Теория
Работа и мощность
Механическая работа — это физическая величина, которая показывает, насколько эффективно сила изменяет положение тела. Работа совершается, только когда тело движется под действием силы. Если вы держите тяжёлый портфель неподвижно, работа не совершается (силы есть, перемещения нет). Работа измеряется в джоулях (Дж). Мощность показывает, как быстро совершается работа: мощный двигатель делает ту же работу за меньшее время. Мощность измеряется в ваттах (Вт).
A = F · s
работа; F — сила (Н); s — перемещение в направлении силы (м)
P = A / t
мощность (Вт); A — работа (Дж); t — время (с)
P = F · v
мощность при равномерном движении вдоль направления силы
- 1 кДж = 1000 Дж; 1 МДж = 1 000 000 Дж
- 1 кВт = 1000 Вт; лошадиная сила (л. с.) ≈ 735 Вт
Простые механизмы
Простые механизмы помогают человеку совершать работу удобнее: выигрывать в силе, менять направление силы или скорость. К ним относят рычаг, блок (неподвижный и подвижный), наклонную плоскость, клин и винт. Рычаг — балка с точкой опоры: если плечо силы больше плеча груза, можно поднять тяжёлый груз малой силой. Наклонная плоскость позволяет поднять груз на высоту, прикладывая меньшую силу, но путь вдоль плоскости длиннее. «Золотое правило» механики: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии (если нет трения).
- Неподвижный блок меняет направление силы, не даёт выигрыша в силе
- Подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза (без учёта трения)
- Выигрыш в силе на наклонной плоскости примерно в L/h раз (L — длина, h — высота)
КПД
Ни один механизм не может отдать больше энергии, чем получил: часть всегда уходит на преодоление трения, нагрев деталей, звук. Коэффициент полезного действия (КПД) показывает, какая доля затраченной энергии пошла на полезную работу. КПД всегда меньше 100% в реальных машинах. Чем меньше трение и потери, тем выше КПД. Электродвигатель имеет КПД выше, чем паровая машина прошлого века.
η = (Aпол / Aзат) · 100%
КПД в процентах; Aпол — полезная работа; Aзат — затраченная
Aзат = Aпол + Aпот
затраченная работа = полезная + потери
Потенциальная и кинетическая энергия
Энергия — способность тела совершать работу. Механическая энергия бывает кинетической (связана с движением) и потенциальной (связана с положением в поле сил, например у Земли — с высотой). Поднятый молоток может забить гвоздь — у него потенциальная энергия. Летящий мяч может сдвинуть предмет — кинетическая. Обе энергии измеряются в джоулях. Чем быстрее движется тело или чем выше оно поднято, тем больше соответствующая энергия.
Ek = m · v² / 2
кинетическая энергия; m — масса (кг); v — скорость (м/с)
Ep = m · g · h
потенциальная энергия в поле тяжести; h — высота (м)
- При падении Ep уменьшается, Ek растёт
- Сжатая пружина обладает потенциальной энергией упругой деформации
Закон сохранения энергии
В замкнутой системе тел (без внешних сил и потерь на трение) сумма кинетической и потенциальной энергии остаётся постоянной: энергия переходит из одного вида в другой, но не исчезает. Маятник в идеале: в крайней точке вся энергия потенциальная, в нижней — кинетическая. В реальности трение постепенно переводит механическую энергию во внутреннюю (нагрев), и маятник останавливается. Закон сохранения энергии — один из главных законов природы: энергия не возникает из ничего и не пропадает бесследно.
Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2
сохранение механической энергии (без потерь)
Eмех → Eвнутр
при трении механическая энергия переходит во внутреннюю (нагрев)