Hvad er mekanisk arbejde lig med? Mekanisk arbejde: definition og formel

Før du afslører emnet "Hvordan arbejde måles", er det nødvendigt at lave en lille digression. Alt i denne verden adlyder fysikkens love. Hver proces eller fænomen kan forklares ud fra visse fysiske love. For hver målt størrelse er der en enhed, som den normalt måles i. Måleenheder er konstante og har samme betydning i hele verden.

Grunden til dette er følgende. I 1960 blev der ved den ellevte generalkonference om vægte og mål vedtaget et målsystem, der er anerkendt over hele verden. Dette system fik navnet Le Système International d'Unités, SI (SI System International). Dette system er blevet grundlaget for at bestemme måleenheder, der er accepteret i hele verden, og deres relationer.

Fysiske termer og terminologi

I fysik kaldes måleenheden for kraftværket J (Joule), til ære for den engelske fysiker James Joule, som ydede et stort bidrag til udviklingen af ​​grenen af ​​termodynamikken i fysikken. En Joule lig med arbejde lavet af en kraft på en N (Newton), når dens påføring bevæger sig en M (meter) i kraftens retning. Et N (Newton) lig med kraft, med en masse på et kg (kilogram), med en acceleration på en m/s2 (meter pr. sekund) i kraftens retning.

Til din information. I fysik er alt forbundet; at udføre ethvert arbejde involverer at udføre yderligere handlinger. Som et eksempel kan vi tage en husholdningsventilator. Når blæseren er tilsluttet, begynder blæserbladene at rotere. De roterende blade påvirker luftstrømmen og giver den retningsbestemt bevægelse. Dette er resultatet af arbejdet. Men for at udføre arbejdet er påvirkningen af ​​andre ydre kræfter nødvendig, uden hvilke handlingen er umulig. Disse omfatter styrke elektrisk strøm, strøm, spænding og mange andre indbyrdes forbundne værdier.

Elektrisk strøm er i sin kerne den ordnede bevægelse af elektroner i en leder pr. tidsenhed. Elektrisk strøm er baseret på positivt eller negativt ladede partikler. De kaldes elektriske ladninger. Betegnes med bogstaverne C, q, Kl (Coulomb), opkaldt efter den franske videnskabsmand og opfinder Charles Coulomb. I SI-systemet er det en måleenhed for antallet af ladede elektroner. 1 C er lig med volumenet af ladede partikler, der strømmer gennem tværsnittet af en leder pr. tidsenhed. Tidsenheden er et sekund. Formlen for elektrisk ladning er vist i figuren nedenfor.

Styrken af ​​elektrisk strøm er angivet med bogstavet A (ampere). Ampere er en enhed i fysik, der karakteriserer målingen af ​​det kraftarbejde, der bruges til at flytte ladninger langs en leder. I sin kerne er elektrisk strøm den ordnede bevægelse af elektroner i en leder under påvirkning elektromagnetisk felt. En leder er et materiale eller smeltet salt (elektrolyt), der har ringe modstand mod passage af elektroner. Styrken af ​​elektrisk strøm påvirkes af to fysiske størrelser: spænding og modstand. De vil blive diskuteret nedenfor. Strømstyrken er altid direkte proportional med spændingen og omvendt proportional med modstanden.

Som nævnt ovenfor er elektrisk strøm den ordnede bevægelse af elektroner i en leder. Men der er en advarsel: de har brug for en vis påvirkning for at bevæge sig. Denne effekt skabes ved at skabe en potentiel forskel. Elektrisk ladning kan være positiv eller negativ. Positive ladninger har altid tendens til negative ladninger. Dette er nødvendigt for balancen i systemet. Forskellen mellem antallet af positivt og negativt ladede partikler kaldes elektrisk spænding.

Effekt er mængden af ​​energi, der bruges på at udføre en J (Joule) arbejde i en periode på et sekund. Måleenheden i fysik er betegnet som W (Watt), i SI-systemet W (Watt). Da elektrisk strøm betragtes, er det her værdien af ​​den elektriske energi, der er brugt til at udføre en bestemt handling i en periode.

Hvad betyder det?

I fysik er "mekanisk arbejde" arbejdet med en eller anden kraft (tyngdekraft, elasticitet, friktion osv.) på en krop, som et resultat af hvilken kroppen bevæger sig.

Ofte er ordet "mekanisk" simpelthen ikke skrevet.
Nogle gange kan du støde på udtrykket "kroppen har udført arbejde", som i princippet betyder "kraften, der virker på kroppen, har udført arbejde."

Jeg tror - jeg arbejder.

Jeg går - jeg arbejder også.

Hvor er det mekaniske arbejde her?

Hvis et legeme bevæger sig under påvirkning af en kraft, udføres mekanisk arbejde.

De siger, at kroppen virker.
Eller mere præcist vil det være sådan: arbejdet udføres af kraften, der virker på kroppen.

Arbejde karakteriserer resultatet af en kraft.

De kræfter, der virker på en person, udfører mekanisk arbejde på ham, og som et resultat af disse kræfters påvirkning bevæger personen sig.

Arbejde er en fysisk størrelse svarende til produktet af den kraft, der virker på et legeme, og den vej, kroppen laver under påvirkning af en kraft i retning af denne kraft.

A - mekanisk arbejde,
F - styrke,
S - tilbagelagt distance.

Der arbejdes, hvis 2 betingelser er opfyldt samtidigt: en kraft virker på kroppen og den
bevæger sig i kraftens retning.

Intet arbejde udføres(dvs. lig med 0), hvis:
1. Kraften virker, men kroppen bevæger sig ikke.

For eksempel: vi udøver kraft på en sten, men kan ikke flytte den.

2. Kroppen bevæger sig, og kraften er nul, eller alle kræfter kompenseres (dvs. resultanten af ​​disse kræfter er 0).
For eksempel: når man bevæger sig ved inerti, udføres der intet arbejde.
3. Kraftens retning og kroppens bevægelsesretning er indbyrdes vinkelrette.

For eksempel: når et tog bevæger sig vandret, virker tyngdekraften ikke.

Arbejdet kan være positivt og negativt

1. Hvis kraftretningen og kroppens bevægelsesretning falder sammen, udføres der positivt arbejde.

For eksempel: Tyngdekraften, der virker på en vanddråbe, der falder ned, virker positivt.

2. Hvis kroppens kraft- og bevægelsesretning er modsat, udføres der negativt arbejde.

For eksempel: tyngdekraften, der virker på en stigning ballon, gør negativt arbejde.

Hvis flere kræfter virker på et legeme, så er det samlede arbejde udført af alle kræfter lig med arbejdet udført af den resulterende kraft.

Arbejdsenheder

Til ære for den engelske videnskabsmand D. Joule fik arbejdsenheden navnet 1 Joule.

I internationalt system enheder (SI):
[A] = J = Nm
1J = 1N 1m

Mekanisk arbejde er lig med 1 J, hvis et legeme under påvirkning af en kraft på 1 N bevæger sig 1 m i retning af denne kraft.

Når man flyver fra tommelfinger mands hænder på indekset
myggen virker - 0.000 000 000 000 000 000 000 000 001 J.

Det menneskelige hjerte udfører cirka 1 J arbejde per sammentrækning, hvilket svarer til det arbejde, der udføres, når en byrde, der vejer 10 kg, løftes til en højde på 1 cm.

KOM AT ARBEJDE, VENNER!

Grundlæggende teoretisk information

Mekanisk arbejde

Bevægelsens energikarakteristika introduceres ud fra konceptet mekanisk arbejde eller tvangsarbejde. Det udførte arbejde konstant kraft F, er en fysisk størrelse lig med produktet af kraft- og forskydningsmodulet ganget med cosinus af vinklen mellem kraftvektorerne F og bevægelser S:

Arbejde er en skalær størrelse. Den kan enten være positiv (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). På α = 90° arbejdet udført af kraften er nul. I SI-systemet måles arbejde i joule (J). En joule er lig med det arbejde, som en kraft på 1 newton udfører for at bevæge sig 1 meter i kraftens retning.

