Energie: energie potenţială şi cinetică. Formula pentru energia cinetică Cum se găsește energia în fizică

Energia cinetică - o mărime fizică scalară egală cu jumătate din produsul masei unui corp și pătratul vitezei acestuia.

Pentru a înțelege care este energia cinetică a unui corp, luați în considerare cazul când un corp de masă m sub influența unei forțe constante (F=const) se mișcă în linie dreaptă cu accelerație uniformă (a=const). Să determinăm munca efectuată de forța aplicată corpului atunci când modulul de viteză al acestui corp se modifică de la v1 la v2.

După cum știm, munca unei forțe constante este calculată prin formula. Deoarece în cazul pe care îl luăm în considerare, direcția forței F și deplasarea s coincid, atunci , și atunci obținem că lucrul forței este egal cu A = Fs. Folosind a doua lege a lui Newton, găsim forța F=ma. Pentru mișcarea rectilinie uniform accelerată formula este valabilă:

Din această formulă exprimăm mișcarea corpului:

Înlocuim valorile găsite ale lui F și S în formula de lucru și obținem:

Din ultima formulă este clar că munca unei forțe aplicată unui corp atunci când viteza acestui corp se modifică este egală cu diferența dintre două valori ale unei anumite cantități. Iar munca mecanică este o măsură a schimbării energiei. Prin urmare, în partea dreaptă a formulei se află diferența dintre cele două valori energetice ale unui corp dat. Aceasta înseamnă că cantitatea reprezintă energia datorată mișcării corpului. Această energie se numește energie cinetică. Este desemnată Wк.

Dacă luăm formula de lucru pe care am derivat-o, atunci vom obține

Munca efectuată de o forță atunci când viteza unui corp se modifică este egală cu modificarea energie cinetică acest corp

Exista si:

Energie potentiala:

În formula am folosit:

Energia cinetică

Greutatea corporală

Viteza corpului

Lucrări mecanice. Unități de lucru.

În viața de zi cu zi, înțelegem totul prin conceptul de „muncă”.

În fizică, conceptul Post oarecum diferit. Este o mărime fizică definită, ceea ce înseamnă că poate fi măsurată. În fizică se studiază în primul rând lucru mecanic .

Să ne uităm la exemple de lucru mecanic.

Trenul se deplasează sub forța de tracțiune a unei locomotive electrice și se efectuează lucrări mecanice. Când se trage un pistol, forța de presiune a gazelor pulbere funcționează - mută glonțul de-a lungul țevii, iar viteza glonțului crește.

Din aceste exemple reiese clar că lucrul mecanic este efectuat atunci când un corp se mișcă sub influența forței. Lucrul mecanic este efectuat și în cazul în care o forță care acționează asupra unui corp (de exemplu, forța de frecare) reduce viteza de mișcare a acestuia.

Dorind să mutam dulapul, apăsăm puternic pe el, dar dacă nu se mișcă, atunci nu efectuăm lucrări mecanice. Se poate imagina un caz în care un corp se mișcă fără participarea forțelor (prin inerție, în acest caz, nici un lucru mecanic nu este efectuat).

Aşa, munca mecanica se face numai atunci cand asupra unui corp actioneaza o forta si acesta se misca .

Nu este greu de înțeles că, cu cât forța acționează mai mare asupra corpului și cu cât este mai lungă calea pe care corpul o parcurge sub influența acestei forțe, cu atât munca depusă este mai mare.

Lucrul mecanic este direct proportional cu forta aplicata si direct proportional cu distanta parcursa .

Prin urmare, am convenit să măsurăm lucrul mecanic prin produsul forței și calea parcursă de-a lungul acestei direcții a acestei forțe:

munca = forta × cale

Unde O- Job, F- puterea si s- distanta parcursa.

O unitate de lucru este considerată munca efectuată de o forță de 1 N pe o cale de 1 m.

unitate de lucru - joule (J ) numit după savantul englez Joule. Astfel,

1 J = 1 N m.

De asemenea, folosit kilojulii (kJ) .

1 kJ = 1000 J.

Formula A = Fs aplicabil atunci când forța F constantă și coincide cu direcția de mișcare a corpului.

Dacă direcția forței coincide cu direcția de mișcare a corpului, atunci puterea dată face o treabă pozitivă.

Dacă corpul se mișcă în direcția opusă direcției forței aplicate, de exemplu, forța de frecare de alunecare, atunci această forță face un lucru negativ.

Dacă direcția forței care acționează asupra corpului este perpendiculară pe direcția mișcării, atunci această forță nu lucrează, munca este zero:

În viitor, vorbind despre munca mecanică, o vom numi pe scurt într-un singur cuvânt - muncă.

Exemplu. Calculați munca efectuată la ridicarea unei plăci de granit cu un volum de 0,5 m3 la o înălțime de 20 m. Densitatea granitului este de 2500 kg/m3.

Dat:

ρ = 2500 kg/m 3

Soluţie:

unde F este forța care trebuie aplicată pentru a ridica uniform placa. Această forță este egală ca modul cu forța Fstrand care acționează asupra plăcii, adică F = Fstrand. Iar forța gravitațională poate fi determinată de masa plăcii: Fgreutate = gm. Să calculăm masa plăcii, cunoscând volumul acesteia și densitatea granitului: m = ρV; s = h, adică traseul este egal cu înălțimea de ridicare.

Deci, 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.

Răspuns: A = 245 kJ.

Pârghii.Putere.Energie

Pentru a efectua aceeași muncă, necesită motoare diferite timpuri diferite. De exemplu, o macara de la un șantier ridică sute de cărămizi la ultimul etaj al unei clădiri în câteva minute. Dacă aceste cărămizi ar fi mutate de un muncitor, i-ar lua câteva ore să facă acest lucru. Un alt exemplu. Un cal poate ară un hectar de pământ în 10-12 ore, în timp ce un tractor cu plug cu mai multe cote ( prag- parte din plug care taie stratul de pământ de dedesubt și îl transferă în groapă; plug multiplu - multe pluguri), această lucrare va fi finalizată în 40-50 de minute.

Este clar că o macara face aceeași muncă mai repede decât un muncitor, iar un tractor face aceeași muncă mai repede decât un cal. Viteza de lucru este caracterizată de o cantitate specială numită putere.

Puterea este egală cu raportul dintre muncă și timpul în care a fost efectuată.

Pentru a calcula puterea, trebuie să împărțiți munca la timpul în care se efectuează această muncă. putere = munca/timp.

Unde N- putere, O- Job, t- timpul de lucru finalizat.

Puterea este o cantitate constantă atunci când aceeași muncă este efectuată în fiecare secundă, în alte cazuri, raportul; La determină puterea medie:

N medie = La . Unitatea de putere este considerată puterea la care J de lucru este realizat în 1 s.

Această unitate se numește watt ( W) în onoarea unui alt om de știință englez, Watt.

1 watt = 1 joule/1 secundă, sau 1 W = 1 J/s.

Watt (joule pe secundă) - W (1 J/s).

Unitățile mai mari de putere sunt utilizate pe scară largă în tehnologie - kilowatt (kW), megawatt (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

Exemplu. Aflați puterea debitului de apă care curge prin baraj dacă înălțimea căderii de apă este de 25 m și debitul său este de 120 m3 pe minut.

Dat:

ρ = 1000 kg/m3

Soluţie:

Masa apei care cade: m = ρV,

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

Forța gravitației care acționează asupra apei:

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

Lucru efectuat prin debit pe minut:

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

Puterea debitului: N = A/t,

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

Răspuns: N = 0,5 MW.

