = A/t จะได้ว่า

ในการคำนวณงาน คุณต้องคูณกำลังตามเวลาที่งานนี้เสร็จสิ้น

ตัวอย่าง. มอเตอร์พัดลมของห้องมีกำลัง 35 วัตต์ เขาทำงานเท่าไหร่ใน 10 นาที?

ลองเขียนเงื่อนไขของปัญหาและแก้ไข

ที่ให้ไว้:

วิธีการแก้:

A = 35 W * 600 s = 21,000 W * s = 21,000 J = 21 kJ

ตอบ อา= 21 กิโลจูล

กลไกง่ายๆ

มนุษย์ได้ใช้อุปกรณ์ต่างๆ เพื่อทำงานเครื่องกลมาตั้งแต่ไหนแต่ไรแล้ว

ทุกคนรู้ดีว่าวัตถุหนัก (หิน ตู้ เครื่องจักร) ซึ่งไม่สามารถเคลื่อนย้ายด้วยมือ สามารถเคลื่อนย้ายได้ด้วยไม้เท้าที่ค่อนข้างยาว - คันโยก

ในขณะนี้มีความเชื่อกันว่าด้วยความช่วยเหลือของคันโยกเมื่อสามพันปีก่อนในระหว่างการก่อสร้างปิรามิดในอียิปต์โบราณแผ่นหินหนักถูกย้ายและยกขึ้นให้สูงมาก

ในหลายกรณี แทนที่จะยกของหนักขึ้นที่สูงระดับหนึ่ง มันสามารถม้วนหรือดึงให้สูงเท่ากันบนระนาบลาดเอียงหรือยกโดยใช้บล็อก

อุปกรณ์ที่ใช้ในการแปลงพลังงานเรียกว่า กลไก .

กลไกง่ายๆ ได้แก่ คันโยกและแบบต่างๆ - บล็อกประตู; ระนาบเอียงและความหลากหลาย - ลิ่ม, สกรู. ในกรณีส่วนใหญ่ กลไกง่ายๆ ถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้ความแข็งแรง เช่น เพื่อเพิ่มแรงที่กระทำต่อร่างกายหลายครั้ง

กลไกที่เรียบง่ายพบได้ทั้งในครัวเรือนและในเครื่องจักรในโรงงานและโรงงานที่ซับซ้อนทั้งหมดที่ตัด บิด และประทับตราแผ่นเหล็กขนาดใหญ่ หรือดึงเกลียวที่ดีที่สุดสำหรับทำผ้า กลไกเดียวกันนี้สามารถพบได้ในเครื่องออโตมาตะที่ทันสมัย ​​เครื่องพิมพ์และนับจำนวน

แขนก้านโยก. ความสมดุลของแรงบนคันโยก

พิจารณากลไกที่ง่ายและธรรมดาที่สุด - คันโยก

คันโยกเป็นแบบแข็งที่สามารถหมุนได้รอบการรองรับคงที่

ตัวเลขแสดงให้เห็นว่าคนงานใช้ชะแลงในการยกของขึ้นเป็นคันโยก ในกรณีแรกเป็นคนงานที่มีกำลังแรง Fกดปลายชะแลง บี, ในวินาที - ยกจุดสิ้นสุด บี.

คนงานต้องเอาชนะน้ำหนักบรรทุก พี- แรงพุ่งในแนวตั้งลง สำหรับสิ่งนี้เขาหมุนชะแลงรอบแกนผ่านเท่านั้น ไม่เคลื่อนไหวจุดแตกหัก - ศูนย์กลางของมัน อู๋. ความแข็งแกร่ง F, โดยที่คนงานกระทำบนคันโยก, แรงน้อยลง พี, ดังนั้นคนงานได้รับ เพิ่มกำลัง. ด้วยคันโยก คุณสามารถยกของหนักที่คุณไม่สามารถยกขึ้นเองได้

รูปแสดงคันโยกที่มีแกนหมุนเป็น อู๋(จุดศูนย์กลาง) อยู่ระหว่างจุดที่ใช้กำลัง แต่และ ที่. อีกรูปแสดงไดอะแกรมของคันโยกนี้ ทั้งสองกองกำลัง F 1 และ F 2 การกระทำบนคันโยกนั้นถูกชี้ไปในทิศทางเดียวกัน

ระยะทางที่สั้นที่สุดระหว่างจุดศูนย์กลางและเส้นตรงที่แรงกระทำต่อคันโยกเรียกว่าแขนของแรง

ในการหาไหล่ของแรง จำเป็นต้องลดเส้นตั้งฉากจากจุดศูนย์กลางไปยังแนวการกระทำของแรง

ความยาวของเส้นตั้งฉากนี้จะเป็นไหล่ของแรงนี้ จากรูปแสดงว่า OA- ความแข็งแรงของไหล่ F 1; OV- ความแข็งแรงของไหล่ F 2. แรงที่กระทำต่อคันโยกสามารถหมุนรอบแกนได้สองทิศทาง: ตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา ใช่อำนาจ F 1 หมุนคันโยกตามเข็มนาฬิกาและแรง F 2 หมุนทวนเข็มนาฬิกา

เงื่อนไขที่คันโยกอยู่ในสมดุลภายใต้การกระทำของแรงที่ใช้กับมันสามารถสร้างการทดลองได้ ในเวลาเดียวกัน ต้องจำไว้ว่าผลลัพธ์ของการกระทำของแรงไม่เพียงขึ้นอยู่กับค่าตัวเลข (โมดูลัส) เท่านั้น แต่ยังขึ้นกับจุดที่มันใช้กับวัตถุหรือทิศทางของมันด้วย

ตุ้มน้ำหนักต่างๆ จะถูกแขวนไว้ที่คันโยก (ดูรูป) ที่ทั้งสองด้านของจุดหมุน เพื่อให้คันโยกยังคงสมดุลในแต่ละครั้ง แรงที่กระทำต่อคันโยกจะเท่ากับน้ำหนักของโหลดเหล่านี้ สำหรับแต่ละกรณีจะมีการวัดโมดูลของแรงและไหล่ จากประสบการณ์ที่แสดงในรูปที่ 154 จะเห็นได้ว่าแรง 2 ชมสมดุลพลังงาน4 ชม. ในกรณีนี้ ดังที่เห็นได้จากภาพ ไหล่ที่มีกำลังน้อยกว่าจะใหญ่กว่าไหล่ที่มีกำลังมากกว่า 2 เท่า

บนพื้นฐานของการทดลองดังกล่าว เงื่อนไข (กฎ) ของความสมดุลของคันโยกได้ถูกสร้างขึ้น

คันโยกอยู่ในสมดุลเมื่อแรงที่กระทำต่อมันแปรผกผันกับไหล่ของแรงเหล่านี้

กฎนี้สามารถเขียนเป็นสูตรได้:

F 1/F 2 = l 2/ l 1 ,

ที่ไหน F 1และ F 2 - แรงที่กระทำต่อคันโยก l 1และ l 2 , - ไหล่ของกองกำลังเหล่านี้ (ดูรูป)

กฎสำหรับความสมดุลของคันโยกถูกสร้างขึ้นโดยอาร์คิมิดีสประมาณ 287-212 BC อี (แต่ย่อหน้าสุดท้ายไม่ได้บอกว่าชาวอียิปต์ใช้คันโยกใช่หรือไม่ หรือคำว่า "ก่อตั้ง" มีความสำคัญที่นี่)