Hvis kraften ændrer sig over tid, skal du for at finde værket bygge en graf over kraften versus forskydning og finde arealet af figuren under grafen - dette er værket:

Et eksempel på en kraft, hvis modul afhænger af koordinaten (forskydningen) er den elastiske kraft af en fjeder, som adlyder Hookes lov ( F kontrol = kx).

Strøm

Det arbejde, der udføres af en kraft pr. tidsenhed, kaldes strøm. Strøm P(nogle gange angivet med bogstavet N) – fysisk mængde svarende til arbejdsforholdet EN til en periode t hvor dette arbejde blev afsluttet:

Denne formel beregner gennemsnitlig effekt, dvs. magt, der generelt karakteriserer processen. Så arbejde kan også udtrykkes i kraft: EN = Pt(hvis selvfølgelig kraften og tidspunktet for arbejdets udførelse er kendt). Effektenheden kaldes watt (W) eller 1 joule pr. sekund. Hvis bevægelsen er ensartet, så:

Ved hjælp af denne formel kan vi beregne øjeblikkelig kraft(strøm ind dette øjeblik tid), hvis vi i stedet for hastighed erstatter værdien af ​​øjeblikkelig hastighed i formlen. Hvordan ved du, hvilken magt du skal tælle? Hvis problemet beder om strøm på et tidspunkt eller på et tidspunkt i rummet, så overvejes øjeblikkelig. Hvis de spørger om strøm over en bestemt periode eller en del af ruten, så kig efter gennemsnitseffekt.

Effektivitet - effektivitetsfaktor, er lig med forholdet nyttigt arbejde at forbruge, eller nyttig magt til at forbruge:

Hvilket arbejde der er nyttigt, og hvilket der er spildt, bestemmes ud fra betingelserne for en konkret opgave gennem logiske ræsonnementer. For eksempel hvis kran arbejder for at løfte byrden til en vis højde, så vil arbejdet med at løfte byrden være nyttigt (da det er til dette formål, at kranen blev skabt), og arbejdet udført af kranens elektriske motor vil blive brugt.

Så nyttig og brugt magt har ikke en streng definition og findes ved logisk ræsonnement. I hver opgave skal vi selv bestemme, hvad der i denne opgave var målet med at udføre arbejde (nyttigt arbejde eller magt), og hvad var mekanismen eller måden at udføre alt arbejdet på (forbrugt kraft eller arbejde).

Generelt viser effektivitet, hvor effektivt en mekanisme omdanner én type energi til en anden. Hvis kraften ændrer sig over tid, findes værket som arealet af figuren under grafen for magt versus tid:

Kinetisk energi

En fysisk størrelse lig med halvdelen af ​​produktet af en krops masse og kvadratet af dens hastighed kaldes kroppens kinetiske energi (bevægelsesenergi):

Det vil sige, at hvis en bil, der vejer 2000 kg, bevæger sig med en hastighed på 10 m/s, så har den kinetisk energi svarende til E k = 100 kJ og er i stand til at udføre 100 kJ arbejde. Denne energi kan blive til varme (når en bil bremser, hjulene på hjulene, vejen og bremseskiverne bliver varme) eller kan bruges på at deformere bilen og det karrosseri, som bilen kolliderede med (ved en ulykke). Når man beregner kinetisk energi, er det lige meget, hvor bilen bevæger sig, da energi ligesom arbejde er en skalær størrelse.

En krop har energi, hvis den kan arbejde. For eksempel har en bevægelig krop kinetisk energi, dvs. bevægelsesenergi og er i stand til at udføre arbejde med at deformere kroppe eller give acceleration til kroppe, med hvilke der opstår en kollision.

Den fysiske betydning af kinetisk energi: for at et legeme i hvile med en masse m begyndte at bevæge sig med fart v det er nødvendigt at udføre arbejde svarende til den opnåede værdi af kinetisk energi. Hvis kroppen har en masse m bevæger sig med hastighed v, så for at stoppe det er det nødvendigt at udføre arbejde svarende til dens indledende kinetiske energi. Ved bremsning "tages" kinetisk energi hovedsageligt (bortset fra tilfælde af stød, hvor energien går til deformation) af friktionskraften.

Sætning om kinetisk energi: den resulterende krafts arbejde er lig med ændringen i kroppens kinetiske energi:

Sætningen om kinetisk energi er også gyldig i det generelle tilfælde, når et legeme bevæger sig under påvirkning af en skiftende kraft, hvis retning ikke falder sammen med bevægelsesretningen. Det er praktisk at anvende dette teorem i problemer, der involverer acceleration og deceleration af et legeme.

Potentiel energi

Sammen med kinetisk energi eller bevægelsesenergi i fysik vigtig rolle spiller koncept potentiel energi eller energi af vekselvirkning af kroppe.

Potentiel energi bestemmes af kroppens relative position (for eksempel kroppens position i forhold til jordens overflade). Begrebet potentiel energi kan kun introduceres for kræfter, hvis virke ikke afhænger af kroppens bane og kun bestemmes af de indledende og endelige positioner (den såkaldte konservative kræfter). Arbejdet udført af sådanne kræfter på en lukket bane er nul. Denne egenskab er besat af tyngdekraft og elastisk kraft. For disse kræfter kan vi introducere begrebet potentiel energi.

Potentiel energi af et legeme i jordens tyngdefelt beregnet med formlen:

Den fysiske betydning af den potentielle energi i et legeme: potentiel energi er lig med tyngdekraftens arbejde, når kroppen sænkes nul niveau (h– afstand fra kroppens tyngdepunkt til nulniveau). Hvis en krop har potentiel energi, så er den i stand til at udføre arbejde, når denne krop falder fra en højde h til nul niveau. Tyngdekraftens arbejde er lig med ændringen i kroppens potentielle energi, taget med det modsatte fortegn:

Ofte ved energiproblemer skal man finde arbejdet med at løfte (vende, komme ud af et hul) kroppen. I alle disse tilfælde er det nødvendigt at overveje bevægelsen ikke af kroppen selv, men kun af dens tyngdepunkt.

Den potentielle energi Ep afhænger af valget af nulniveauet, det vil sige af valget af oprindelsen af ​​OY-aksen. I hver opgave er nulniveauet valgt af bekvemmelighedsgrunde. Det, der har en fysisk betydning, er ikke selve den potentielle energi, men dens forandring, når en krop bevæger sig fra en position til en anden. Denne ændring er uafhængig af valget af nulniveau.

Potentiel energi af en strakt fjeder beregnet med formlen:

Hvor: k– fjederstivhed. En forlænget (eller komprimeret) fjeder er i stand til at sætte en krop, der er fastgjort til den, i bevægelse, dvs. informere denne krop kinetisk energi. Følgelig har en sådan fjeder en energireserve. Spænding eller kompression x skal beregnes ud fra kroppens udeformerede tilstand.

Den potentielle energi af et elastisk deformeret legeme er lig med det arbejde, der udføres af den elastiske kraft under overgangen fra en given tilstand til en tilstand med nul deformation. Hvis i den oprindelige tilstand var fjederen allerede deformeret, og dens forlængelse var lig med x 1, derefter ved overgang til en ny tilstand med forlængelse x 2, vil den elastiske kraft arbejde svarende til ændringen i potentiel energi, taget med det modsatte fortegn (da den elastiske kraft altid er rettet mod deformation af kroppen):

Potentiel energi under elastisk deformation er energien af ​​interaktion mellem individuelle dele af kroppen med hinanden af ​​elastiske kræfter.