Diverse motoare au puteri variind de la sutimi și zecimi de kilowatt (motor electric de ras, maşină de cusut) până la sute de mii de kilowați (turbine cu apă și abur).

Tabelul 5.

Puterea unor motoare, kW.

Fiecare motor are o placă (pașaport motor), care indică unele informații despre motor, inclusiv puterea acestuia.

Puterea umană în condiții normale de funcționare este în medie de 70-80 W. Când sare sau alergă pe scări, o persoană poate dezvolta o putere de până la 730 W și, în unele cazuri, chiar mai mult.

Din formula N = A/t rezultă că

Pentru a calcula munca, este necesar să înmulțiți puterea cu timpul în care a fost efectuată această muncă.

Exemplu. Motorul ventilatorului camerei are o putere de 35 de wați. Cât de mult lucrează în 10 minute?

Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.

Dat:

Soluţie:

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

Răspuns O= 21 kJ.

Mecanisme simple.

Din cele mai vechi timpuri, omul a folosit diverse dispozitive pentru a efectua lucrări mecanice.

Toată lumea știe că un obiect greu (o piatră, un dulap, o mașină unealtă), care nu poate fi deplasat cu mâna, poate fi mutat folosind un băț suficient de lung - o pârghie.

În prezent, se crede că, cu ajutorul pârghiilor în urmă cu trei mii de ani, în timpul construcției piramidelor din Egiptul Antic, plăcile grele de piatră au fost mutate și ridicate la înălțimi mari.

În multe cazuri, în loc să ridice o sarcină grea la o anumită înălțime, aceasta poate fi rulată sau trasă la aceeași înălțime de-a lungul unui plan înclinat sau ridicată cu ajutorul blocurilor.

Dispozitivele folosite pentru a converti forța sunt numite mecanisme .

Mecanismele simple includ: pârghii și varietățile sale - bloc, poartă; planul înclinat și soiurile sale - pană, șurub. În cele mai multe cazuri, mecanisme simple sunt folosite pentru a câștiga forță, adică pentru a crește forța care acționează asupra corpului de mai multe ori.

Mecanisme simple se găsesc atât în ​​gospodărie, cât și în toate mașinile complexe industriale și din fabrică care taie, răsucesc și ștampilă cearșafuri mari oțel sau tragere cele mai fine fire, din care se fac apoi țesături. Aceleași mecanisme pot fi găsite în mașinile automate complexe moderne, mașinile de tipărit și numărat.

Pârghie. Echilibrul de forțe pe pârghie.

Să luăm în considerare cel mai simplu și mai comun mecanism - pârghia.

O pârghie este un corp rigid care se poate roti în jurul unui suport fix.

Imaginile arată cum un muncitor folosește o rangă ca pârghie pentru a ridica o încărcătură. În primul caz, muncitorul cu forță F apasă capătul rangei B, în al doilea - ridică capătul B.

Muncitorul trebuie să depășească greutatea încărcăturii P- forta indreptata vertical in jos. Pentru a face acest lucru, el întoarce ranga în jurul unei axe care trece prin singura nemişcat punctul de rupere este punctul de sprijin al acestuia DESPRE. Rezistenţă F cu care lucrătorul acționează asupra pârghiei este mai puțină forță P, astfel lucrătorul primește câștigă în forță. Folosind o pârghie, puteți ridica o sarcină atât de mare încât să nu o puteți ridica singur.

Figura prezintă o pârghie a cărei axă de rotație este DESPRE(fulcrul) este situat între punctele de aplicare a forțelor OŞi ÎN. O altă imagine arată o diagramă a acestei pârghii. Ambele forțe F 1 și F 2 care acționează asupra pârghiei sunt direcționate într-o singură direcție.

Cea mai scurtă distanță dintre punct de sprijin și linia dreaptă de-a lungul căreia forța acționează asupra pârghiei se numește braț de forță.

Lungimea acestei perpendiculare va fi brațul acestei forțe. Figura arată că OA- puterea umerilor F 1; OB- puterea umerilor F 2. Forțele care acționează asupra pârghiei o pot roti în jurul axei sale în două direcții: în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic. Da, putere F 1 rotește pârghia în sensul acelor de ceasornic și forța F 2 îl rotește în sens invers acelor de ceasornic.

Condiția în care pârghia se află în echilibru sub influența forțelor aplicate acesteia poate fi stabilită experimental. Trebuie amintit că rezultatul forței depinde nu numai de valoarea sa numerică (modul), ci și de punctul în care este aplicată corpului sau de modul în care este direcționată.

Diferite greutăți sunt suspendate de pârghie (vezi figura) pe ambele părți ale punctului de sprijin, astfel încât de fiecare dată pârghia să rămână în echilibru. Forțele care acționează asupra pârghiei sunt egale cu greutățile acestor sarcini. Pentru fiecare caz se măsoară modulele de forță și umerii acestora. Din experiența prezentată în Figura 154, este clar că forța 2 N echilibrează forța 4 N. În acest caz, după cum se poate observa din figură, umărul cu forță mai mică este de 2 ori mai mare decât umărul cu putere mai mare.

Pe baza unor astfel de experimente s-a stabilit condiția (regula) echilibrului pârghiei.

O pârghie este în echilibru atunci când forțele care acționează asupra ei sunt invers proporționale cu brațele acestor forțe.

Această regulă poate fi scrisă sub formă de formulă:

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

Unde F 1Şi F 2 - forte care actioneaza asupra manetei, l 1Şi l 2 , - umerii acestor forţe (vezi figura).

Regula echilibrului pârghiei a fost stabilită de Arhimede în jurul anilor 287 - 212. î.Hr e. (dar în ultimul paragraf se spunea că pârghiile erau folosite de egipteni? Sau aici rol important joacă cu cuvântul „instalat”?)

Din această regulă rezultă că o forță mai mică poate fi folosită pentru a echilibra o forță mai mare folosind o pârghie. Lăsați un braț al pârghiei să fie de 3 ori mai mare decât celălalt (vezi figura). Apoi, aplicând o forță de, de exemplu, 400 N în punctul B, puteți ridica o piatră cu o greutate de 1200 N. Pentru a ridica o sarcină și mai grea, trebuie să măriți lungimea brațului de pârghie asupra căruia lucrătorul acționează.

Exemplu. Cu ajutorul unei pârghii, un muncitor ridică o placă cu o greutate de 240 kg (vezi Fig. 149). Ce forță aplică el brațului de pârghie mai mare de 2,4 m dacă brațul mai mic are 0,6 m?

Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.

Dat:

Soluţie:

Conform regulii de echilibru a pârghiei, F1/F2 = l2/l1, de unde F1 = F2 l2/l1, unde F2 = P este greutatea pietrei. Greutatea pietrei asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N

Apoi, F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.

Răspuns: F1 = 600 N.

În exemplul nostru, muncitorul depășește o forță de 2400 N, aplicând o forță de 600 N pârghiei Dar în acest caz, brațul asupra căruia acționează muncitorul este de 4 ori mai lung decât cel asupra căruia acționează greutatea pietrei. ( l 1 : l 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).

Prin aplicarea regulii pârghiei, o forță mai mică poate echilibra o forță mai mare. În acest caz, umărul cu forță mai mică ar trebui să fie mai lung decât umărul cu forță mai mare.

Moment de putere.

Știți deja regula echilibrului pârghiei:

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

Folosind proprietatea proporției (produsul membrilor săi extremi este egal cu produsul membrilor săi din mijloc), îl scriem sub această formă:

F 1l 1 = F 2 l 2 .