จากกฎข้อนี้ แรงที่น้อยกว่าสามารถปรับสมดุลด้วยการยกระดับกำลังที่มากกว่า ให้แขนข้างหนึ่งของคันโยกมีขนาดใหญ่กว่าอีกข้าง 3 เท่า (ดูรูป) จากนั้น ใช้แรง เช่น 400 นิวตัน ที่จุด B เป็นไปได้ที่จะยกก้อนหินที่มีน้ำหนัก 1200 นิวตัน เพื่อที่จะยกของที่หนักกว่านั้น จำเป็นต้องเพิ่มความยาวของแขนคันโยกที่ คนงานกระทำ

ตัวอย่าง. คนงานใช้คันโยกยกแผ่นน้ำหนัก 240 กก. (ดูรูปที่ 149) เขาใช้แรงอะไรกับแขนที่ใหญ่กว่าของคันโยก ซึ่งก็คือ 2.4 ม. ถ้าแขนที่เล็กกว่าคือ 0.6 ม.

ลองเขียนเงื่อนไขของปัญหาแล้วแก้

ที่ให้ไว้:

วิธีการแก้:

ตามกฎสมดุลของคันโยก F1/F2 = l2/l1 ดังนั้น F1 = F2 l2/l1 โดยที่ F2 = P คือน้ำหนักของหิน น้ำหนักหิน asd = gm, F = 9.8 N 240 kg ≈ 2400 N

จากนั้น F1 = 2400 N 0.6 / 2.4 = 600 N

ตอบ: F1 = 600 น.

ในตัวอย่างของเรา ผู้ปฏิบัติงานเอาชนะแรง 2400 นิวตัน โดยใช้แรง 600 นิวตัน กับคันโยก แต่ในขณะเดียวกัน แขนที่คนงานกระทำนั้นยาวกว่าที่น้ำหนักของหินกระทำถึง 4 เท่า ( l 1 : l 2 = 2.4 ม.: 0.6 ม. = 4)

ด้วยการใช้กฎการงัด แรงที่มีขนาดเล็กกว่าสามารถสร้างสมดุลให้กับแรงที่ใหญ่กว่าได้ ในกรณีนี้ ไหล่ของกำลังที่เล็กกว่าจะต้องยาวกว่าไหล่ของกำลังที่มากกว่า

ช่วงเวลาแห่งพลัง

คุณรู้อยู่แล้วว่ากฎสมดุลของคันโยก:

F 1 / F 2 = l 2 / l 1 ,

โดยใช้คุณสมบัติของสัดส่วน (ผลคูณของเงื่อนไขสุดขั้วเท่ากับผลคูณของเทอมกลาง) เราเขียนในรูปแบบนี้:

F 1l 1 = F 2 l 2 .

ทางซ้ายของสมการเป็นผลคูณของแรง F 1 บนไหล่ของเธอ l 1 และด้านขวา - ผลคูณของแรง F 2 บนไหล่ของเธอ l 2 .

ผลคูณของโมดูลัสของแรงที่หมุนรอบตัวและแขนเรียกว่า ช่วงเวลาแห่งพลัง; มันเขียนแทนด้วยตัวอักษร M ดังนั้น

คันโยกอยู่ในสมดุลภายใต้การกระทำของสองแรง ถ้าโมเมนต์ของแรงที่หมุนตามเข็มนาฬิกาเท่ากับโมเมนต์ของแรงที่หมุนทวนเข็มนาฬิกา

กฎนี้เรียกว่า กฎชั่วขณะ สามารถเขียนเป็นสูตรได้ดังนี้

M1 = M2

อันที่จริง ในการทดลองที่เราได้พิจารณา (§ 56) แรงกระทำเท่ากับ 2 N และ 4 N ไหล่ของพวกมันตามลำดับคือแรงกดของคันโยก 4 และ 2 กล่าวคือ โมเมนต์ของแรงเหล่านี้จะเท่ากันเมื่อคันโยก อยู่ในภาวะสมดุล

โมเมนต์ของแรงสามารถวัดได้เช่นเดียวกับปริมาณทางกายภาพใดๆ โมเมนต์ของแรง 1 N ถือเป็นหน่วยของโมเมนต์ของแรง ซึ่งไหล่จะมีค่าเท่ากับ 1 ม.

หน่วยนี้เรียกว่า นิวตันเมตร (ยังไม่มีข้อความ).

โมเมนต์ของแรงแสดงถึงการกระทำของแรง และแสดงให้เห็นว่ามันขึ้นอยู่กับโมดูลัสของแรงและบนไหล่ของมันพร้อมกัน อันที่จริง เรารู้อยู่แล้ว ตัวอย่างเช่น ผลของแรงที่กระทำต่อประตูขึ้นอยู่กับโมดูลัสของแรงและตำแหน่งของแรงที่กระทำ ประตูหมุนได้ง่ายกว่า ยิ่งใช้แรงกระทำกับแกนหมุนห่างจากแกนหมุน คลายเกลียวน็อตด้วยประแจยาวดีกว่าคลายเกลียวแบบสั้น ยิ่งยกถังขึ้นจากบ่อง่ายเท่าไร ด้ามจับของประตูยิ่งยาวขึ้นเท่านั้น ฯลฯ

ยกระดับเทคโนโลยี ชีวิตประจำวัน และธรรมชาติ

กฎของคันโยก (หรือกฎของช่วงเวลา) รองรับการทำงานของเครื่องมือและอุปกรณ์ประเภทต่างๆ ที่ใช้ในเทคโนโลยีและชีวิตประจำวันที่ต้องการเพิ่มความแข็งแกร่งหรือบนท้องถนน

เรามีความแข็งแรงมากขึ้นเมื่อทำงานกับกรรไกร กรรไกร - มันเป็นคันโยก(ข้าว) แกนของการหมุนที่เกิดขึ้นผ่านสกรูที่เชื่อมต่อกรรไกรทั้งสองส่วน แรงกระทำ F 1 คือ ความแข็งแรงของกล้ามเนื้อมือของผู้บีบกรรไกร กองกำลังฝ่ายตรงข้าม F 2 - แรงต้านทานของวัสดุดังกล่าวที่ตัดด้วยกรรไกร อุปกรณ์ของพวกเขาจะแตกต่างกันขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของกรรไกร กรรไกรสำนักงาน ออกแบบมาสำหรับตัดกระดาษ มีใบมีดยาวและด้ามยาวเกือบเท่ากัน ไม่ต้องใช้แรงมากในการตัดกระดาษ และสะดวกกว่าในการตัดเป็นเส้นตรงด้วยใบมีดยาว กรรไกรสำหรับตัดแผ่นโลหะ (รูป) มีด้ามจับที่ยาวกว่าใบมีดมาก เนื่องจากความต้านทานของโลหะมีขนาดใหญ่และเพื่อให้สมดุล ไหล่ของแรงกระทำจะต้องเพิ่มขึ้นอย่างมาก ความแตกต่างระหว่างความยาวของด้ามจับกับระยะห่างของชิ้นส่วนตัดและแกนหมุนใน . แตกต่างกันมากยิ่งขึ้น เครื่องตัดลวด(รูป) ออกแบบมาสำหรับการตัดลวด