Friktionskraftens arbejde afhænger af den tilbagelagte vej (denne type kraft, hvis arbejde afhænger af banen og den tilbagelagte vej kaldes: dissipative kræfter). Begrebet potentiel energi for friktionskraften kan ikke introduceres.

Effektivitet

Effektivitetsfaktor (effektivitet)– karakteristisk for effektiviteten af ​​et system (enhed, maskine) i forhold til omdannelse eller transmission af energi. Det bestemmes af forholdet mellem nyttigt brugt energi til den samlede mængde energi modtaget af systemet (formlen er allerede givet ovenfor).

Effektivitet kan beregnes både gennem arbejde og gennem kraft. Nyttigt og brugt arbejde (kraft) bestemmes altid af simple logiske ræsonnementer.

I elektrisk motorernes effektivitet– forholdet mellem det udførte (nyttige) mekaniske arbejde og den elektriske energi, der modtages fra kilden. I varmemotorer er forholdet mellem nyttigt mekanisk arbejde og mængden af ​​forbrugt varme. I elektriske transformere er forholdet mellem den elektromagnetiske energi, der modtages i sekundærviklingen, og den energi, der forbruges af primærviklingen.

På grund af dets almene karakter gør begrebet effektivitet det muligt at sammenligne og vurdere sådanne forskellige systemer, såsom atomreaktorer, elektriske generatorer og motorer, termiske kraftværker, halvlederenheder, biologiske objekter osv.

På grund af uundgåelige energitab på grund af friktion, opvarmning af omgivende kroppe mv. Effektivitet er altid mindre end enhed. Effektiviteten udtrykkes derfor som en brøkdel af den brugte energi, det vil sige i form af en egentlig brøkdel eller som en procentdel, og er en dimensionsløs størrelse. Effektivitet karakteriserer, hvor effektivt en maskine eller mekanisme fungerer. Termisk effektivitet kraftværker når 35–40 %, forbrændingsmotorer med overladning og forkøling – 40–50 %, dynamoer og højeffektsgeneratorer – 95 %, transformere – 98 %.

Et problem, hvor du skal finde effektiviteten, eller det er kendt, skal du starte med logisk ræsonnement - hvilket arbejde der er nyttigt, og hvilket der er spildt.

Loven om bevarelse af mekanisk energi

Samlet mekanisk energi kaldes summen af ​​kinetisk energi (dvs. energien af ​​bevægelse) og potentiale (dvs. energien af ​​vekselvirkning mellem legemer med tyngdekraften og elasticiteten):

Hvis mekanisk energi ikke omdannes til andre former, for eksempel til intern (termisk) energi, så forbliver summen af ​​kinetisk og potentiel energi uændret. Hvis mekanisk energi bliver til termisk energi, så er ændringen i mekanisk energi lig med arbejdet med friktionskraften eller energitabene, eller mængden af ​​frigivet varme og så videre, med andre ord er ændringen i den samlede mekaniske energi lig. til ydre kræfters arbejde:

Summen af ​​den kinetiske og potentielle energi af de legemer, der udgør et lukket system (dvs. et, hvor der ikke er nogen ydre kræfter, der virker, og deres arbejde er tilsvarende nul) og de gravitations- og elastiske kræfter, der interagerer med hinanden, forbliver uændret:

Dette udsagn udtrykker Law of Conservation of Energy (LEC) i mekaniske processer . Det er en konsekvens af Newtons love. Loven om bevarelse af mekanisk energi er kun opfyldt, når kroppene er inde lukket system interagerer med hinanden ved hjælp af elasticitets- og tyngdekraftskræfter. I alle problemer om loven om energibevarelse vil der altid være mindst to tilstande i et system af kroppe. Loven siger, at den samlede energi i den første tilstand vil være lig med den samlede energi i den anden tilstand.

Algoritme til løsning af problemer om loven om energibevarelse:

1. Find punkterne for den indledende og endelige position af kroppen.
2. Skriv ned, hvilke eller hvilke energier kroppen har på disse punkter.
3. Sæt lighedstegn mellem kroppens indledende og endelige energi.
4. Tilføj andre nødvendige ligninger fra tidligere fysikemner.
5. Løs den resulterende ligning eller ligningssystem ved hjælp af matematiske metoder.

Det er vigtigt at bemærke, at loven om bevarelse af mekanisk energi gjorde det muligt at opnå et forhold mellem et legemes koordinater og hastigheder på to forskellige punkter af banen uden at analysere kroppens bevægelseslov på alle mellemliggende punkter. Anvendelsen af ​​loven om bevarelse af mekanisk energi kan i høj grad forenkle løsningen af ​​mange problemer.

Under virkelige forhold påvirkes bevægelige legemer næsten altid sammen med gravitationskræfter, elastiske kræfter og andre kræfter af friktionskræfter eller miljømæssige modstandskræfter. Friktionskraftens arbejde afhænger af banens længde.

Hvis friktionskræfter virker mellem de legemer, der udgør et lukket system, så bevares mekanisk energi ikke. En del af den mekaniske energi omdannes til indre energi i legemer (opvarmning). Således bevares energien som helhed (dvs. ikke kun mekanisk) under alle omstændigheder.

Under fysiske interaktioner hverken vises eller forsvinder energi. Det skifter bare fra en form til en anden. Dette eksperimentelt etablerede faktum udtrykker en grundlæggende naturlov - loven om bevarelse og omdannelse af energi.

En af konsekvenserne af loven om bevarelse og transformation af energi er udsagnet om umuligheden af ​​at skabe en "perpetual motion machine" (perpetuum mobile) - en maskine, der kunne arbejde i det uendelige uden at forbruge energi.

Forskellige arbejdsopgaver

Hvis problemet kræver at finde mekanisk arbejde, skal du først vælge en metode til at finde det:

1. Et job kan findes ved hjælp af formlen: EN = FS∙cos α . Find den kraft, der udfører arbejdet, og mængden af ​​forskydning af kroppen under påvirkning af denne kraft i den valgte referenceramme. Bemærk, at vinklen skal vælges mellem kraft- og forskydningsvektorerne.
2. Job ydre kraft kan findes som forskellen i mekanisk energi i slut- og startsituationen. Mekanisk energi er lig med summen af ​​kroppens kinetiske og potentielle energier.
3. Arbejdet udført for at løfte en krop med konstant hastighed kan findes ved hjælp af formlen: EN = mgh, Hvor h- højden, som den stiger til kroppens tyngdepunkt.
4. Arbejde kan findes som et produkt af magt og tid, dvs. efter formlen: EN = Pt.
5. Værket kan findes som arealet af figuren under grafen for kraft versus forskydning eller kraft versus tid.

Loven om bevarelse af energi og dynamik i rotationsbevægelse

Problemerne i dette emne er ganske komplekse matematisk, men med viden om tilgangen kan de løses fuldstændigt standard algoritme. I alle problemer bliver du nødt til at overveje kroppens rotation i det lodrette plan. Løsningen vil komme ned til følgende rækkefølge af handlinger:

1. Du skal bestemme det punkt, du er interesseret i (det punkt, hvor du skal bestemme kroppens hastighed, trådens spændingskraft, vægt og så videre).
2. Skriv Newtons anden lov ned på dette tidspunkt under hensyntagen til, at kroppen roterer, det vil sige, at den har centripetalacceleration.
3. Skriv loven om bevarelse af mekanisk energi ned, så den indeholder kroppens hastighed på det meget interessante punkt, såvel som karakteristikaene for kroppens tilstand i en eller anden tilstand, som man ved noget om.
4. Afhængigt af betingelsen skal du udtrykke den kvadrerede hastighed fra den ene ligning og erstatte den med den anden.
5. Udfør de resterende nødvendige matematiske operationer for at opnå det endelige resultat.