În partea stângă a ecuației se află produsul forței F 1 pe umărul ei l 1, iar în dreapta - produsul forței F 2 pe umărul ei l 2 .

Se numește produsul dintre modulul forței care rotește corpul și umărul acestuia moment de forta; este desemnat prin litera M. Aceasta înseamnă

O pârghie este în echilibru sub acțiunea a două forțe dacă momentul forței care o rotește în sensul acelor de ceasornic este egal cu momentul forței care o rotește în sens invers acelor de ceasornic.

Această regulă se numește regula momentelor , poate fi scris sub formă de formulă:

M1 = M2

Într-adevăr, în experimentul pe care l-am avut în vedere (§ 56), forțele care acționau au fost egale cu 2 N și 4 N, umerii lor s-au ridicat la 4 și respectiv 2 presiuni ale pârghiei, adică momentele acestor forțe sunt aceleași atunci când pârghia este în echilibru. .

Momentul forței, ca orice mărime fizică, poate fi măsurat. Unitatea de măsură a momentului de forță este considerată un moment de forță de 1 N, al cărui braț este exact 1 m.

Această unitate se numește newtonmetru (N m).

Momentul forței caracterizează acțiunea unei forțe și arată că acesta depinde simultan atât de modulul forței, cât și de pârghia acesteia. Într-adevăr, știm deja, de exemplu, că acțiunea unei forțe asupra unei uși depinde atât de mărimea forței, cât și de locul în care se aplică forța. Cu cât este mai ușor să rotești ușa, cu atât se aplică forța care acționează asupra ei mai departe de axa de rotație. Este mai bine să deșurubați piulița lung cheie decât scurtă. Cu cât este mai ușor să ridici o găleată din fântână, cu atât mânerul porții este mai lung etc.

Pârghii în tehnologie, viața de zi cu zi și natură.

Regula efectului de pârghie (sau regula momentelor) stă la baza acțiunii diferitelor tipuri de instrumente și dispozitive utilizate în tehnologie și viața de zi cu zi, unde este necesar un câștig în forță sau deplasare.

Avem un câștig în forță atunci când lucrăm cu foarfecele. Foarfece - aceasta este o pârghie(fig), a cărui axă de rotație are loc printr-un șurub care leagă ambele jumătăți ale foarfecelor. Forța de acțiune F 1 este forța musculară a mâinii persoanei care ține foarfeca. Contraforța F 2 este forța de rezistență a materialului tăiat cu foarfecele. În funcție de scopul foarfecelor, designul acestora variază. Foarfecele de birou, concepute pentru tăierea hârtiei, au lame lungi și mânere care au aproape aceeași lungime. Tăierea hârtiei nu necesită multă forță, iar o lamă lungă facilitează tăierea în linie dreaptă. Foarfecele pentru tăierea tablei (Fig.) au mânere mult mai lungi decât lamele, deoarece forța de rezistență a metalului este mare și pentru a o echilibra, brațul forței de acționare trebuie crescut semnificativ. Diferența dintre lungimea mânerelor și distanța piesei de tăiere și axa de rotație este și mai mare tăietori de sârmă(Fig.), conceput pentru tăierea sârmei.

Pârghii diverse tipuri disponibil pe multe mașini. Mânerul unei mașini de cusut, pedalele sau frâna de mână a unei biciclete, pedalele unei mașini și ale unui tractor și clapele unui pian sunt toate exemple de pârghii utilizate în aceste mașini și unelte.

Exemple de utilizare a pârghiilor sunt mânerele menghinelor și bancurilor de lucru, pârghia unei mașini de găurit etc.

Acțiunea cântarilor pârghiei se bazează pe principiul pârghiei (Fig.). Scalele de antrenament prezentate în Figura 48 (p. 42) acţionează ca pârghie cu brațe egale . ÎN scale zecimale Umărul de care este suspendată cupa cu greutăți este de 10 ori mai lung decât umărul care poartă sarcina. Acest lucru face mult mai ușoară cântărirea sarcinilor mari. Când cântăriți o încărcătură pe o cântar zecimal, ar trebui să înmulțiți masa greutăților cu 10.

Dispozitivul cântarelor pentru cântărirea vagoanelor de marfă ale mașinilor se bazează și pe regula efectului de pârghie.

Pârghiile se găsesc și în diferite părți corpurile animalelor și ale oamenilor. Acestea sunt, de exemplu, brațele, picioarele, fălcile. Multe pârghii pot fi găsite în corpul insectelor (prin citirea unei cărți despre insecte și structura corpului lor), păsări și în structura plantelor.

Aplicarea legii echilibrului a unei pârghii la un bloc.

Bloc Este o roată cu canelură, montată într-un suport. O frânghie, un cablu sau un lanț este trecut prin canelura blocului.

Bloc fix Acesta este un bloc a cărui axă este fixă ​​și nu se ridică sau coboară la ridicarea sarcinilor (Fig).

Un bloc fix poate fi considerat o pârghie cu brațe egale, în care brațele forțelor sunt egale cu raza roții (Fig): OA = OB = r. Un astfel de bloc nu oferă un câștig în forță. ( F 1 = F 2), dar vă permite să schimbați direcția forței. Bloc mobil - acesta este un bloc. a cărui axă urcă și coboară odată cu sarcina (Fig.). Figura prezintă pârghia corespunzătoare: DESPRE- punctul de sprijin al manetei, OA- puterea umerilor RŞi OB- puterea umerilor F. De la umăr OB de 2 ori umărul OA, apoi puterea F de 2 ori mai puțină forță R:

F = P/2 .

Astfel, blocul mobil oferă un câștig de 2 ori în forță .

Acest lucru poate fi demonstrat folosind conceptul de moment al forței. Când blocul este în echilibru, momentele forțelor FŞi R egale între ele. Dar umărul puterii F de 2 ori pârghia Rși, prin urmare, puterea însăși F de 2 ori mai puțină forță R.

De obicei, în practică se folosește o combinație între un bloc fix și unul mobil (Fig.). Blocul fix este folosit doar pentru confort. Nu dă un câștig în forță, dar schimbă direcția forței. De exemplu, vă permite să ridicați o încărcătură în timp ce stați pe pământ. Acest lucru este util pentru mulți oameni sau lucrători. Cu toate acestea, oferă un câștig în forță de 2 ori mai mare decât de obicei!

Egalitatea muncii atunci când se utilizează mecanisme simple. „Regula de aur” a mecanicii.

Mecanismele simple pe care le-am luat în considerare sunt folosite la efectuarea lucrărilor în cazurile în care este necesară echilibrarea unei alte forțe prin acțiunea unei forțe.

Desigur, se pune întrebarea: în timp ce oferă un câștig în forță sau cale, mecanismele simple nu oferă un câștig în muncă? Răspunsul la această întrebare poate fi obținut din experiență.

Prin echilibrarea a două forțe de mărime diferită pe o pârghie F 1 și F 2 (fig.), puneți maneta în mișcare. Rezultă că, în același timp, punctul de aplicare a forței mai mici F 2 merge mai departe s 2 și punctul de aplicare al forței mai mari F 1 - cale mai scurtă s 1. După ce am măsurat aceste căi și module de forță, constatăm că traseele parcurse de punctele de aplicare a forțelor pe pârghie sunt invers proporționale cu forțele:

s 1 / s 2 = F 2 / F 1.

Astfel, acționând asupra brațului lung al pârghiei, câștigăm în forță, dar în același timp pierdem cu aceeași cantitate pe parcurs.

Produsul forței F pe drum s există de lucru. Experimentele noastre arată că munca efectuată de forțele aplicate pârghiei este egală între ele:

F 1 s 1 = F 2 s 2, adică O 1 = O 2.