คันโยกประเภทต่างๆ มีอยู่หลายเครื่อง มือจับจักรเย็บผ้า แป้นเหยียบจักรยานหรือเบรกมือ แป้นเหยียบสำหรับรถยนต์และรถแทรกเตอร์ แป้นเปียโน ล้วนเป็นตัวอย่างของคันโยกที่ใช้ในเครื่องจักรและเครื่องมือเหล่านี้

ตัวอย่างการใช้คันโยก ได้แก่ มือจับของรองและโต๊ะทำงาน คันโยกของเครื่องเจาะ ฯลฯ

การกระทำของคานสมดุลยังขึ้นอยู่กับหลักการของคันโยก (รูปที่) มาตราส่วนการฝึกที่แสดงในรูปที่ 48 (หน้า 42) ทำหน้าที่เป็น คันโยกเท่าแขน . ที่ มาตราส่วนทศนิยมแขนที่ยกถ้วยตุ้มน้ำหนักไว้นั้นยาวกว่าแขนที่บรรทุกน้ำหนัก 10 เท่า วิธีนี้ช่วยลดความยุ่งยากในการชั่งน้ำหนักของบรรทุกขนาดใหญ่ เมื่อชั่งน้ำหนักน้ำหนักเป็นทศนิยม ให้คูณน้ำหนักของน้ำหนักด้วย 10

อุปกรณ์ชั่งน้ำหนักสำหรับชั่งน้ำหนักรถบรรทุกสินค้าของรถยนต์ก็ขึ้นอยู่กับกฎของคันโยกเช่นกัน

คันโยกยังพบได้ในส่วนต่าง ๆ ของร่างกายของสัตว์และมนุษย์ เช่น แขน ขา ขากรรไกร คันโยกจำนวนมากสามารถพบได้ในร่างกายของแมลง (เมื่ออ่านหนังสือเกี่ยวกับแมลงและโครงสร้างของร่างกาย) นกในโครงสร้างของพืช

การประยุกต์ใช้กฎความสมดุลของคันโยกกับบล็อก

ปิดกั้นเป็นวงล้อที่มีร่องเสริมในที่ยึด เชือก สายเคเบิล หรือโซ่ลากไปตามรางน้ำของบล็อก

บล็อกคงที่ บล็อกดังกล่าวเรียกว่าแกนซึ่งได้รับการแก้ไขและเมื่อยกของขึ้นจะไม่เพิ่มขึ้นและไม่ตก (รูปที่

บล็อกคงที่ถือได้ว่าเป็นคันโยกที่มีแขนเท่ากันซึ่งแขนของกองกำลังเท่ากับรัศมีของล้อ (รูปที่): OA = OB = r. บล็อกดังกล่าวไม่ได้ให้ความแข็งแกร่ง ( F 1 = F 2) แต่ให้คุณเปลี่ยนทิศทางของแรงได้ บล็อกเคลื่อนย้ายได้ เป็นบล็อก แกนที่ขึ้นและลงพร้อมกับโหลด (รูปที่) รูปแสดงคันโยกที่เกี่ยวข้อง: อู๋- จุดหมุนของคันโยก OA- ความแข็งแรงของไหล่ Rและ OV- ความแข็งแรงของไหล่ F. ตั้งแต่ไหล่ OVไหล่2เท่า OAแล้วแรง Fแรงน้อยกว่า 2 เท่า R:

F = P/2 .

ทางนี้, บล็อกที่เคลื่อนย้ายได้ให้ความแข็งแกร่งเพิ่มขึ้น 2 เท่า .

สิ่งนี้สามารถพิสูจน์ได้โดยใช้แนวคิดเรื่องโมเมนต์ของแรง เมื่อบล็อกอยู่ในสมดุล โมเมนต์ของแรง Fและ Rมีค่าเท่ากัน แต่ไหล่ของความแข็งแกร่ง Fแรงไหล่2เท่า Rซึ่งหมายความว่าพลังนั้นเอง Fแรงน้อยกว่า 2 เท่า R.

โดยปกติแล้ว ในทางปฏิบัติ จะใช้การรวมกันของบล็อกคงที่กับบล็อกที่เคลื่อนย้ายได้ (รูปที่) บล็อกคงที่ใช้เพื่อความสะดวกเท่านั้น มันไม่ได้เพิ่มความแข็งแกร่ง แต่เปลี่ยนทิศทางของแรง ตัวอย่างเช่น ช่วยให้คุณสามารถยกของได้ขณะยืนอยู่บนพื้น มีประโยชน์สำหรับคนหรือคนงานจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม มันให้พลังที่ได้รับมากกว่าปกติถึง 2 เท่า!

ความเท่าเทียมกันของงานเมื่อใช้กลไกง่ายๆ "กฎทอง" ของกลศาสตร์

กลไกง่ายๆ ที่เราพิจารณาแล้วถูกนำมาใช้ในการปฏิบัติงานในกรณีดังกล่าว เมื่อจำเป็นต้องสร้างสมดุลให้กับแรงอื่นด้วยการกระทำของแรงหนึ่ง

โดยธรรมชาติแล้ว คำถามเกิดขึ้น: การเพิ่มความแข็งแกร่งหรือเส้นทาง กลไกง่ายๆ ไม่ได้ให้ผลกำไรในการทำงานหรอกหรือ? คำตอบสำหรับคำถามนี้สามารถหาได้จากประสบการณ์

มีความสมดุลบนคันโยกสองแรงของโมดูลัสต่างกัน F 1 และ F 2 (รูป) ตั้งคันโยกให้เคลื่อนที่ ปรากฏว่าในขณะเดียวกัน จุดที่ใช้แรงน้อย F 2 ไปไกล ส 2 และจุดของการใช้กำลังที่มากขึ้น F 1 - เส้นทางที่เล็กกว่า ส 1. เมื่อวัดเส้นทางเหล่านี้และโมดูลแรง เราพบว่าเส้นทางที่เคลื่อนผ่านจุดที่ใช้แรงบนคันโยกเป็นสัดส่วนผกผันกับแรง:

ส 1 / ส 2 = F 2 / F 1.

ดังนั้นการกระทำบนแขนยาวของคันโยกทำให้เราได้รับความแข็งแกร่ง แต่ในขณะเดียวกันเราก็สูญเสียจำนวนเท่ากันระหว่างทาง

ผลผลิตของแรง Fระหว่างทาง สมีงาน. การทดลองของเราแสดงให้เห็นว่างานที่ทำโดยแรงที่ใช้กับคันโยกมีค่าเท่ากัน:

F 1 ส 1 = F 2 ส 2 คือ แต่ 1 = แต่ 2.

ดังนั้น, เมื่อใช้เลเวอเรจการชนะในงานจะไม่ทำงาน

ด้วยการใช้คันโยก เราสามารถชนะได้ทั้งในความแข็งแกร่งหรือระยะไกล การกระทำโดยแรงที่แขนสั้นของคันโยกเราได้รับระยะทาง แต่สูญเสียความแข็งแกร่งในปริมาณเท่ากัน

มีตำนานหนึ่งที่อาร์คิมิดีสรู้สึกยินดีกับการค้นพบกฎของคันโยกอุทาน: "ขอจุดศูนย์กลางให้ฉันแล้วฉันจะเปลี่ยนโลก!"