Når du løser problemer, skal du huske at:

• Betingelsen for at passere toppunktet ved rotation på et gevind med minimumshastighed er støttereaktionskraften N ved toppunktet er 0. Samme betingelse er opfyldt, når man passerer det øverste punkt i den døde sløjfe.
• Når man roterer på en stang, er betingelsen for at passere hele cirklen: minimumshastighed ved toppunktet er 0.
• Betingelsen for adskillelse af et legeme fra overfladen af ​​kuglen er, at støttereaktionskraften ved adskillelsespunktet er nul.

Uelastiske kollisioner

Loven om bevarelse af mekanisk energi og loven om bevarelse af momentum gør det muligt at finde løsninger på mekaniske problemer i tilfælde, hvor de virkende kræfter er ukendte. Et eksempel på denne type problemer er kroppes påvirkningsinteraktion.

Ved sammenstød (eller kollision) Det er sædvanligt at kalde en kortsigtet interaktion mellem kroppe, som et resultat af hvilken deres hastigheder oplever betydelige ændringer. Under en kollision af kroppe virker kortvarige stødkræfter mellem dem, hvis størrelse som regel er ukendt. Derfor er det umuligt at overveje virkningsinteraktionen direkte ved hjælp af Newtons love. Anvendelsen af ​​lovene om bevarelse af energi og momentum gør det i mange tilfælde muligt at udelukke selve kollisionsprocessen fra overvejelse og opnå en forbindelse mellem legemers hastigheder før og efter kollisionen, og omgå alle mellemværdier af disse mængder.

Vi er ofte nødt til at beskæftige os med kroppes påvirkningsinteraktion i hverdagen, i teknologi og i fysik (især i atomets og elementarpartiklernes fysik). I mekanik bruges ofte to modeller for stødinteraktion - absolut elastiske og absolut uelastiske stød.

Absolut uelastisk effekt De kalder denne påvirkningsinteraktion, hvor kroppe forbinder (holder sammen) med hinanden og går videre som én krop.

Når absolut uelastisk påvirkning mekanisk energi bevares ikke. Det bliver helt eller delvist til kroppens indre energi (opvarmning). For at beskrive eventuelle påvirkninger skal du nedskrive både loven om bevarelse af momentum og loven om bevarelse af mekanisk energi under hensyntagen til den frigivne varme (det er stærkt tilrådeligt at lave en tegning først).

Absolut elastisk stød

Absolut elastisk stød kaldes en kollision, hvor den mekaniske energi i et system af kroppe bevares. I mange tilfælde overholder kollisioner af atomer, molekyler og elementarpartikler lovene om absolut elastisk påvirkning. Med en absolut elastisk påvirkning, sammen med loven om bevarelse af momentum, er loven om bevarelse af mekanisk energi opfyldt. Et simpelt eksempel En perfekt elastisk kollision kan være et centralt sammenstød af to billardkugler, hvoraf den ene var i ro før sammenstødet.

Central strejke kugler kaldes en kollision, hvor kuglernes hastigheder før og efter sammenstødet er rettet langs centerlinjen. Ved at bruge lovene om bevarelse af mekanisk energi og momentum er det således muligt at bestemme kuglernes hastigheder efter en kollision, hvis deres hastigheder før kollisionen er kendt. Den centrale strejke gennemføres meget sjældent i praksis, især hvis vi taler om om kollisioner af atomer eller molekyler. Ved en ikke-central elastisk kollision er hastighederne af partikler (kugler) før og efter kollisionen ikke rettet i én lige linje.

Et særligt tilfælde af et off-centralt elastisk stød kan være kollisionen af ​​to billardkugler af samme masse, hvoraf den ene var ubevægelig før kollisionen, og hastigheden af ​​den anden var ikke rettet langs linjen af ​​kuglernes centre . I dette tilfælde er kuglernes hastighedsvektorer efter en elastisk kollision altid rettet vinkelret på hinanden.

Fredningslove. Komplekse opgaver

Flere kroppe

I nogle problemer med loven om bevarelse af energi kan de kabler, som visse objekter flyttes med, have masse (det vil sige ikke være vægtløse, som du måske allerede er vant til). I dette tilfælde skal arbejdet med at flytte sådanne kabler (nemlig deres tyngdepunkter) også tages i betragtning.

Hvis to legemer forbundet med en vægtløs stang roterer i et lodret plan, så:

1. vælg et nulniveau for at beregne potentiel energi, for eksempel på niveauet for rotationsaksen eller på niveauet for det laveste punkt af en af ​​vægtene, og sørg for at lave en tegning;
2. nedskriv loven om bevarelse af mekanisk energi, hvor vi på venstre side skriver summen af ​​begge legemers kinetiske og potentielle energi i udgangssituationen, og på højre side skriver vi summen af ​​den kinetiske og potentielle energi af begge organer i den endelige situation;
3. tag i betragtning, at legemernes vinkelhastigheder er de samme, så er legemernes lineære hastigheder proportionale med rotationsradierne;
4. skriv eventuelt Newtons anden lov ned for hver af legemerne separat.

Skallen brast

Når et projektil eksploderer, frigives eksplosiv energi. For at finde denne energi er det nødvendigt at trække projektilets mekaniske energi før eksplosionen fra summen af ​​fragmenternes mekaniske energier efter eksplosionen. Vi vil også bruge loven om bevarelse af momentum, skrevet i form af cosinussætningen (vektormetoden) eller i form af projektioner på udvalgte akser.

Sammenstød med en tung plade

Lad os møde en tung plade, der bevæger sig med fart v, en let massekugle bevæger sig m med fart u n. Da boldens momentum er meget mindre end pladens momentum, vil pladens hastighed ikke ændre sig efter stødet, og den vil fortsætte med at bevæge sig med samme hastighed og i samme retning. Som følge af det elastiske stød vil bolden flyve væk fra pladen. Det er vigtigt at forstå det her boldens hastighed i forhold til pladen vil ikke ændre sig. I dette tilfælde får vi for boldens endelige hastighed:

Således øges boldens hastighed efter stød med det dobbelte af murens hastighed. Lignende begrundelse for det tilfælde, hvor bolden og pladen før sammenstødet bevægede sig i samme retning, fører til det resultat, at boldens hastighed falder med det dobbelte af væggens hastighed:

I blandt andet fysik og matematik skal tre vigtigste betingelser være opfyldt:

1. Studer alle emner, og udfør alle tests og opgaver givet i undervisningsmaterialerne på dette websted. For at gøre dette behøver du slet ikke noget, nemlig: afsætte tre til fire timer hver dag til at forberede dig til CT i fysik og matematik, studere teori og løse problemer. Faktum er, at CT er en eksamen, hvor det ikke er nok bare at kunne fysik eller matematik, du skal også kunne løse det hurtigt og uden fejl et stort antal af opgaver om forskellige emner og varierende kompleksitet. Sidstnævnte kan kun læres ved at løse tusindvis af problemer.
2. Lær alle formler og love i fysik, og formler og metoder i matematik. Faktisk er dette også meget enkelt at gøre; der er kun omkring 200 nødvendige formler i fysik, og endda lidt færre i matematik. I hvert af disse fag er der omkring et dusin standardmetoder til at løse problemer af et grundlæggende kompleksitetsniveau, som også kan læres, og dermed helt automatisk og uden besvær at løse det meste af CT'en på det rigtige tidspunkt. Herefter skal du kun tænke på de sværeste opgaver.
3. Deltag i alle tre faser af repetitionstest i fysik og matematik. Hver RT kan besøges to gange for at tage stilling til begge muligheder. Igen skal du på CT'en, udover evnen til hurtigt og effektivt at løse problemer, og kendskab til formler og metoder, også kunne planlægge tid ordentligt, fordele kræfter og vigtigst af alt korrekt udfylde svarskemaet, uden at forvirrende antallet af svar og problemer, eller dit eget efternavn. Også under RT er det vigtigt at vænne sig til stilen med at stille spørgsmål i problemer, hvilket kan virke meget usædvanligt for en uforberedt person på DT.