Aşa, Când utilizați pârghia, nu veți putea câștiga la serviciu.

Folosind pârghia, putem câștiga fie în putere, fie în distanță. Aplicând forță brațului scurt al pârghiei, câștigăm în distanță, dar pierdem cu aceeași putere.

Există o legendă că Arhimede, încântat de descoperirea regulii pârghiei, a exclamat: „Dă-mi un punct de sprijin și voi întoarce Pământul!”

Desigur, Arhimede nu putea face față unei astfel de sarcini chiar dacă i s-ar fi dat un punct de sprijin (care ar fi trebuit să fie în afara Pământului) și o pârghie de lungimea necesară.

Pentru a ridica pământul cu doar 1 cm, brațul lung al pârghiei ar trebui să descrie un arc de lungime enormă. Ar dura milioane de ani pentru a deplasa capătul lung al pârghiei pe această cale, de exemplu, cu o viteză de 1 m/s!

Un bloc staționar nu aduce niciun câștig în muncă, care este ușor de verificat experimental (vezi figura). Căi parcurse de punctele de aplicare a forțelor FŞi F, sunt aceleași, forțele sunt aceleași, ceea ce înseamnă că munca este aceeași.

Puteți măsura și compara munca efectuată cu ajutorul unui bloc în mișcare. Pentru a ridica o sarcină la o înălțime h cu ajutorul unui bloc mobil, este necesar să mutați capătul cablului de care este atașat dinamometrul, după cum arată experiența (Fig.), la o înălțime de 2h.

Astfel, obținând un câștig de 2 ori în forță, ei pierd de 2 ori pe drum, prin urmare, blocul mobil nu oferă un câștig în muncă.

Practica veche de secole a arătat că Niciunul dintre mecanisme nu oferă un câștig în performanță. Aceștia folosesc diverse mecanisme pentru a câștiga în forță sau în călătorii, în funcție de condițiile de lucru.

Oamenii de știință antici cunoșteau deja o regulă aplicabilă tuturor mecanismelor: indiferent de câte ori câștigăm în forță, tot de câte ori pierdem la distanță. Această regulă a fost numită „regula de aur” a mecanicii.

Eficiența mecanismului.

Când am luat în considerare designul și acțiunea pârghiei, nu am ținut cont de frecare, precum și de greutatea pârghiei. în acestea conditii ideale munca efectuată de forța aplicată (vom numi această muncă deplin), este egal cu util lucrați la ridicarea sarcinilor sau depășirea oricărei rezistențe.

În practică, munca totală efectuată de un mecanism este întotdeauna puțin mai mare decât munca utilă.

O parte din lucru este efectuată împotriva forței de frecare din mecanism și prin mișcarea părților sale individuale. Deci, atunci când utilizați un bloc mobil, trebuie să lucrați suplimentar pentru a ridica blocul în sine, frânghia și determinați forța de frecare în axa blocului.

Indiferent de mecanismul pe care îl luăm, munca utilă realizată cu ajutorul său constituie întotdeauna doar o parte din munca totală. Aceasta înseamnă că, notând munca utilă cu litera Ap, munca totală (cheltuită) cu litera Az, putem scrie:

Sus< Аз или Ап / Аз < 1.

Raportul dintre munca utilă și munca totală se numește eficiența mecanismului.

Factorul de eficiență este abreviat ca eficiență.

Eficiență = Ap / Az.

Eficiența este de obicei exprimată ca procent și este notă cu litera greacă η, citită ca „eta”:

η = Ap / Az · 100%.

Exemplu: O sarcină de 100 kg este suspendată de brațul scurt al unei pârghii. Să-l ridic la umăr lung se aplică o forță de 250 N Sarcina este ridicată la o înălțime h1 = 0,08 m, în timp ce punctul de aplicare a forței de antrenare scade la o înălțime h2 = 0,4 m.

Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.

Dat :

Soluţie :

η = Ap / Az · 100%.

Munca totală (cheltuită) Az = Fh2.

Lucru util Ap = Рh1

P = 9,8 100 kg ≈ 1000 N.

Ap = 1000 N · 0,08 = 80 J.

Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.

η = 80 J/100 J 100% = 80%.

Răspuns : η = 80%.

Dar " regula de aur„se desfășoară și în acest caz. O parte din munca utilă - 20% din aceasta - este cheltuită pentru depășirea frecării în axa pârghiei și a rezistenței aerului, precum și pentru mișcarea pârghiei în sine.

Eficiența oricărui mecanism este întotdeauna mai mică de 100%. Atunci când proiectează mecanisme, oamenii se străduiesc să-și sporească eficiența. Pentru a realiza acest lucru, frecarea în axele mecanismelor și greutatea acestora sunt reduse.

Energie.

În uzine și fabrici, mașinile și mașinile sunt antrenate de motoare electrice, care consumă energie electrica(de aici și numele).

O cantitate din fizică și mecanică care caracterizează starea unui corp sau a unui întreg sistem de corpuri în interacțiune și mișcare se numește energie.

Tipuri de energie mecanică

În mecanică, există două tipuri de energie:

• Cinetică. Acest termen se referă la energia mecanică a oricărui corp care se mișcă. Se măsoară prin munca pe care o poate face un corp atunci când frânează până la oprirea completă.
• Potenţial. Aceasta este energia mecanică combinată a unui întreg sistem de corpuri, care este determinată de locația lor și de natura forțelor de interacțiune.

În consecință, răspunsul la întrebarea cum să găsiți energia mecanică este teoretic foarte simplu. Este necesar: mai întâi calculați energia cinetică, apoi energia potențială și rezumați rezultatele obținute. Energia mecanică, care caracterizează interacțiunea corpurilor între ele, este o funcție a poziției relative și a vitezei.

Energia cinetică

Deoarece un sistem mecanic are energie cinetică, care depinde de vitezele cu care se mișcă diferitele sale puncte, acesta poate fi de tip translațional sau rotațional. Unitatea SI Joule (J) este utilizată pentru măsurarea energiei.

Să ne uităm la cum să găsim energie. Formula energiei cinetice:

• Ex= mv /2,

• Ek este energia cinetică măsurată în Jouli;
• m – greutatea corporală (kilograme);
• v – viteza (metru/secundă).

Pentru a determina cum să găsiți energia cinetică pentru un corp rigid, obțineți suma energiei cinetice a mișcării de translație și rotație.

Energia cinetică a unui corp care se mișcă cu o anumită viteză, calculată în acest fel, demonstrează munca ce trebuie făcută de o forță care acționează asupra corpului în repaus pentru a-i da viteză.

Energia potențială

Pentru a afla cum să găsiți energia potențială, ar trebui să aplicați formula:

• Ep = mgh,

• Ep este energia potențială măsurată în Jouli;
• g este accelerația gravitației (metri pătrați);
• m – greutatea corporală (kilograme);
• h este înălțimea centrului de masă al corpului peste un nivel arbitrar (metri).

Deoarece energia potențială este caracterizată de influența reciprocă a două sau mai multe corpuri unul asupra celuilalt, precum și a unui corp și a oricărui câmp, orice sistem fizic se străduiește să găsească o poziție în care energia potențială să fie cea mai mică și, în mod ideal, zero. energie potenţială. Trebuie amintit că energia cinetică este caracterizată de viteză, iar energia potențială este caracterizată de poziția relativă a corpurilor.

Acum știi totul despre cum să găsești energia și valoarea acesteia folosind formulele fizicii.

ALTE

Cum să obțineți energie Destul de des o persoană se simte epuizată, iar odihna nu ajută - asta înseamnă că în...