แน่นอน อาร์คิมิดีสไม่สามารถรับมือกับงานดังกล่าวได้แม้ว่าเขาจะได้รับจุดศูนย์กลาง (ซึ่งจะต้องอยู่นอกโลก) และคันโยกที่มีความยาวตามที่กำหนด

ในการยกพื้นโลกขึ้นเพียง 1 ซม. แขนยาวของคันโยกจะต้องอธิบายส่วนโค้งที่มีความยาวมหาศาล อาจต้องใช้เวลาหลายล้านปีในการเคลื่อนส่วนปลายของคันโยกไปตามเส้นทางนี้ เช่น ด้วยความเร็ว 1 เมตร/วินาที!

ไม่ให้ผลกำไรในการทำงานและบล็อกคงที่ซึ่งง่ายต่อการตรวจสอบโดยประสบการณ์ (ดูรูป) เส้นทางเดินตามจุดที่ใช้กำลัง Fและ Fเหมือนกัน แรงเหมือนกัน แปลว่างานเหมือนกัน

เป็นไปได้ที่จะวัดและเปรียบเทียบงานที่ทำโดยใช้บล็อกที่เคลื่อนย้ายได้ ในการยกของขึ้นสูง h ด้วยความช่วยเหลือของบล็อกที่เคลื่อนย้ายได้ จำเป็นต้องย้ายปลายเชือกที่ติดไดนาโมมิเตอร์ตามที่แสดง (รูป) ไปที่ความสูง 2 ชม.

ทางนี้, ได้รับความแข็งแกร่ง 2 เท่าพวกเขาสูญเสีย 2 ครั้งระหว่างทางดังนั้นบล็อกที่เคลื่อนย้ายไม่ได้ให้ผลกำไรในการทำงาน

การปฏิบัติมาหลายศตวรรษได้แสดงให้เห็นแล้วว่า ไม่มีกลไกใดที่ให้ผลกำไรในการทำงานกลไกต่าง ๆ ถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้มาซึ่งความแข็งแกร่งหรือระหว่างทางขึ้นอยู่กับสภาพการทำงาน

นักวิทยาศาสตร์โบราณรู้กฎที่ใช้บังคับกับกลไกทั้งหมดแล้ว: กี่ครั้งที่เราชนะด้วยความแข็งแกร่ง กี่ครั้งที่เราสูญเสียในระยะทาง กฎนี้เรียกว่า "กฎทอง" ของกลศาสตร์

ประสิทธิภาพของกลไก

เมื่อพิจารณาถึงอุปกรณ์และการทำงานของคันโยก เราไม่ได้คำนึงถึงความเสียดทาน รวมทั้งน้ำหนักของคันโยกด้วย ภายใต้สภาวะอุดมคติเหล่านี้ งานที่ทำโดยแรงกระทำ (เราจะเรียกสิ่งนี้ว่างานนี้ เสร็จสิ้น), เท่ากับ มีประโยชน์ยกของหนักหรือเอาชนะแรงต้านใดๆ

ในทางปฏิบัติ งานทั้งหมดที่ทำโดยกลไกนั้นค่อนข้างมากกว่างานที่มีประโยชน์เสมอ

ส่วนหนึ่งของงานทำกับแรงเสียดทานในกลไกและโดยการเคลื่อนย้ายชิ้นส่วนแต่ละส่วน ดังนั้น เมื่อใช้บล็อกที่เคลื่อนที่ได้ คุณจะต้องทำงานเพิ่มเติมในการยกตัวบล็อก เชือก และกำหนดแรงเสียดทานในแกนของบล็อก

ไม่ว่าเราจะเลือกกลไกใดก็ตาม งานที่มีประโยชน์ซึ่งทำได้ด้วยความช่วยเหลือนั้นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของงานทั้งหมดเท่านั้น ดังนั้นโดยหมายถึงงานที่มีประโยชน์ด้วยตัวอักษร Ap งานเต็ม (ใช้แล้ว) ด้วยตัวอักษร Az เราสามารถเขียนได้:

ขึ้น< Аз или Ап / Аз < 1.

อัตราส่วนของงานที่มีประโยชน์ต่องานทั้งหมดเรียกว่าประสิทธิภาพของกลไก

ประสิทธิภาพนั้นย่อมาจากประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพ = Ap / Az

ประสิทธิภาพมักจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์และเขียนแทนด้วยตัวอักษรกรีก η ซึ่งอ่านว่า "นี่":

η \u003d Ap / Az 100%

ตัวอย่าง: มวล 100 กก. ถูกระงับจากแขนสั้นของคันโยก ในการยกขึ้นใช้แรง 250 N กับแขนยาว โหลดถูกยกขึ้นที่ความสูง h1 = 0.08 m ในขณะที่จุดที่ใช้แรงขับเคลื่อนลดลงไปที่ความสูง h2 = 0.4 m หาประสิทธิภาพของ คันโยก

ลองเขียนเงื่อนไขของปัญหาและแก้ไข

ที่ให้ไว้ :

วิธีการแก้ :

η \u003d Ap / Az 100%

งานเต็ม (ใช้ไป) Az = Fh2.

งานที่มีประโยชน์ Ап = Рh1

P \u003d 9.8 100 กก. ≈ 1,000 N.

Ap \u003d 1,000 N 0.08 \u003d 80 J.

Az \u003d 250 N 0.4 m \u003d 100 J.

η = 80 J/100 J 100% = 80%

ตอบ : η = 80%

แต่ในกรณีนี้ "กฎทอง" ก็สำเร็จเช่นกัน ส่วนหนึ่งของงานที่มีประโยชน์ - 20% ของมัน - ใช้เพื่อเอาชนะแรงเสียดทานในแกนของคันโยกและแรงต้านของอากาศ เช่นเดียวกับการเคลื่อนที่ของคันโยกเอง

ประสิทธิภาพของกลไกใด ๆ มักจะน้อยกว่า 100% โดยการออกแบบกลไก ผู้คนมักจะเพิ่มประสิทธิภาพ ในการทำเช่นนี้แรงเสียดทานในแกนของกลไกและน้ำหนักจะลดลง

พลังงาน.