Succesfuld, flittig og ansvarlig implementering af disse tre punkter vil give dig mulighed for at dukke op på CT fremragende resultat, det maksimale af hvad du er i stand til.

Har du fundet en fejl?

Hvis du mener, at du har fundet en fejl i undervisningsmaterialet, så skriv venligst om det på e-mail. Du kan også rapportere en fejl på det sociale netværk (). Angiv i brevet emnet (fysik eller matematik), navnet eller nummeret på emnet eller testen, nummeret på opgaven eller det sted i teksten (siden), hvor der efter din mening er en fejl. Beskriv også, hvad den formodede fejl er. Dit brev vil ikke gå ubemærket hen, fejlen bliver enten rettet, eller du får forklaret, hvorfor det ikke er en fejl.

For at kunne karakterisere bevægelsens energikarakteristika blev begrebet mekanisk arbejde introduceret. Og det er til hende i hende forskellige manifestationer artiklen er helliget. Emnet er både nemt og ret svært at forstå. Forfatteren forsøgte oprigtigt at gøre det mere forståeligt og tilgængeligt for forståelse, og man kan kun håbe, at målet er nået.

Hvad kaldes mekanisk arbejde?

Hvad hedder den? Hvis en kraft virker på et legeme, og som et resultat af dets handling bevæger kroppen sig, så kaldes dette mekanisk arbejde. Når man nærmer sig fra et videnskabsfilosofisk synspunkt, kan flere yderligere aspekter fremhæves her, men artiklen vil dække emnet ud fra et fysiksynspunkt. Mekanisk arbejde er ikke svært, hvis du tænker grundigt over de ord, der er skrevet her. Men ordet "mekanisk" er normalt ikke skrevet, og alt er forkortet til ordet "arbejde". Men ikke alle job er mekaniske. Her sidder en mand og tænker. Virker det? Mentalt ja! Men er dette mekanisk arbejde? Ingen. Hvad hvis en person går? Hvis en krop bevæger sig under påvirkning af kraft, så er dette mekanisk arbejde. Det er simpelt. Med andre ord, en kraft, der virker på et legeme, virker (mekanisk). Og en ting mere: det er arbejde, der kan karakterisere resultatet af en bestemt krafts handling. Så hvis en person går, udfører visse kræfter (friktion, tyngdekraft osv.) mekanisk arbejde på personen, og som et resultat af deres handling ændrer personen sit sted, med andre ord, bevæger sig.

Arbejde som en fysisk størrelse er lig med den kraft, der virker på kroppen, ganget med den vej, som kroppen har lavet under påvirkning af denne kraft og i den retning, den angiver. Vi kan sige, at mekanisk arbejde blev udført, hvis 2 betingelser var opfyldt samtidigt: en kraft virkede på kroppen, og den bevægede sig i retning af dens handling. Men det opstod ikke eller opstår ikke, hvis kraften virkede, og kroppen ikke ændrede sin placering i koordinatsystemet. Her er små eksempler, når der ikke udføres mekanisk arbejde:

1. Så en person kan læne sig op ad en enorm kampesten for at flytte den, men der er ikke nok styrke. Kraften virker på stenen, men den bevæger sig ikke, og der sker intet arbejde.
2. Kroppen bevæger sig i koordinatsystemet, og kraften er lig nul eller de er alle blevet kompenseret. Dette kan observeres under bevægelse ved inerti.
3. Når retningen, som et legeme bevæger sig i, er vinkelret på kraftens virkning. Når et tog bevæger sig langs en vandret linje, gør tyngdekraften ikke sit arbejde.

Afhængigt af visse forhold kan mekanisk arbejde være negativt og positivt. Så hvis retningerne af både kræfterne og kroppens bevægelser er de samme, så opstår der positivt arbejde. Et eksempel på positivt arbejde er tyngdekraftens effekt på en faldende vanddråbe. Men hvis kraften og bevægelsesretningen er modsat, opstår der negativt mekanisk arbejde. Et eksempel på en sådan mulighed er en ballon, der stiger opad og tyngdekraften, som gør negativt arbejde. Når et legeme er udsat for påvirkning af flere kræfter, kaldes et sådant arbejde "resultant kraftarbejde."

Funktioner ved praktisk anvendelse (kinetisk energi)

Lad os gå fra teori til praktisk del. Separat bør vi tale om mekanisk arbejde og dets anvendelse i fysik. Som mange sikkert husker, er al kroppens energi opdelt i kinetisk og potentiale. Når et objekt er i ligevægt og ikke bevæger sig nogen steder, er dets potentielle energi lig med dets samlede energi, og dets kinetiske energi er lig med nul. Når bevægelse begynder, begynder potentiel energi at falde, kinetisk energi begynder at stige, men i alt er de lig med objektets samlede energi. For et materialepunkt er kinetisk energi defineret som arbejdet af en kraft, der accelererer punktet fra nul til værdien H, og i formelform er kinetikken af ​​et legeme lig med ½*M*N, hvor M er masse. For at finde ud af den kinetiske energi af et objekt, der består af mange partikler, skal du finde summen af ​​al partiklernes kinetiske energi, og dette vil være kroppens kinetiske energi.

Funktioner ved praktisk anvendelse (potentiel energi)

I det tilfælde, hvor alle de kræfter, der virker på kroppen, er konservative, og den potentielle energi er lig med totalen, udføres der intet arbejde. Dette postulat er kendt som loven om bevarelse af mekanisk energi. Mekanisk energi i et lukket system er konstant over et tidsinterval. Fredningsloven er meget brugt til at løse problemer fra klassisk mekanik.

Funktioner ved praktisk anvendelse (termodynamik)

I termodynamik beregnes arbejdet udført af en gas under ekspansion ved integralet af tryk gange volumen. Denne tilgang er anvendelig ikke kun i tilfælde, hvor der er en nøjagtig volumenfunktion, men også til alle processer, der kan vises i tryk/volumen-planet. Det anvender også viden om mekanisk arbejde ikke kun på gasser, men på alt, der kan udøve tryk.

Funktioner af praktisk anvendelse i praksis (teoretisk mekanik)

I teoretisk mekanik overvejes alle de ovenfor beskrevne egenskaber og formler mere detaljeret, især projektioner. Hun giver også sin egen definition for forskellige formler mekanisk arbejde (et eksempel på en definition for Rimmer-integralet): den grænse, hvortil summen af ​​alle kræfter af elementært arbejde tenderer, når skillevæggens finhed har tendens til nul, kaldes kraftværket langs kurven. Sandsynligvis svært? Men intet, alt er fint med teoretisk mekanik. Ja, alt det mekaniske arbejde, fysik og andre vanskeligheder er forbi. Yderligere vil der kun være eksempler og en konklusion.

Måleenheder for mekanisk arbejde

SI bruger joule til at måle arbejde, mens GHS bruger ergs:

1. 1 J = 1 kg m²/s² = 1 Nm
2. 1 erg = 1 g cm²/s² = 1 dyn cm
3. 1 erg = 10 −7 J

Eksempler på mekanisk arbejde

For endelig at forstå et sådant koncept som mekanisk arbejde, bør du studere flere individuelle eksempler, der giver dig mulighed for at overveje det fra mange, men ikke alle, sider:

1. Når en person løfter en sten med sine hænder, sker der mekanisk arbejde ved hjælp af hans hænders muskelstyrke;
2. Når et tog kører langs skinnerne, trækkes det af traktorens trækkraft (elektrisk lokomotiv, diesellokomotiv osv.);
3. Hvis du tager en pistol og skyder fra den, vil der blive udført arbejde takket være trykkraften skabt af pulvergasserne: kuglen flyttes langs pistolens løb samtidig med at selve kuglens hastighed øges;
4. Mekanisk arbejde eksisterer også, når friktionskraften virker på et legeme og tvinger det til at reducere hastigheden af ​​dets bevægelse;
5. Ovenstående eksempel med kugler, når de hæver ind den modsatte side i forhold til tyngdekraftens retning, er også et eksempel på mekanisk arbejde, men udover tyngdekraften virker Archimedes-kraften også, når alt, der er lettere end luft, stiger opad.