Când comunică, o persoană face schimb de energie cu ceilalți. Cu toate acestea, uneori, după o conversație, te simți obosit, apatic,...

Mulți dintre noi avem animale de companie, cum ar fi câini. Articolul nostru vă va spune cum să liniștiți un câine Dacă un câine...

Viteza este cât de repede se mișcă un punct sau un corp. Aceasta este o cantitate vectorială și pentru a specifica...

Cum se găsește viteza de convergență Când rezolvă probleme matematice, elevii au un număr mare de întrebări. "Cum…

ÎN lumea modernăÎn fiecare zi auzim zgomotul a numeroase motoare pe stradă, dar nici măcar nu ne gândim la semnificația...

Limba rusă este bogată în cuvinte polisemantice. Sensul unor astfel de cuvinte depinde de contextul în care sunt folosite. Unul dintre...

Pentru a afla cum se măsoară energia, trebuie să înțelegeți ce se înțelege prin acest concept...

Conceptul de „muncă” are multe interpretări. În primul rând, acest termen înseamnă lucru mecanic...

De fapt, tot ceea ce este în natură și tot ceea ce ne înconjoară este energie. Noi, oamenii, suntem înșine mănunchiuri de energie. Totuși, să...

Există mai multe definiții complementare care luminează sensul conceptului de „energie cinetică”. Cinetică…

Factorul de eficiență (eficiență) este un termen care poate fi aplicat, probabil, fiecărui sistem și dispozitiv. Chiar...

Puterea este o mărime fizică, de obicei egală cu rata de schimbare a energiei a întregului sistem. Daca vorbim...

Din secolul al XIX-lea, problema pentru oameni a ce energie potențială sau potențial este a fost rezolvată. Fizician și inginer scoțian...

Să aruncăm o privire mai atentă la ce este accelerația în fizică? Acesta este un mesaj către corpul de viteză suplimentară pe unitatea de timp...

Pentru a crește distanța unui corp față de centrul Pământului (ridicarea corpului), trebuie să se lucreze asupra lui. Acest lucru împotriva gravitației este stocat sub formă de energie potențială a corpului.

Pentru a înțelege ce este energie potenţială corp, vom găsi munca făcută de gravitație atunci când deplasăm un corp de masă m vertical în jos de la o înălțime deasupra suprafeței Pământului la o înălțime .

Dacă diferența este neglijabilă în comparație cu distanța până la centrul Pământului, atunci forța gravitațională în timpul mișcării corpului poate fi considerată constantă și egală cu mg.

Deoarece deplasarea coincide în direcție cu vectorul gravitațional, se dovedește că munca gravitațională este egală cu

Din ultima formulă este clar că munca gravitației la transferul unui punct material de masă m în câmpul gravitațional al Pământului este egală cu diferența dintre două valori ale unei anumite cantități mgh. Deoarece munca este o măsură a schimbării energiei, partea dreaptă a formulei conține diferența dintre cele două valori energetice ale acestui corp. Aceasta înseamnă că valoarea mgh reprezintă energia datorată poziției corpului în câmpul gravitațional al Pământului.

Energia cauzată de poziția relativă a corpurilor care interacționează (sau părți ale unui corp) se numește potenţialși notat cu Wp. Prin urmare, pentru un corp situat în câmpul gravitațional al Pământului,

Munca făcută de gravitație este egală cu schimbarea energia potenţială a corpului, luat cu semnul opus.

Munca gravitației nu depinde de traiectoria corpului și este întotdeauna egală cu produsul dintre modulul gravitațional și diferența de înălțime în pozițiile inițiale și finale.

Sens energie potenţială a unui corp ridicat deasupra Pământului depinde de alegerea nivelului zero, adică de înălțimea la care se presupune că energia potențială este zero. De obicei, se presupune că energia potențială a unui corp de pe suprafața Pământului este zero.

Cu această alegere a nivelului zero energia potenţială a corpului, situat la o înălțime h deasupra suprafeței Pământului, este egal cu produsul dintre masa corpului prin modulul de accelerație gravitațională și distanța sa față de suprafața Pământului:

Din toate cele de mai sus, putem concluziona: energia potenţială a unui corp depinde doar de două mărimi, și anume: din masa corpului însuși și înălțimea la care este ridicat acest corp. Traiectoria mișcării unui corp nu afectează în niciun fel energia potențială.

O mărime fizică egală cu jumătate din produsul rigidității unui corp cu pătratul deformării acestuia se numește energia potențială a unui corp deformat elastic:

Energia potențială a unui corp deformat elastic este egală cu munca efectuată de forța elastică atunci când corpul trece la o stare în care deformația este zero.

Exista si:

Energia cinetică

În formula pe care am folosit-o.

Lucrări mecanice. Unități de lucru.

În viața de zi cu zi, înțelegem totul prin conceptul de „muncă”.

În fizică, conceptul Post oarecum diferit. Este o mărime fizică definită, ceea ce înseamnă că poate fi măsurată. În fizică se studiază în primul rând lucru mecanic .

Să ne uităm la exemple de lucru mecanic.

Trenul se deplasează sub forța de tracțiune a unei locomotive electrice și se efectuează lucrări mecanice. Când se trage un pistol, forța de presiune a gazelor pulbere funcționează - mută glonțul de-a lungul țevii, iar viteza glonțului crește.

Din aceste exemple reiese clar că lucrul mecanic este efectuat atunci când un corp se mișcă sub influența forței. Lucrul mecanic este efectuat și în cazul în care o forță care acționează asupra unui corp (de exemplu, forța de frecare) reduce viteza de mișcare a acestuia.

Dorind să mutam dulapul, apăsăm puternic pe el, dar dacă nu se mișcă, atunci nu efectuăm lucrări mecanice. Se poate imagina un caz în care un corp se mișcă fără participarea forțelor (prin inerție, în acest caz, nici un lucru mecanic nu este efectuat).

Aşa, munca mecanica se face numai atunci cand asupra unui corp actioneaza o forta si acesta se misca .

Nu este greu de înțeles că, cu cât forța acționează mai mare asupra corpului și cu cât este mai lungă calea pe care corpul o parcurge sub influența acestei forțe, cu atât munca depusă este mai mare.

Lucrul mecanic este direct proportional cu forta aplicata si direct proportional cu distanta parcursa .

Prin urmare, am convenit să măsurăm lucrul mecanic prin produsul forței și calea parcursă de-a lungul acestei direcții a acestei forțe:

munca = forta × cale

Unde O- Job, F- puterea si s- distanta parcursa.

O unitate de lucru este considerată munca efectuată de o forță de 1 N pe o cale de 1 m.

unitate de lucru - joule (J ) numit după savantul englez Joule. Astfel,

1 J = 1 N m.

De asemenea, folosit kilojulii (kJ) .

1 kJ = 1000 J.

Formula A = Fs aplicabil atunci când forța F constantă și coincide cu direcția de mișcare a corpului.

Dacă direcția forței coincide cu direcția de mișcare a corpului, atunci această forță efectuează o activitate pozitivă.

Dacă corpul se mișcă în direcția opusă direcției forței aplicate, de exemplu, forța de frecare de alunecare, atunci această forță face un lucru negativ.

Dacă direcția forței care acționează asupra corpului este perpendiculară pe direcția mișcării, atunci această forță nu lucrează, munca este zero:

În viitor, vorbind despre munca mecanică, o vom numi pe scurt într-un singur cuvânt - muncă.

Exemplu. Calculați munca efectuată la ridicarea unei plăci de granit cu un volum de 0,5 m3 la o înălțime de 20 m. Densitatea granitului este de 2500 kg/m3.