ในโรงงานและโรงงาน เครื่องจักรและเครื่องจักรขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้า (จึงเป็นที่มาของชื่อ)

สปริงอัด (ข้าว) ยืดออก ทำงาน ยกของขึ้นที่สูง หรือทำให้รถเข็นเคลื่อนที่ โหลดแบบเคลื่อนย้ายไม่ได้ที่ยกขึ้นเหนือพื้นดินไม่ทำงาน แต่ถ้าภาระนี้ตกลงมา ก็สามารถทำงานได้ (เช่น มันสามารถตอกเสาเข็มลงไปที่พื้นได้) ร่างกายที่เคลื่อนไหวทุกคนมีความสามารถในการทำงาน ดังนั้น ลูกเหล็ก A (ข้าว) กลิ้งลงมาจากระนาบเอียง ชนกับบล็อกไม้ B เคลื่อนตัวเป็นระยะทางหนึ่ง ในการทำเช่นนั้นงานจะทำ หากร่างกายหรือร่างกายที่มีปฏิสัมพันธ์หลายอย่าง (ระบบของร่างกาย) สามารถทำงานได้ เรียกว่ามีพลังงาน พลังงาน - ปริมาณทางกายภาพที่แสดงสิ่งที่ร่างกายทำงาน (หรือหลายหน่วยงาน) สามารถทำได้ พลังงานจะแสดงในระบบ SI ในหน่วยเดียวกับงาน เช่น ใน จูลส์. ยิ่งร่างกายทำงานได้มากเท่าไหร่ ก็ยิ่งมีพลังงานมากขึ้นเท่านั้น เมื่องานเสร็จสิ้น พลังงานของร่างกายจะเปลี่ยนไป งานที่ทำได้เท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน พลังงานศักย์และพลังงานจลน์ ศักยภาพ (จาก lat.ความแรง - ความเป็นไปได้) พลังงานเรียกว่าพลังงานซึ่งถูกกำหนดโดยตำแหน่งร่วมกันของร่างกายที่มีปฏิสัมพันธ์และส่วนต่าง ๆ ของร่างกายเดียวกัน ตัวอย่างเช่น พลังงานศักย์มีร่างกายที่ยกขึ้นเมื่อเทียบกับพื้นผิวโลก เนื่องจากพลังงานนั้นขึ้นอยู่กับตำแหน่งสัมพัทธ์ของโลกและโลก และแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน หากเราพิจารณาว่าพลังงานศักย์ของร่างกายที่วางอยู่บนโลกมีค่าเท่ากับศูนย์ พลังงานศักย์ของร่างกายที่ยกขึ้นสูงระดับหนึ่งจะถูกกำหนดโดยงานที่ทำโดยแรงโน้มถ่วงเมื่อร่างกายตกลงสู่พื้นโลก แสดงถึงพลังงานศักย์ของร่างกาย อี n เพราะ อี = เอและงานอย่างที่เราทราบนั้นเท่ากับผลคูณของแรงและวิถี ดังนั้น A = Fh, ที่ไหน F- แรงโน้มถ่วง. ดังนั้นพลังงานศักย์ En เท่ากับ: E = Fh หรือ E = gmh ที่ไหน g- ความเร่งของแรงโน้มถ่วง ม- มวลร่างกาย, ชม.- ความสูงที่ร่างกายยกขึ้น น้ำในแม่น้ำที่เขื่อนกั้นไว้มีพลังงานศักย์มหาศาล เมื่อตกลงมา น้ำก็ทำงาน ทำให้เกิดกังหันอันทรงพลังของโรงไฟฟ้าเคลื่อนที่ พลังงานศักย์ของค้อนมะพร้าว (รูป) ใช้ในการก่อสร้างเพื่อดำเนินการตอกเสาเข็ม โดยการเปิดประตูด้วยสปริง งานเสร็จแล้วเพื่อยืด (หรือบีบอัด) สปริง เนื่องจากพลังงานที่ได้มา สปริง หดตัว (หรือยืด) ทำงาน ปิดประตู พลังงานของสปริงที่บีบอัดและไม่บิดงอถูกนำมาใช้ เช่น ในนาฬิกาข้อมือ ของเล่นเครื่องจักรต่างๆ เป็นต้น ร่างกายที่บิดเบี้ยวยืดหยุ่นมีพลังงานที่อาจเกิดขึ้นพลังงานศักย์ของก๊าซอัดถูกใช้ในการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน ในค้อนทุบ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเหมืองแร่ ในการก่อสร้างถนน การขุดดินแข็ง ฯลฯ พลังงานที่ร่างกายครอบครองอันเป็นผลมาจากการเคลื่อนไหวของมันเรียกว่าจลนศาสตร์ (จากภาษากรีก.โรงหนัง - การเคลื่อนไหว) พลังงาน พลังงานจลน์ของร่างกายแสดงด้วยตัวอักษร อีถึง. การเคลื่อนที่ของน้ำ การขับเคลื่อนกังหันของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ ใช้พลังงานจลน์และทำงาน อากาศที่เคลื่อนที่ยังมีพลังงานจลน์ - ลม พลังงานจลน์ขึ้นอยู่กับอะไร? ให้เราหันไปหาประสบการณ์ (ดูรูป) หากคุณกลิ้งลูกบอล A จากความสูงต่างกัน คุณจะสังเกตเห็นว่ายิ่งลูกบอลกลิ้งสูงขึ้นเท่าไร ความเร็วของลูกบอลก็จะมากขึ้นเท่านั้น และยิ่งทำให้แท่งไม้เคลื่อนตัวได้ไกลขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ มันทำงานได้ดีกว่า ซึ่งหมายความว่าพลังงานจลน์ของร่างกายขึ้นอยู่กับความเร็วของมัน เนื่องจากความเร็ว กระสุนบินจึงมีพลังงานจลน์ขนาดใหญ่ พลังงานจลน์ของร่างกายก็ขึ้นอยู่กับมวลของมันด้วย ลองทำการทดลองกันอีกครั้ง แต่เราจะกลิ้งลูกบอลอีกลูกหนึ่ง - มวลที่ใหญ่กว่า - จากระนาบเอียง Block B จะเดินหน้าต่อไป กล่าวคือ งานจะเสร็จมากขึ้น ซึ่งหมายความว่าพลังงานจลน์ของลูกบอลลูกที่สองมีค่ามากกว่าลูกแรก ยิ่งมวลของร่างกายและความเร็วเคลื่อนที่มากเท่าใด พลังงานจลน์ของวัตถุก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เพื่อกำหนดพลังงานจลน์ของร่างกาย ใช้สูตร: เอก \u003d mv ^ 2 / 2, ที่ไหน ม- มวลร่างกาย, วีคือความเร็วของร่างกาย พลังงานจลน์ของร่างกายใช้ในเทคโนโลยี น้ำที่เขื่อนกักเก็บมีพลังงานศักย์สูงดังที่ได้กล่าวไปแล้ว เมื่อตกลงมาจากเขื่อน น้ำจะเคลื่อนที่และมีพลังงานจลน์ขนาดใหญ่เท่ากัน มันขับกังหันที่เชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า เนื่องจากพลังงานจลน์ของน้ำ พลังงานไฟฟ้าจึงถูกสร้างขึ้น พลังงานของน้ำเคลื่อนที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเศรษฐกิจของประเทศ พลังงานนี้ถูกใช้โดยโรงไฟฟ้าพลังน้ำที่ทรงพลัง พลังงานของน้ำที่ตกลงมาเป็นแหล่งพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งแตกต่างจากพลังงานเชื้อเพลิง วัตถุทั้งหมดในธรรมชาติ สัมพันธ์กับค่าศูนย์ตามเงื่อนไข มีศักย์ศักย์หรือพลังงานจลน์ และบางครั้งก็มีทั้งสองอย่าง ตัวอย่างเช่น เครื่องบินที่บินได้มีทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์สัมพันธ์กับโลก เราคุ้นเคยกับพลังงานกลสองประเภท พลังงานประเภทอื่น (ไฟฟ้า ภายใน ฯลฯ) จะได้รับการพิจารณาในส่วนอื่นๆ ของหลักสูตรฟิสิกส์ การแปลงพลังงานกลประเภทหนึ่งไปเป็นพลังงานกลประเภทอื่น ปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงของพลังงานกลประเภทหนึ่งไปเป็นอีกประเภทหนึ่งสะดวกมากที่จะสังเกตบนอุปกรณ์ที่แสดงในรูป ไขเกลียวรอบแกน ยกดิสก์ของอุปกรณ์ขึ้น ดิสก์ที่ยกขึ้นมีพลังงานศักย์อยู่บ้าง หากปล่อยไปก็จะหมุนและล้มลง พลังงานศักย์ของดิสก์จะลดลง แต่ในขณะเดียวกันพลังงานจลน์ของดิสก์ก็เพิ่มขึ้นด้วย ในตอนท้ายของฤดูใบไม้ร่วงดิสก์มีพลังงานจลน์สำรองที่สามารถเพิ่มขึ้นเกือบถึงความสูงก่อนหน้าได้อีกครั้ง (ส่วนหนึ่งของพลังงานถูกใช้ไปกับการเสียดสี ดังนั้นดิสก์ไม่ถึงความสูงเดิม) เมื่อลุกขึ้น ดิสก์ก็ตกลงมาอีกครั้ง แล้วก็เพิ่มขึ้นอีกครั้ง ในการทดลองนี้ เมื่อดิสก์เคลื่อนตัวลง พลังงานศักย์ของมันถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ และเมื่อเคลื่อนที่ขึ้น พลังงานจลน์จะถูกแปลงเป็นพลังงานศักย์ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจากประเภทหนึ่งไปเป็นอีกประเภทหนึ่งยังเกิดขึ้นเมื่อวัตถุยืดหยุ่นสองตัวกระทบกัน เช่น ลูกบอลยางบนพื้นหรือลูกเหล็กบนแผ่นเหล็ก หากคุณยกลูกเหล็ก (ข้าว) ขึ้นเหนือแผ่นเหล็กแล้วปล่อยออกจากมือก็จะตกลงมา เมื่อลูกบอลตกลงมา พลังงานศักย์จะลดลง และพลังงานจลน์จะเพิ่มขึ้น เมื่อความเร็วของลูกบอลเพิ่มขึ้น เมื่อลูกบอลกระทบเพลท ทั้งลูกและเพลทจะถูกอัด พลังงานจลน์ที่ลูกบอลครอบครองจะเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ของแผ่นอัดและลูกบีบอัด จากนั้นเนื่องจากการกระทำของแรงยืดหยุ่น เพลทและลูกบอลจะมีรูปทรงเดิม ลูกบอลจะกระเด็นออกจากจาน และพลังงานศักย์ของพวกมันจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ของลูกบอลอีกครั้ง: ลูกบอลจะกระเด้งขึ้นไปด้วยความเร็วที่เกือบจะเท่ากับความเร็วที่มันมีในขณะที่กระทบกับจาน เมื่อลูกบอลลอยขึ้น ความเร็วของลูกบอล และด้วยเหตุนี้พลังงานจลน์ของลูกบอลจึงลดลง และพลังงานศักย์ก็เพิ่มขึ้น กระเด็นออกจากจานลูกบอลพุ่งสูงขึ้นเกือบเท่าเดิมที่มันเริ่มตกลงมา ที่ด้านบนสุดของทางขึ้น พลังงานจลน์ทั้งหมดจะเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์อีกครั้ง ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติมักจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานประเภทหนึ่งไปเป็นอีกประเภทหนึ่ง พลังงานยังสามารถถ่ายโอนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อยิงจากธนู พลังงานศักย์ของสายธนูที่ยืดออกจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของลูกธนูที่บินได้