Hvad er magt?

Til sidst vil jeg gerne komme ind på emnet magt. Det arbejde, som en kraft udfører i en tidsenhed, kaldes magt. Faktisk er effekt en fysisk størrelse, der er en afspejling af forholdet mellem arbejde og et bestemt tidsrum, hvor dette arbejde blev udført: M=P/B, hvor M er effekt, P er arbejde, B er tid. SI-effektenheden er 1 W. En watt er lig med den effekt, der udfører én joule arbejde på et sekund: 1 W=1J\1s.

Mekanisk arbejde. Arbejdsenheder.

I hverdagen forstår vi alt ved begrebet "arbejde".

I fysik, konceptet Job noget anderledes. Det er en bestemt fysisk størrelse, hvilket betyder, at den kan måles. I fysik studeres det primært mekanisk arbejde .

Lad os se på eksempler på mekanisk arbejde.

Toget bevæger sig under trækkraften fra et elektrisk lokomotiv, og der udføres mekanisk arbejde. Når en pistol affyres, virker pulvergassernes trykkraft - den flytter kuglen langs med løbet, og kuglens hastighed øges.

Fra disse eksempler er det klart, at mekanisk arbejde udføres, når et legeme bevæger sig under påvirkning af kraft. Mekanisk arbejde udføres også i det tilfælde, hvor en kraft, der virker på et legeme (for eksempel friktionskraft) reducerer hastigheden af ​​dets bevægelse.

Ønsker vi at flytte skabet, trykker vi hårdt på det, men hvis det ikke bevæger sig, så udfører vi ikke mekanisk arbejde. Man kan forestille sig et tilfælde, hvor et legeme bevæger sig uden deltagelse af kræfter (ved inerti); i dette tilfælde udføres mekanisk arbejde heller ikke.

Så, mekanisk arbejde udføres kun, når en kraft virker på et legeme, og det bevæger sig .

Det er ikke svært at forstå, at jo større kraften virker på kroppen, og jo længere den vej kroppen bevæger sig under påvirkning af denne kraft, jo større arbejde udføres.

Mekanisk arbejde er direkte proportional med den påførte kraft og direkte proportional med den tilbagelagte afstand .

Derfor blev vi enige om at måle mekanisk arbejde ved kraftproduktet, og vejen tilbage langs denne krafts retning:

arbejde = kraft × vej

Hvor EN- Job, F- styrke og s- tilbagelagt afstand.

En arbejdsenhed anses for at være arbejdet udført af en kraft på 1N over en bane på 1 m.

Arbejdsenhed - joule (J ) opkaldt efter den engelske videnskabsmand Joule. Dermed,

1 J = 1Nm.

Også brugt kilojoule (kJ) .

1 kJ = 1000 J.

Formel A = Fs gældende, når kraften F konstant og falder sammen med kroppens bevægelsesretning.

Hvis kraftens retning falder sammen med kroppens bevægelsesretning, så givet magt gør positivt arbejde.

Hvis kroppen bevæger sig i retning modsat retningen af ​​den påførte kraft, for eksempel den glidende friktionskraft, så virker denne kraft negativt.

Hvis retningen af ​​kraften, der virker på kroppen, er vinkelret på bevægelsesretningen, virker denne kraft ikke, arbejdet er nul:

I fremtiden, når vi taler om mekanisk arbejde, vil vi kort kalde det med et ord - arbejde.

Eksempel. Beregn det udførte arbejde ved løft af en granitplade med et volumen på 0,5 m3 til en højde på 20 m. Densiteten af ​​granit er 2500 kg/m3.

Givet:

ρ = 2500 kg/m 3

Løsning:

hvor F er den kraft, der skal påføres for at løfte pladen ensartet op. Denne kraft er i modulus lig med kraften Fstrand, der virker på pladen, dvs. F = Fstrand. Og tyngdekraften kan bestemmes af pladens masse: Fvægt = gm. Lad os beregne massen af ​​pladen ved at kende dens volumen og tætheden af ​​granit: m = ρV; s = h, dvs. stien er lig med løftehøjden.

Så 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.

Svar: A = 245 kJ.

Håndtag.Kraft.Energi

For at udføre det samme arbejde kræver forskellige motorer anden tid. For eksempel løfter en kran på en byggeplads hundredvis af mursten til øverste etage i en bygning på få minutter. Hvis disse klodser blev flyttet af en arbejder, ville det tage ham flere timer at gøre dette. Et andet eksempel. En hest kan pløje en hektar jord på 10-12 timer, mens en traktor med en flerdelt plov ( plovskær- en del af ploven, der skærer jordlaget nedefra og overfører det til lossepladsen; multi-plovskær - mange plovskær), vil dette arbejde være afsluttet på 40-50 minutter.

Det er tydeligt, at en kran udfører det samme arbejde hurtigere end en arbejder, og en traktor udfører det samme arbejde hurtigere end en hest. Arbejdshastigheden er kendetegnet ved en særlig mængde kaldet kraft.

Effekt er lig med forholdet mellem arbejde og den tid, hvor det blev udført.

For at beregne effekt skal du dividere arbejdet med den tid, hvor dette arbejde blev udført. strøm = arbejde/tid.

Hvor N- strøm, EN- Job, t- tidspunkt for udført arbejde.

Effekt er en konstant størrelse, når det samme arbejde udføres hvert sekund; i andre tilfælde forholdet På bestemmer den gennemsnitlige effekt:

N gns. = På . Effektenheden anses for at være den effekt, hvormed J arbejde udføres på 1 s.

Denne enhed kaldes watt ( W) til ære for en anden engelsk videnskabsmand, Watt.

1 watt = 1 joule/1 sekund, eller 1 W = 1 J/s.

Watt (joule pr. sekund) - W (1 J/s).

Større kraftenheder er meget brugt i teknologi - 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

Eksempel. Find styrken af ​​vandstrømmen, der strømmer gennem dæmningen, hvis højden af ​​vandfaldet er 25 m og dens strømningshastighed er 120 m3 pr. minut.

Givet:

ρ = 1000 kg/m3

Løsning:

Masse af faldende vand: m = ρV,

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

Tyngdekraften virker på vand:

F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12.105 N)

Arbejde udført efter flow pr. minut:

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

Floweffekt: N = A/t,

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

Svar: N = 0,5 MW.

Forskellige motorer har ydelser lige fra hundrededele og tiendedele kilowatt (motor på en elektrisk barbermaskine, symaskine) til hundredtusindvis af kilowatt (vand- og dampturbiner).

Tabel 5.

Effekt af nogle motorer, kW.

Hver motor har en plade (motorpas), som angiver nogle oplysninger om motoren, herunder dens kraft.

Menneskelig magt kl normale forhold arbejde i gennemsnit er 70-80 W. Når en person hopper eller løber op ad trapper, kan en person udvikle effekt op til 730 W og ind i nogle tilfælde og endnu større.

Af formlen N = A/t følger det

For at beregne arbejdet er det nødvendigt at gange effekten med den tid, hvor dette arbejde blev udført.

Eksempel. Rumventilatormotoren har en effekt på 35 watt. Hvor meget arbejde laver han på 10 minutter?

Lad os skrive betingelserne for problemet ned og løse det.

Givet:

Løsning:

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

Svar EN= 21 kJ.

Simple mekanismer.

Siden umindelige tider har mennesket brugt forskellige anordninger til at udføre mekanisk arbejde.