Dat:

ρ = 2500 kg/m 3

Soluţie:

unde F este forța care trebuie aplicată pentru a ridica uniform placa. Această forță este egală ca modul cu forța Fstrand care acționează asupra plăcii, adică F = Fstrand. Iar forța gravitațională poate fi determinată de masa plăcii: Fgreutate = gm. Să calculăm masa plăcii, cunoscând volumul acesteia și densitatea granitului: m = ρV; s = h, adică traseul este egal cu înălțimea de ridicare.

Deci, 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.

Răspuns: A = 245 kJ.

Pârghii.Putere.Energie

Motoare diferite necesită timpi diferiți pentru a finaliza aceeași lucrare. De exemplu, o macara de la un șantier ridică sute de cărămizi la ultimul etaj al unei clădiri în câteva minute. Dacă aceste cărămizi ar fi mutate de un muncitor, i-ar lua câteva ore să facă acest lucru. Un alt exemplu. Un cal poate ară un hectar de pământ în 10-12 ore, în timp ce un tractor cu plug cu mai multe cote ( prag- parte din plug care taie stratul de pământ de dedesubt și îl transferă în groapă; plug multiplu - multe pluguri), această lucrare va fi finalizată în 40-50 de minute.

Este clar că o macara face aceeași muncă mai repede decât un muncitor, iar un tractor face aceeași muncă mai repede decât un cal. Viteza de lucru este caracterizată de o cantitate specială numită putere.

Puterea este egală cu raportul dintre muncă și timpul în care a fost efectuată.

Pentru a calcula puterea, trebuie să împărțiți munca la timpul în care se efectuează această muncă. putere = munca/timp.

Unde N- putere, O- Job, t- timpul de lucru finalizat.

Puterea este o cantitate constantă atunci când aceeași muncă este efectuată în fiecare secundă, în alte cazuri, raportul; La determină puterea medie:

N medie = La . Unitatea de putere este considerată puterea la care J de lucru este realizat în 1 s.

Această unitate se numește watt ( W) în onoarea unui alt om de știință englez, Watt.

1 watt = 1 joule/1 secundă, sau 1 W = 1 J/s.

Watt (joule pe secundă) - W (1 J/s).

Unitățile mai mari de putere sunt utilizate pe scară largă în tehnologie - kilowatt (kW), megawatt (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

Exemplu. Aflați puterea debitului de apă care curge prin baraj dacă înălțimea căderii de apă este de 25 m și debitul său este de 120 m3 pe minut.

Dat:

ρ = 1000 kg/m3

Soluţie:

Masa apei care cade: m = ρV,

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

Forța gravitației care acționează asupra apei:

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

Lucru efectuat prin debit pe minut:

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

Puterea debitului: N = A/t,

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

Răspuns: N = 0,5 MW.

Diverse motoare au puteri care variază de la sutimi și zecimi de kilowatt (motor al unui aparat de ras electric, mașină de cusut) până la sute de mii de kilowați (turbine cu apă și abur).

Tabelul 5.

Puterea unor motoare, kW.

Fiecare motor are o placă (pașaport motor), care indică unele informații despre motor, inclusiv puterea acestuia.

Puterea umană în condiții normale de funcționare este în medie de 70-80 W. Când sare sau alergă pe scări, o persoană poate dezvolta o putere de până la 730 W și, în unele cazuri, chiar mai mult.

Din formula N = A/t rezultă că

Pentru a calcula munca, este necesar să înmulțiți puterea cu timpul în care a fost efectuată această muncă.

Exemplu. Motorul ventilatorului camerei are o putere de 35 de wați. Cât de mult lucrează în 10 minute?

Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.

Dat:

Soluţie:

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

Răspuns O= 21 kJ.

Mecanisme simple.

Din cele mai vechi timpuri, omul a folosit diverse dispozitive pentru a efectua lucrări mecanice.

Toată lumea știe că un obiect greu (o piatră, un dulap, o mașină unealtă), care nu poate fi deplasat cu mâna, poate fi mutat folosind un băț suficient de lung - o pârghie.

În prezent, se crede că, cu ajutorul pârghiilor în urmă cu trei mii de ani, în timpul construcției piramidelor din Egiptul Antic, plăcile grele de piatră au fost mutate și ridicate la înălțimi mari.

În multe cazuri, în loc să ridice o sarcină grea la o anumită înălțime, aceasta poate fi rulată sau trasă la aceeași înălțime de-a lungul unui plan înclinat sau ridicată cu ajutorul blocurilor.

Dispozitivele folosite pentru a converti forța sunt numite mecanisme .

Mecanismele simple includ: pârghii și varietățile sale - bloc, poartă; planul înclinat și soiurile sale - pană, șurub. În cele mai multe cazuri, mecanisme simple sunt folosite pentru a câștiga forță, adică pentru a crește forța care acționează asupra corpului de mai multe ori.

Mecanisme simple se găsesc atât în ​​gospodărie, cât și în toate mașinile industriale și industriale complexe care taie, răsucesc și ștampilă foi mari de oțel sau trag cele mai fine fire din care sunt apoi realizate țesăturile. Aceleași mecanisme pot fi găsite în mașinile automate complexe moderne, mașinile de tipărit și numărat.

Pârghie. Echilibrul de forțe pe pârghie.

Să luăm în considerare cel mai simplu și mai comun mecanism - pârghia.

O pârghie este un corp rigid care se poate roti în jurul unui suport fix.

Imaginile arată cum un muncitor folosește o rangă ca pârghie pentru a ridica o încărcătură. În primul caz, muncitorul cu forță F apasă capătul rangei B, în al doilea - ridică capătul B.

Muncitorul trebuie să depășească greutatea încărcăturii P- forta indreptata vertical in jos. Pentru a face acest lucru, el întoarce ranga în jurul unei axe care trece prin singura nemişcat punctul de rupere este punctul de sprijin al acestuia DESPRE. Rezistenţă F cu care lucrătorul acționează asupra pârghiei este mai puțină forță P, astfel lucrătorul primește câștigă în forță. Folosind o pârghie, puteți ridica o sarcină atât de mare încât să nu o puteți ridica singur.

Figura prezintă o pârghie a cărei axă de rotație este DESPRE(fulcrul) este situat între punctele de aplicare a forțelor OŞi ÎN. O altă imagine arată o diagramă a acestei pârghii. Ambele forțe F 1 și F 2 care acționează asupra pârghiei sunt direcționate într-o singură direcție.

Cea mai scurtă distanță dintre punct de sprijin și linia dreaptă de-a lungul căreia forța acționează asupra pârghiei se numește braț de forță.

Lungimea acestei perpendiculare va fi brațul acestei forțe. Figura arată că OA- puterea umerilor F 1; OB- puterea umerilor F 2. Forțele care acționează asupra pârghiei o pot roti în jurul axei sale în două direcții: în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic. Da, putere F 1 rotește pârghia în sensul acelor de ceasornic și forța F 2 îl rotește în sens invers acelor de ceasornic.

Condiția în care pârghia se află în echilibru sub influența forțelor aplicate acesteia poate fi stabilită experimental. Trebuie amintit că rezultatul forței depinde nu numai de valoarea sa numerică (modul), ci și de punctul în care este aplicată corpului sau de modul în care este direcționată.