งานเครื่องกลเป็นลักษณะพลังงานของการเคลื่อนที่ของวัตถุซึ่งมีรูปแบบสเกลาร์ มันเท่ากับโมดูลัสของแรงที่กระทำต่อร่างกาย คูณด้วยโมดูลัสของการกระจัดที่เกิดจากแรงนี้และโคไซน์ของมุมระหว่างพวกมัน

สูตร 1 - งานเครื่องกล

F - แรงที่กระทำต่อร่างกาย

s - การเคลื่อนไหวของร่างกาย

cosa - โคไซน์ของมุมระหว่างแรงและการกระจัด

สูตรนี้มีรูปแบบทั่วไป ถ้ามุมระหว่างแรงที่ใช้กับการกระจัดเป็นศูนย์ โคไซน์จะเป็น 1 ดังนั้น งานจะเท่ากับผลคูณของแรงและการกระจัดเท่านั้น พูดง่ายๆ ก็คือ ถ้าร่างกายเคลื่อนที่ไปในทิศทางของการใช้แรง งานทางกลก็เท่ากับผลคูณของแรงและการกระจัด

กรณีพิเศษที่สองคือเมื่อมุมระหว่างแรงที่กระทำต่อร่างกายกับการกระจัดของมันคือ 90 องศา ในกรณีนี้ โคไซน์ของ 90 องศาเท่ากับศูนย์ ตามลำดับ งานจะเท่ากับศูนย์ และแท้จริงแล้ว สิ่งที่เกิดขึ้นคือเราใช้กำลังในทิศทางเดียว และร่างกายเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับมัน นั่นคือเห็นได้ชัดว่าร่างกายไม่เคลื่อนไหวภายใต้อิทธิพลของพลังของเรา ดังนั้นงานของแรงของเราในการเคลื่อนย้ายร่างกายจึงเป็นศูนย์

รูปที่ 1 - การทำงานของกองกำลังเมื่อเคลื่อนย้ายร่างกาย

หากมีแรงกระทำต่อร่างกายมากกว่าหนึ่งแรง แรงทั้งหมดที่กระทำต่อร่างกายจะถูกคำนวณ แล้วแทนค่าลงในสูตรเป็นแรงอย่างเดียว ร่างกายภายใต้การกระทำของแรงสามารถเคลื่อนที่ได้ไม่เพียงแค่เป็นเส้นตรงเท่านั้น แต่ยังเคลื่อนที่ไปตามวิถีโคจรตามอำเภอใจด้วย ในกรณีนี้ งานจะถูกคำนวณสำหรับส่วนเล็ก ๆ ของการเคลื่อนไหว ซึ่งถือได้ว่าเป็นเส้นตรงแล้วจึงสรุปตามเส้นทางทั้งหมด

งานสามารถเป็นได้ทั้งบวกและลบ นั่นคือถ้าการกระจัดและแรงไปในทิศทางเดียวกัน งานจะเป็นบวก และถ้าแรงไปในทิศทางเดียวและร่างกายเคลื่อนไปอีกทางหนึ่ง งานก็จะเป็นลบ ตัวอย่างของงานเชิงลบคืองานของแรงเสียดทาน เนื่องจากแรงเสียดทานพุ่งตรงไปที่การเคลื่อนไหว ลองนึกภาพร่างกายเคลื่อนที่ไปตามเครื่องบิน แรงที่ใช้กับร่างกายผลักไปในทิศทางที่แน่นอน พลังนี้ทำงานในเชิงบวกเพื่อเคลื่อนย้ายร่างกาย แต่ในขณะเดียวกัน แรงเสียดทานก็ทำงานด้านลบ มันทำให้การเคลื่อนไหวของร่างกายช้าลงและมุ่งไปที่การเคลื่อนไหว

รูปที่ 2 - แรงของการเคลื่อนไหวและแรงเสียดทาน

งานในกลศาสตร์มีหน่วยวัดเป็นจูล หนึ่งจูลเป็นงานที่ทำโดยแรงหนึ่งนิวตันเมื่อวัตถุเคลื่อนที่หนึ่งเมตร นอกจากทิศทางการเคลื่อนที่ของร่างกายแล้ว ขนาดของแรงที่กระทำยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อสปริงถูกบีบอัด แรงที่กระทำกับสปริงจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของระยะทางที่เคลื่อนที่ ในกรณีนี้งานจะถูกคำนวณโดยสูตร

สูตร 2 - งานบีบอัดสปริง

k คือความแข็งของสปริง

x - ย้ายพิกัด

หนึ่งในแนวคิดที่สำคัญที่สุดในกลศาสตร์ กำลังแรงงาน .