Alle ved, at en tung genstand (en sten, et skab, et værktøjsmaskine), som ikke kan flyttes med hånden, kan flyttes ved hjælp af en tilstrækkelig lang pind - en håndtag.

Det menes i øjeblikket, at ved hjælp af håndtag for tre tusinde år siden under opførelsen af ​​pyramiderne i Det gamle Egypten flyttet og rejst tunge stenplader til store højder.

I mange tilfælde kan den i stedet for at løfte en tung byrde til en vis højde rulles eller trækkes til samme højde langs et skråplan eller løftes ved hjælp af klodser.

Enheder, der bruges til at konvertere kraft, kaldes mekanismer .

Simple mekanismer inkluderer: håndtag og dens varianter - blok, port; skråplan og dets varianter - kile, skrue. I de fleste tilfælde simple mekanismer bruges til at få styrke, det vil sige at øge den kraft, der virker på kroppen flere gange.

Simple mekanismer findes i både husholdnings- og alle komplekse industri- og fabriksmaskiner, der skærer, vrider og stempler store ark stål eller træk de fineste tråde, hvoraf der så laves stoffer. De samme mekanismer kan findes i moderne komplekse automatiske maskiner, print- og tællemaskiner.

Håndtagsarm. Balance af kræfter på håndtaget.

Lad os overveje den enkleste og mest almindelige mekanisme - håndtaget.

Håndtaget er solid, som kan dreje rundt om en fast understøtning.

Billederne viser, hvordan en arbejder bruger et koben som løftestang til at løfte en byrde. I det første tilfælde arbejderen med magt F trykker på enden af ​​kobenet B, i den anden - hæver slutningen B.

Arbejderen skal overvinde vægten af ​​byrden P- kraft rettet lodret nedad. For at gøre dette drejer han kobenet rundt om en akse, der går gennem den eneste ubevægelig bristepunktet er punktet for dens støtte OM. Kraft F hvormed arbejderen virker på håndtaget, er mindre kraft P, således modtager arbejderen vinde i styrke. Ved hjælp af et håndtag kan du løfte så tung en byrde, at du ikke kan løfte den på egen hånd.

Figuren viser et håndtag, hvis rotationsakse er OM(omdrejningspunkt) er placeret mellem kræfternes anvendelsespunkter EN Og I. Et andet billede viser et diagram af denne håndtag. Begge kræfter F 1 og F 2, der virker på håndtaget, er rettet i én retning.

Den korteste afstand mellem omdrejningspunktet og den lige linje, langs hvilken kraften virker på håndtaget, kaldes kraftens arm.

Længden af ​​denne vinkelrette vil være denne krafts arm. Det viser figuren OA- skulderstyrke F 1; OB- skulderstyrke F 2. De kræfter, der virker på håndtaget, kan dreje det rundt om dets akse i to retninger: med eller mod uret. Ja, styrke F 1 drejer håndtaget med uret, og kraften F 2 drejer den mod uret.

Den tilstand, hvorunder håndtaget er i ligevægt under påvirkning af kræfter, der påføres det, kan fastslås eksperimentelt. Det skal huskes, at resultatet af en krafts virkning ikke kun afhænger af dens numerisk værdi(modul), men også på det punkt, hvor det påføres kroppen, eller hvordan det er rettet.

Ophængt fra håndtaget (se figur) på begge sider af omdrejningspunktet forskellige belastninger så håndtaget forblev i balance hver gang. De kræfter, der virker på håndtaget, er lig med vægten af ​​disse belastninger. For hvert tilfælde måles kraftmodulerne og deres skuldre. Ud fra erfaringerne vist i figur 154 er det klart, at kraft 2 N afbalancerer kraften 4 N. I dette tilfælde, som det kan ses af figuren, er skulderen med mindre styrke 2 gange større end skulderen med større styrke.

Baseret på sådanne eksperimenter blev betingelsen (reglen) for vægtstangsligevægt etableret.

En løftestang er i ligevægt, når kræfterne, der virker på den, er omvendt proportionale med disse kræfters arme.

Denne regel kan skrives som en formel:

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

Hvor F 1Og F 2 - kræfter, der virker på håndtaget, l 1Og l 2 , - disse kræfters skuldre (se figur).

Reglen om vægtstangsligevægt blev etableret af Arkimedes omkring 287 - 212. f.Kr e. (men i sidste afsnit blev det sagt, at grebene blev brugt af egypterne? Eller spiller ordet "etableret" en vigtig rolle her?)

Af denne regel følger det, at en mindre kraft kan bruges til at afbalancere en større kraft ved hjælp af en løftestang. Lad den ene arm på håndtaget være 3 gange større end den anden (se figur). Derefter kan du ved at påføre en kraft på for eksempel 400 N i punkt B løfte en sten, der vejer 1200 N. For at løfte en endnu tungere byrde skal du øge længden af ​​vægtstangsarmen, som arbejderen agerer på.

Eksempel. Ved hjælp af et håndtag løfter en arbejder en plade, der vejer 240 kg (se fig. 149). Hvilken kraft påfører han den større vægtstangsarm på 2,4 m, hvis den mindre arm er 0,6 m?

Lad os skrive betingelserne for problemet ned og løse det.

Givet:

Løsning:

Ifølge vægtstangsligevægtsreglen er F1/F2 = l2/l1, hvoraf F1 = F2 l2/l1, hvor F2 = P er vægten af ​​stenen. Stenvægt asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N

Derefter er F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.

Svar: F1 = 600 N.

I vores eksempel overvinder arbejderen en kraft på 2400 N og påfører håndtaget en kraft på 600 N. Men i dette tilfælde er armen, som arbejderen handler på, 4 gange længere end den, stenens vægt virker på ( l 1 : l 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).

Ved at anvende gearingsreglen kan en mindre kraft afbalancere en større kraft. I dette tilfælde skal skulderen med mindre kraft være længere end skulderen med større styrke.

Kraftens øjeblik.

Du kender allerede reglen om vægtstangsligevægt:

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

Ved at bruge egenskaben proportion (produktet af dets ekstreme medlemmer er lig med produktet af dets midterste medlemmer), skriver vi det i denne form:

F 1l 1 = F 2 l 2 .

På venstre side af ligheden er produktet af kraft F 1 på hendes skulder l 1, og til højre - kraftproduktet F 2 på hendes skulder l 2 .

Produktet af modulet af kraften, der roterer kroppen og dens skulder kaldes kraftmoment; det er betegnet med bogstavet M. Det betyder

En vægtstang er i ligevægt under påvirkning af to kræfter, hvis kraftmomentet, der roterer det med uret, er lig med kraftmomentet, der roterer det mod uret.

Denne regel kaldes øjebliks regel , kan skrives som en formel:

M1 = M2

Faktisk, i det forsøg, vi betragtede (§ 56), var de virkende kræfter lig med 2 N og 4 N, deres skuldre udgjorde henholdsvis 4 og 2 håndtagstryk, dvs. momenterne for disse kræfter er de samme, når håndtaget er i ligevægt .

Kraftmomentet kan, som enhver fysisk størrelse, måles. Enheden for kraftmoment anses for at være et kraftmoment på 1 N, hvis arm er nøjagtigt 1 m.

Denne enhed kaldes newton meter (N m).

Kraftmomentet karakteriserer virkningen af ​​en kraft, og viser, at den afhænger samtidigt af både kraftens modul og dens løftestang. Faktisk ved vi allerede f.eks., at virkningen af ​​en kraft på en dør afhænger både af kraftens størrelse og af, hvor kraften påføres. Jo lettere det er at dreje døren, jo længere fra rotationsaksen påføres kraften, der virker på den. Det er bedre at skrue møtrikken af ​​længe skruenøgle end kort. Jo nemmere det er at løfte en spand fra brønden, jo længere er portens håndtag mv.

Håndtag i teknologi, hverdag og natur.