Diferite greutăți sunt suspendate de pârghie (vezi figura) pe ambele părți ale punctului de sprijin, astfel încât de fiecare dată pârghia să rămână în echilibru. Forțele care acționează asupra pârghiei sunt egale cu greutățile acestor sarcini. Pentru fiecare caz se măsoară modulele de forță și umerii acestora. Din experiența prezentată în Figura 154, este clar că forța 2 N echilibrează forța 4 N. În acest caz, după cum se poate observa din figură, umărul cu forță mai mică este de 2 ori mai mare decât umărul cu putere mai mare.

Pe baza unor astfel de experimente s-a stabilit condiția (regula) echilibrului pârghiei.

O pârghie este în echilibru atunci când forțele care acționează asupra ei sunt invers proporționale cu brațele acestor forțe.

Această regulă poate fi scrisă sub formă de formulă:

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

Unde F 1Şi F 2 - forte care actioneaza asupra manetei, l 1Şi l 2 , - umerii acestor forţe (vezi figura).

Regula echilibrului pârghiei a fost stabilită de Arhimede în jurul anilor 287 - 212. î.Hr e. (dar în ultimul paragraf s-a spus că pârghiile erau folosite de egipteni? Sau cuvântul „stabilit” joacă aici un rol important?)

Din această regulă rezultă că o forță mai mică poate fi folosită pentru a echilibra o forță mai mare folosind o pârghie. Lăsați un braț al pârghiei să fie de 3 ori mai mare decât celălalt (vezi figura). Apoi, aplicând o forță de, de exemplu, 400 N în punctul B, puteți ridica o piatră cu o greutate de 1200 N. Pentru a ridica o sarcină și mai grea, trebuie să măriți lungimea brațului de pârghie asupra căruia lucrătorul acționează.

Exemplu. Cu ajutorul unei pârghii, un muncitor ridică o placă cu o greutate de 240 kg (vezi Fig. 149). Ce forță aplică el brațului de pârghie mai mare de 2,4 m dacă brațul mai mic are 0,6 m?

Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.

Dat:

Soluţie:

Conform regulii de echilibru a pârghiei, F1/F2 = l2/l1, de unde F1 = F2 l2/l1, unde F2 = P este greutatea pietrei. Greutatea pietrei asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N

Apoi, F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.

Răspuns: F1 = 600 N.

În exemplul nostru, muncitorul depășește o forță de 2400 N, aplicând o forță de 600 N pârghiei Dar în acest caz, brațul asupra căruia acționează muncitorul este de 4 ori mai lung decât cel asupra căruia acționează greutatea pietrei. ( l 1 : l 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).

Prin aplicarea regulii pârghiei, o forță mai mică poate echilibra o forță mai mare. În acest caz, umărul cu forță mai mică ar trebui să fie mai lung decât umărul cu forță mai mare.

Moment de putere.

Știți deja regula echilibrului pârghiei:

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

Folosind proprietatea proporției (produsul membrilor săi extremi este egal cu produsul membrilor săi din mijloc), îl scriem sub această formă:

F 1l 1 = F 2 l 2 .

În partea stângă a ecuației se află produsul forței F 1 pe umărul ei l 1, iar în dreapta - produsul forței F 2 pe umărul ei l 2 .

Se numește produsul dintre modulul forței care rotește corpul și umărul acestuia moment de forta; este desemnat prin litera M. Aceasta înseamnă

O pârghie este în echilibru sub acțiunea a două forțe dacă momentul forței care o rotește în sensul acelor de ceasornic este egal cu momentul forței care o rotește în sens invers acelor de ceasornic.

Această regulă se numește regula momentelor , poate fi scris sub formă de formulă:

M1 = M2

Într-adevăr, în experimentul pe care l-am avut în vedere (§ 56), forțele care acționau au fost egale cu 2 N și 4 N, umerii lor s-au ridicat la 4 și respectiv 2 presiuni ale pârghiei, adică momentele acestor forțe sunt aceleași atunci când pârghia este în echilibru. .

Momentul forței, ca orice mărime fizică, poate fi măsurat. Unitatea de măsură a momentului de forță este considerată un moment de forță de 1 N, al cărui braț este exact 1 m.

Această unitate se numește newtonmetru (N m).

Momentul forței caracterizează acțiunea unei forțe și arată că acesta depinde simultan atât de modulul forței, cât și de pârghia acesteia. Într-adevăr, știm deja, de exemplu, că acțiunea unei forțe asupra unei uși depinde atât de mărimea forței, cât și de locul în care se aplică forța. Cu cât este mai ușor să rotești ușa, cu atât se aplică forța care acționează asupra ei mai departe de axa de rotație. Este mai bine să deșurubați piulița cu o cheie lungă decât cu una scurtă. Cu cât este mai ușor să ridici o găleată din fântână, cu atât mânerul porții este mai lung etc.

Pârghii în tehnologie, viața de zi cu zi și natură.

Regula efectului de pârghie (sau regula momentelor) stă la baza acțiunii diferitelor tipuri de instrumente și dispozitive utilizate în tehnologie și viața de zi cu zi, unde este necesar un câștig în forță sau deplasare.

Avem un câștig în forță atunci când lucrăm cu foarfecele. Foarfece - aceasta este o pârghie(fig), a cărui axă de rotație are loc printr-un șurub care leagă ambele jumătăți ale foarfecelor. Forța de acțiune F 1 este forța musculară a mâinii persoanei care ține foarfeca. Contraforța F 2 este forța de rezistență a materialului tăiat cu foarfecele. În funcție de scopul foarfecelor, designul acestora variază. Foarfecele de birou, concepute pentru tăierea hârtiei, au lame lungi și mânere care au aproape aceeași lungime. Tăierea hârtiei nu necesită multă forță, iar o lamă lungă facilitează tăierea în linie dreaptă. Foarfecele pentru tăierea tablei (Fig.) au mânere mult mai lungi decât lamele, deoarece forța de rezistență a metalului este mare și pentru a o echilibra, brațul forței de acționare trebuie crescut semnificativ. Diferența dintre lungimea mânerelor și distanța piesei de tăiere și axa de rotație este și mai mare tăietori de sârmă(Fig.), conceput pentru tăierea sârmei.

Multe mașini au diferite tipuri de pârghii. Mânerul unei mașini de cusut, pedalele sau frâna de mână a unei biciclete, pedalele unei mașini și ale unui tractor și clapele unui pian sunt toate exemple de pârghii utilizate în aceste mașini și unelte.

Exemple de utilizare a pârghiilor sunt mânerele menghinelor și bancurilor de lucru, pârghia unei mașini de găurit etc.

Acțiunea cântarilor pârghiei se bazează pe principiul pârghiei (Fig.). Scalele de antrenament prezentate în Figura 48 (p. 42) acţionează ca pârghie cu brațe egale . ÎN scale zecimale Umărul de care este suspendată cupa cu greutăți este de 10 ori mai lung decât umărul care poartă sarcina. Acest lucru face mult mai ușoară cântărirea sarcinilor mari. Când cântăriți o încărcătură pe o cântar zecimal, ar trebui să înmulțiți masa greutăților cu 10.

Dispozitivul cântarelor pentru cântărirea vagoanelor de marfă ale mașinilor se bazează și pe regula efectului de pârghie.

Pârghiile se găsesc și în diferite părți ale corpului animalelor și oamenilor. Acestea sunt, de exemplu, brațele, picioarele, fălcile. Multe pârghii pot fi găsite în corpul insectelor (prin citirea unei cărți despre insecte și structura corpului lor), păsări și în structura plantelor.

Aplicarea legii echilibrului a unei pârghii la un bloc.

Bloc Este o roată cu canelură, montată într-un suport. O frânghie, un cablu sau un lanț este trecut prin canelura blocului.