บังคับทำงาน

ร่างกายทั้งหมดในโลกรอบตัวเราถูกขับเคลื่อนด้วยกำลัง หากวัตถุที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันหรือตรงกันข้ามได้รับอิทธิพลจากแรงหรือหลายแรงจากวัตถุหนึ่งวัตถุขึ้นไป พวกเขากล่าวว่า งานเสร็จแล้ว .

นั่นคืองานทางกลกระทำโดยแรงที่กระทำต่อร่างกาย ดังนั้น แรงฉุดของหัวรถจักรไฟฟ้าทำให้รถไฟทั้งขบวนเคลื่อนที่ ดังนั้นจึงทำงานเกี่ยวกับกลไก จักรยานขับเคลื่อนด้วยกล้ามเนื้อขาของนักปั่นจักรยาน ดังนั้นแรงนี้จึงทำงานทางกลด้วย

ในวิชาฟิสิกส์ งานบังคับ เรียกว่าปริมาณทางกายภาพที่เท่ากับผลคูณของโมดูลัสของแรง โมดูลัสของการกระจัดของจุดที่ใช้แรงและโคไซน์ของมุมระหว่างเวกเตอร์ของแรงและการกระจัด

A = F s cos (F, s) ,

ที่ไหน F โมดูลัสของแรง,

ส- โมดูลการเคลื่อนไหว .

งานจะเสร็จสิ้นเสมอหากมุมระหว่างลมแรงและการกระจัดไม่เท่ากับศูนย์ ถ้าแรงกระทำในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางของการเคลื่อนที่ ปริมาณของงานจะเป็นลบ

งานจะไม่เสร็จสิ้นหากไม่มีแรงกระทำต่อร่างกาย หรือถ้ามุมระหว่างแรงที่กระทำกับทิศทางการเคลื่อนที่เท่ากับ 90 o (cos 90 o \u003d 0)

ถ้าม้าดึงเกวียน แรงกล้ามของม้าหรือแรงฉุดที่มุ่งไปในทิศทางของเกวียนก็จะทำงาน และแรงโน้มถ่วงที่คนขับกดลงบนรถเข็นก็ใช้งานไม่ได้ เพราะมันพุ่งลงด้านล่างในแนวตั้งฉากกับทิศทางของการเคลื่อนไหว

งานของแรงคือปริมาณสเกลาร์

หน่วย SI ของงาน - จูล 1 จูล คือ งานที่ทำโดยแรง 1 นิวตันที่ระยะ 1 เมตร ถ้าทิศทางของแรงและการกระจัดเท่ากัน

หากแรงหลายแรงกระทำต่อวัตถุหรือจุดวัตถุ แสดงว่าแรงกระทำนั้นเกิดจากแรงผลลัพธ์

หากแรงที่ใช้ไม่คงที่ งานของมันจะถูกคำนวณเป็นอินทิกรัล:

พลัง

แรงที่ทำให้ร่างกายเคลื่อนไหวทำงานทางกล แต่วิธีการทำงานนี้ให้เสร็จเร็วหรือช้านั้นบางครั้งสำคัญมากที่ต้องรู้ในทางปฏิบัติ ท้ายที่สุด งานเดียวกันสามารถทำได้ในเวลาที่ต่างกัน งานที่มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ทำได้ด้วยมอเตอร์ขนาดเล็ก แต่จะใช้เวลานานกว่านั้นมากในการทำเช่นนั้น

ในกลศาสตร์มีปริมาณที่กำหนดความเร็วของงาน ค่านี้เรียกว่า พลัง.

กำลังคืออัตราส่วนของงานที่ทำในช่วงเวลาหนึ่งต่อมูลค่าของช่วงเวลานี้

N= เอ /∆ t

ตามคำจำกัดความ เอ = F ส cos α , แ s/∆ เสื้อ = วี , เพราะเหตุนี้

N= F วี cos α = F วี ,

ที่ไหน F - ความแข็งแกร่ง, วี ความเร็ว, α คือมุมระหว่างทิศทางของแรงกับทิศทางของความเร็ว

นั่นคือ พลัง - คือผลคูณสเกลาร์ของเวกเตอร์แรงและเวกเตอร์ความเร็วของร่างกาย.

ในระบบ SI สากล กำลังวัดเป็นวัตต์ (W)

กำลัง 1 วัตต์คือการทำงานของ 1 จูล (J) ที่ทำใน 1 วินาที

สามารถเพิ่มกำลังได้โดยการเพิ่มแรงที่ทำงานหรืออัตราการทำงานนี้

โปรดทราบว่างานและพลังงานมีหน่วยวัดเท่ากัน ซึ่งหมายความว่างานสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานได้ ตัวอย่างเช่น เพื่อที่จะยกร่างกายขึ้นสูงระดับหนึ่ง มันจะมีพลังงานศักย์ จำเป็นต้องใช้แรงที่จะทำงานนี้ การทำงานของแรงยกจะถูกแปลงเป็นพลังงานศักย์

กฎการกำหนดงานตามกราฟการพึ่งพา F(r):งานมีค่าเท่ากับพื้นที่ของรูปใต้กราฟแรงเทียบกับการกระจัด

มุมระหว่างเวกเตอร์แรงกับการกระจัด

1) กำหนดทิศทางของแรงที่ทำงานอย่างถูกต้อง 2) เราพรรณนาเวกเตอร์การกระจัด; 3) เราถ่ายโอนเวกเตอร์ไปยังจุดหนึ่ง เราได้มุมที่ต้องการ

ในรูป ร่างกายได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง (มก.) ปฏิกิริยาสนับสนุน (N) แรงเสียดทาน (Ftr) และแรงดึงของเชือก F ภายใต้อิทธิพลที่ร่างกายเคลื่อนที่ r

การทำงานของแรงโน้มถ่วง

รองรับงานปฏิกิริยา

การทำงานของแรงเสียดทาน

งานตึงเชือก

ผลงานของแรงลัพธ์

การทำงานของแรงลัพธ์สามารถพบได้ในสองวิธี: 1 วิธี - เป็นผลรวมของงาน (โดยคำนึงถึงเครื่องหมาย "+" หรือ "-") ของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อร่างกายในตัวอย่างของเรา
วิธีที่ 2 - ก่อนอื่น ให้หาแรงลัพธ์จากนั้นทำงานโดยตรง ดูรูป