Bloc fix Acesta este un bloc a cărui axă este fixă ​​și nu se ridică sau coboară la ridicarea sarcinilor (Fig).

Un bloc fix poate fi considerat o pârghie cu brațe egale, în care brațele forțelor sunt egale cu raza roții (Fig): OA = OB = r. Un astfel de bloc nu oferă un câștig în forță. ( F 1 = F 2), dar vă permite să schimbați direcția forței. Bloc mobil - acesta este un bloc. a cărui axă urcă și coboară odată cu sarcina (Fig.). Figura prezintă pârghia corespunzătoare: DESPRE- punctul de sprijin al manetei, OA- puterea umerilor RŞi OB- puterea umerilor F. De la umăr OB de 2 ori umărul OA, apoi puterea F de 2 ori mai puțină forță R:

F = P/2 .

Astfel, blocul mobil oferă un câștig de 2 ori în forță .

Acest lucru poate fi demonstrat folosind conceptul de moment al forței. Când blocul este în echilibru, momentele forțelor FŞi R egale între ele. Dar umărul puterii F de 2 ori pârghia Rși, prin urmare, puterea însăși F de 2 ori mai puțină forță R.

De obicei, în practică se folosește o combinație între un bloc fix și unul mobil (Fig.). Blocul fix este folosit doar pentru confort. Nu dă un câștig în forță, dar schimbă direcția forței. De exemplu, vă permite să ridicați o încărcătură în timp ce stați pe pământ. Acest lucru este util pentru mulți oameni sau lucrători. Cu toate acestea, oferă un câștig în forță de 2 ori mai mare decât de obicei!

Egalitatea muncii atunci când se utilizează mecanisme simple. „Regula de aur” a mecanicii.

Mecanismele simple pe care le-am luat în considerare sunt folosite la efectuarea lucrărilor în cazurile în care este necesară echilibrarea unei alte forțe prin acțiunea unei forțe.

Desigur, se pune întrebarea: în timp ce oferă un câștig în forță sau cale, mecanismele simple nu oferă un câștig în muncă? Răspunsul la această întrebare poate fi obținut din experiență.

Prin echilibrarea a două forțe de mărime diferită pe o pârghie F 1 și F 2 (fig.), puneți maneta în mișcare. Rezultă că, în același timp, punctul de aplicare a forței mai mici F 2 merge mai departe s 2 și punctul de aplicare al forței mai mari F 1 - cale mai scurtă s 1. După ce am măsurat aceste căi și module de forță, constatăm că traseele parcurse de punctele de aplicare a forțelor pe pârghie sunt invers proporționale cu forțele:

s 1 / s 2 = F 2 / F 1.

Astfel, acționând asupra brațului lung al pârghiei, câștigăm în forță, dar în același timp pierdem cu aceeași cantitate pe parcurs.

Produsul forței F pe drum s există de lucru. Experimentele noastre arată că munca efectuată de forțele aplicate pârghiei este egală între ele:

F 1 s 1 = F 2 s 2, adică O 1 = O 2.

Aşa, Când utilizați pârghia, nu veți putea câștiga la serviciu.

Folosind pârghia, putem câștiga fie în putere, fie în distanță. Aplicând forță brațului scurt al pârghiei, câștigăm în distanță, dar pierdem cu aceeași putere.

Există o legendă că Arhimede, încântat de descoperirea regulii pârghiei, a exclamat: „Dă-mi un punct de sprijin și voi întoarce Pământul!”

Desigur, Arhimede nu putea face față unei astfel de sarcini chiar dacă i s-ar fi dat un punct de sprijin (care ar fi trebuit să fie în afara Pământului) și o pârghie de lungimea necesară.

Pentru a ridica pământul cu doar 1 cm, brațul lung al pârghiei ar trebui să descrie un arc de lungime enormă. Ar dura milioane de ani pentru a deplasa capătul lung al pârghiei pe această cale, de exemplu, cu o viteză de 1 m/s!

Un bloc staționar nu aduce niciun câștig în muncă, care este ușor de verificat experimental (vezi figura). Căi parcurse de punctele de aplicare a forțelor FŞi F, sunt aceleași, forțele sunt aceleași, ceea ce înseamnă că munca este aceeași.

Puteți măsura și compara munca efectuată cu ajutorul unui bloc în mișcare. Pentru a ridica o sarcină la o înălțime h cu ajutorul unui bloc mobil, este necesar să mutați capătul cablului de care este atașat dinamometrul, după cum arată experiența (Fig.), la o înălțime de 2h.

Astfel, obținând un câștig de 2 ori în forță, ei pierd de 2 ori pe drum, prin urmare, blocul mobil nu oferă un câștig în muncă.

Practica veche de secole a arătat că Niciunul dintre mecanisme nu oferă un câștig în performanță. Aceștia folosesc diverse mecanisme pentru a câștiga în forță sau în călătorii, în funcție de condițiile de lucru.

Oamenii de știință antici cunoșteau deja o regulă aplicabilă tuturor mecanismelor: indiferent de câte ori câștigăm în forță, tot de câte ori pierdem la distanță. Această regulă a fost numită „regula de aur” a mecanicii.

Eficiența mecanismului.

Când am luat în considerare designul și acțiunea pârghiei, nu am ținut cont de frecare, precum și de greutatea pârghiei. în aceste condiții ideale, munca efectuată de forța aplicată (vom numi această muncă deplin), este egal cu util lucrați la ridicarea sarcinilor sau depășirea oricărei rezistențe.

În practică, munca totală efectuată de un mecanism este întotdeauna puțin mai mare decât munca utilă.

O parte din lucru este efectuată împotriva forței de frecare din mecanism și prin mișcarea părților sale individuale. Deci, atunci când utilizați un bloc mobil, trebuie să lucrați suplimentar pentru a ridica blocul în sine, frânghia și determinați forța de frecare în axa blocului.

Indiferent de mecanismul pe care îl luăm, munca utilă realizată cu ajutorul său constituie întotdeauna doar o parte din munca totală. Aceasta înseamnă că, notând munca utilă cu litera Ap, munca totală (cheltuită) cu litera Az, putem scrie:

Sus< Аз или Ап / Аз < 1.

Raportul dintre munca utilă și munca totală se numește eficiența mecanismului.

Factorul de eficiență este abreviat ca eficiență.

Eficiență = Ap / Az.

Eficiența este de obicei exprimată ca procent și este notă cu litera greacă η, citită ca „eta”:

η = Ap / Az · 100%.

Exemplu: O sarcină de 100 kg este suspendată de brațul scurt al unei pârghii. Pentru a-l ridica, se aplică o forță de 250 N pe brațul lung eficienta manetei.

Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.

Dat :

Soluţie :

η = Ap / Az · 100%.

Munca totală (cheltuită) Az = Fh2.

Lucru util Ap = Рh1

P = 9,8 100 kg ≈ 1000 N.

Ap = 1000 N · 0,08 = 80 J.

Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.

η = 80 J/100 J 100% = 80%.

Răspuns : η = 80%.

Dar „regula de aur” se aplică și în acest caz. O parte din munca utilă - 20% din aceasta - este cheltuită pentru depășirea frecării în axa pârghiei și a rezistenței aerului, precum și pentru mișcarea pârghiei în sine.

Eficiența oricărui mecanism este întotdeauna mai mică de 100%. Atunci când proiectează mecanisme, oamenii se străduiesc să-și sporească eficiența. Pentru a realiza acest lucru, frecarea în axele mecanismelor și greutatea acestora sunt reduse.

Energie.

În fabrici și fabrici, mașinile și mașinile sunt acționate de motoare electrice, care consumă energie electrică (de unde și numele).