การทำงานของแรงยืดหยุ่น

ในการหางานที่ทำโดยแรงยืดหยุ่น จำเป็นต้องคำนึงว่าแรงนี้เปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากขึ้นอยู่กับการยืดตัวของสปริง จากกฎของฮุคตามด้วยการยืดตัวสัมบูรณ์ที่เพิ่มขึ้น แรงจะเพิ่มขึ้น

ในการคำนวณการทำงานของแรงยืดหยุ่นระหว่างการเปลี่ยนสปริง (ตัว) จากสภาพที่ไม่มีรูปร่างเป็นรูปร่างผิดปกติ ให้ใช้สูตร

พลัง

ค่าสเกลาร์ที่กำหนดความเร็วของการทำงาน (การเปรียบเทียบสามารถวาดด้วยความเร่ง ซึ่งกำหนดลักษณะความเร็วของการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว) กำหนดโดยสูตร

ประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพคืออัตราส่วนของงานที่มีประโยชน์ที่เครื่องทำต่องานทั้งหมดที่ใช้ไป (พลังงานที่ให้มา) ในเวลาเดียวกัน

ปัจจัยด้านประสิทธิภาพแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ ยิ่งตัวเลขนี้อยู่ใกล้ 100% ประสิทธิภาพของเครื่องก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ไม่สามารถมีประสิทธิภาพมากกว่า 100 เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะทำงานมากขึ้นโดยใช้พลังงานน้อยลง

ประสิทธิภาพของระนาบเอียงคืออัตราส่วนของงานที่ทำโดยแรงโน้มถ่วงต่องานที่ใช้ในการเคลื่อนที่ไปตามระนาบเอียง

สิ่งสำคัญที่ต้องจำ

1) สูตรและหน่วยวัด
2) งานทำด้วยกำลัง
3) สามารถกำหนดมุมระหว่างเวกเตอร์ของแรงและการกระจัดได้

ถ้าแรงกระทำเมื่อเคลื่อนที่วัตถุไปตามเส้นทางปิดเป็นศูนย์ แรงดังกล่าวจะเรียกว่า ซึ่งอนุรักษ์นิยมหรือ ศักยภาพ. การทำงานของแรงเสียดทานเมื่อเคลื่อนย้ายวัตถุไปตามเส้นทางปิดจะไม่เท่ากับศูนย์ แรงเสียดทานซึ่งตรงกันข้ามกับแรงโน้มถ่วงหรือความยืดหยุ่นคือ ไม่อนุรักษ์นิยมหรือ ไม่มีศักยภาพ.

มีเงื่อนไขว่าใช้สูตรไม่ได้
ถ้าแรงเป็นตัวแปร ถ้าวิถีการเคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง ในกรณีนี้ เส้นทางจะแบ่งออกเป็นส่วนเล็กๆ ซึ่งตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้ และคำนวณงานเบื้องต้นในแต่ละส่วนเหล่านี้ งานทั้งหมดในกรณีนี้เท่ากับผลรวมเชิงพีชคณิตของงานพื้นฐาน:

มูลค่างานของแรงบางอย่างขึ้นอยู่กับการเลือกระบบอ้างอิง

ม้าดึงเกวียนด้วยแรงหน่อย แสดงว่า Fแรงฉุด คุณปู่ซึ่งนั่งอยู่บนเกวียนใช้แรงกดทับเธอ แสดงว่า Fความกดดัน เกวียนเคลื่อนที่ไปในทิศทางของแรงดึงของม้า (ไปทางขวา) แต่ไปในทิศทางของแรงกดของปู่ (ลง) เกวียนจะไม่เคลื่อนที่ ดังนั้นในทางฟิสิกส์จึงกล่าวว่า Fแรงฉุดทำงานบนเกวียนและ Fความดันไม่ทำงานบนรถเข็น

ดังนั้น, งานที่ทำโดยแรงบนร่างกาย งานเครื่องกล- ปริมาณทางกายภาพ โมดูลัสซึ่งเท่ากับผลคูณของแรงและเส้นทางที่ร่างกายเคลื่อนที่ไปตามทิศทางการกระทำของแรงนี้ส:

เพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ D. Joule ได้ตั้งชื่อหน่วยของงานเครื่องกล 1 จูล(ตามสูตร 1 J = 1 N m)

ถ้าแรงบางอย่างกระทำต่อร่างกายที่พิจารณา ร่างกายนั้นก็จะกระทำกับร่างกายนั้น นั่นเป็นเหตุผลที่ การทำงานของแรงในร่างกายและการทำงานของร่างกายบนร่างกายเป็นคำพ้องความหมายที่สมบูรณ์อย่างไรก็ตาม งานของร่างแรกในส่วนที่สองและงานของตัวที่สองในส่วนแรกนั้นเป็นคำพ้องความหมายบางส่วน เนื่องจากโมดูลของงานเหล่านี้มีค่าเท่ากันเสมอ และสัญญาณขององค์ประกอบนั้นตรงกันข้ามเสมอ นั่นคือเหตุผลที่เครื่องหมาย "±" ปรากฏในสูตร มาคุยรายละเอียดงานกันดีกว่า

ค่าตัวเลขของแรงและเส้นทางจะเป็นค่าที่ไม่เป็นลบเสมอ ในทางตรงกันข้าม งานเครื่องกลสามารถมีทั้งสัญญาณบวกและลบ ถ้าทิศทางของแรงตรงกับทิศทางการเคลื่อนที่ของร่างกาย แสดงว่า งานที่ทำโดยกำลังถือเป็นบวกถ้าทิศทางของแรงอยู่ตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ งานที่ทำโดยกำลังถือเป็นลบ(เราใช้ "-" จากสูตร "±") ถ้าทิศทางการเคลื่อนที่ของร่างกายตั้งฉากกับทิศทางของแรง เช่นนั้น แรงดังกล่าวไม่ทำงาน นั่นคือ A = 0

ขอ​พิจารณา​ภาพประกอบ​สาม​เรื่อง​ใน​สาม​ด้าน​ของ​งาน​เครื่อง​กล.

การทำงานโดยใช้กำลังอาจดูแตกต่างไปจากมุมมองของผู้สังเกตที่แตกต่างกันลองพิจารณาตัวอย่าง: เด็กผู้หญิงกำลังขึ้นลิฟต์ มันทำงานเครื่องกลหรือไม่? เด็กผู้หญิงสามารถทำงานได้เฉพาะกับร่างกายที่เธอใช้กำลัง มีเพียงร่างเดียวเท่านั้น - รถลิฟต์ขณะที่หญิงสาวกดน้ำหนักลงบนพื้น ตอนนี้เราต้องค้นหาว่าห้องโดยสารไปทางไหน พิจารณาสองทางเลือก: กับผู้สังเกตการณ์นิ่งและเคลื่อนไหว

ให้เด็กผู้สังเกตการณ์นั่งบนพื้นก่อน รถลิฟต์เคลื่อนขึ้นและไปทางใดทางหนึ่ง น้ำหนักของหญิงสาวพุ่งไปในทิศทางตรงกันข้าม - ลงดังนั้นหญิงสาวจึงทำงานเชิงกลเชิงลบในห้องโดยสาร: อาหญิงพรหมจารี< 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: อาเดฟ = 0