Reglen om løftestang (eller reglen om øjeblikke) ligger til grund for handlingen af ​​forskellige slags værktøjer og enheder, der bruges i teknologi og hverdagsliv, hvor en gevinst i styrke eller rejse er påkrævet.

Vi opnår en styrke, når vi arbejder med saks. Saks - dette er en løftestang(fig), hvis rotationsakse sker gennem en skrue, der forbinder begge halvdele af saksen. Handlekraft F 1 er muskelstyrken af ​​hånden på den person, der griber om saksen. Modkraft F 2 er modstandskraften af ​​det materiale, der skæres med en saks. Afhængigt af formålet med saksen varierer deres design. Kontorsakse, designet til at skære papir, har lange blade og håndtag, der er næsten lige lange. Ingen papirskæring påkrævet stor styrke, og med et langt blad er det mere bekvemt at skære i en lige linje. Klippe saks metalplader(Fig.) har håndtag meget længere end bladene, da modstandskraften i metallet er stor, og for at balancere den, skal den virkende krafts arm øges betydeligt. Forskellen mellem længden af ​​håndtagene og afstanden mellem skæredelen og rotationsaksen er endnu større trådskærere(Fig.), designet til at skære tråd.

Håndtag forskellige typer tilgængelig på mange biler. Håndtaget på en symaskine, pedalerne eller håndbremsen på en cykel, pedalerne på en bil og traktor og tangenterne på et klaver er alle eksempler på håndtag, der bruges i disse maskiner og værktøjer.

Eksempler på brug af håndtag er håndtagene på skruestik og arbejdsborde, håndtaget boremaskine etc.

Virkningen af ​​løftestangsvægte er baseret på grebets princip (fig.). Træningsskalaerne vist i figur 48 (s. 42) fungerer som ligearmshåndtag . I decimalskalaer Skulderen, hvorfra koppen med vægte er ophængt, er 10 gange længere end den skulder, der bærer byrden. Dette gør vejning af store læs meget lettere. Når du vejer en last på en decimalskala, skal du gange vægtens masse med 10.

Enheden af ​​vægte til vejning af godsvogne af biler er også baseret på reglen om gearing.

Håndtag findes også i forskellige dele kroppe af dyr og mennesker. Det er for eksempel arme, ben, kæber. Mange håndtag kan findes i insekternes krop (ved at læse en bog om insekter og strukturen af ​​deres kroppe), fugle og i planters struktur.

Anvendelse af ligevægtsloven for en løftestang på en blok.

Blok Det er et hjul med rille, monteret i en holder. Et reb, kabel eller kæde føres gennem blokrillen.

Fast blok Dette kaldes en blok, hvis akse er fast og ikke hæver eller falder ved løft af byrder (fig.).

En fast blok kan betragtes som en ligearmet løftestang, hvor kraftarmene er lig med hjulets radius (fig): OA = OB = r. En sådan blok giver ikke en styrkeforøgelse. ( F 1 = F 2), men giver dig mulighed for at ændre retningen af ​​kraften. Bevægelig blok - det her er en blok. hvis akse stiger og falder sammen med lasten (fig.). Figuren viser den tilsvarende håndtag: OM- håndtagets omdrejningspunkt, OA- skulderstyrke R Og OB- skulderstyrke F. Siden skulderen OB 2 gange skulderen OA, så styrken F 2 gange mindre kraft R:

F = P/2 .

Dermed, den bevægelige blok giver en 2-dobling af styrke .

Dette kan bevises ved hjælp af begrebet kraftmoment. Når blokken er i ligevægt, kræftmomenterne F Og R lige med hinanden. Men skulderen af ​​styrke F 2 gange gearingen R, og derfor selve magten F 2 gange mindre kraft R.

Normalt anvendes i praksis en kombination af en fast blok og en bevægelig (fig.). Den faste blok bruges kun for nemheds skyld. Det giver ikke en forstærkning i kraft, men det ændrer kraftens retning. For eksempel giver det dig mulighed for at løfte en byrde, mens du står på jorden. Dette er nyttigt for mange mennesker eller arbejdere. Det giver dog en gevinst i styrke 2 gange større end normalt!

Ligestilling i arbejdet ved brug af simple mekanismer. Mekanikkens "gyldne regel".

De simple mekanismer, vi har overvejet, bruges til at udføre arbejde i tilfælde, hvor det er nødvendigt at balancere en anden kraft gennem en krafts virkning.

Naturligvis opstår spørgsmålet: Mens de giver en gevinst i magt eller vej, giver simple mekanismer ikke en gevinst i arbejde? Svaret på dette spørgsmål kan fås af erfaring.

Ved at balancere to forskellige størrelseskræfter på et håndtag F 1 og F 2 (fig.), sæt håndtaget i bevægelse. Det viser sig, at på samme tid anvendelsespunktet for den mindre kraft F 2 går videre s 2, og anvendelsespunktet for den større kraft F 1 - kortere vej s 1. Efter at have målt disse baner og kraftmoduler, finder vi, at de veje, der gennemløbes af kræfternes påvirkningspunkter på håndtaget, er omvendt proportional med kræfterne:

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

Ved at handle på håndtagets lange arm vinder vi således i styrke, men samtidig taber vi lige meget undervejs.

Produkt af kraft F på vej s der er arbejde. Vores eksperimenter viser, at arbejdet udført af de kræfter, der påføres håndtaget, er lig med hinanden:

F 1 s 1 = F 2 s 2, dvs. EN 1 = EN 2.

Så, Når du bruger gearing, vil du ikke kunne vinde på arbejdet.

Ved at bruge gearing kan vi opnå enten magt eller distance. Ved at anvende kraft på håndtagets korte arm vinder vi afstand, men taber lige meget i styrke.

Der er en legende om, at Archimedes, henrykt over opdagelsen af ​​løftestangsreglen, udbrød: "Giv mig et omdrejningspunkt, og jeg vil vende jorden om!"

Selvfølgelig kunne Archimedes ikke klare en sådan opgave, selvom han havde fået et omdrejningspunkt (som burde have været uden for Jorden) og en løftestang i den nødvendige længde.

For at hæve jorden kun 1 cm, skal håndtagets lange arm beskrive en bue af enorm længde. Det ville tage millioner af år at flytte den lange ende af håndtaget ad denne vej, for eksempel med en hastighed på 1 m/s!

En stationær blok giver ingen gevinst i arbejdet, som er let at verificere eksperimentelt (se figur). måder, farbare point anvendelse af kræfter F Og F, er de samme, kræfterne er de samme, hvilket betyder, at arbejdet er det samme.

Du kan måle og sammenligne det udførte arbejde ved hjælp af en flytteklods. For at løfte en last til en højde h ved hjælp af en bevægelig blok, er det nødvendigt at flytte enden af ​​rebet, som dynamometeret er fastgjort til, som erfaring viser (fig.), til en højde på 2 timer.

Dermed, får en 2-dobbelt styrkeforøgelse, taber de 2-fold på vejen, derfor giver den bevægelige blok ikke en gevinst i arbejde.

Det har århundreder gammel praksis vist Ingen af ​​mekanismerne giver en gevinst i ydeevne. De bruger forskellige mekanismer for at vinde i styrke eller på rejse, afhængigt af arbejdsforholdene.

Allerede gamle videnskabsmænd kendte en regel gældende for alle mekanismer: uanset hvor mange gange vi vinder i styrke, det samme antal gange vi taber i distance. Denne regel er blevet kaldt mekanikkens "gyldne regel".

Mekanismens effektivitet.

Når vi overvejede håndtagets design og handling, tog vi ikke højde for friktion, såvel som vægten af ​​håndtaget. i disse ideelle forhold arbejde udført af den anvendte kraft (vi vil kalde dette arbejde fuld), er lig med nyttig arbejde med at løfte byrder eller overvinde enhver modstand.

I praksis er det samlede arbejde udført af en mekanisme altid lidt større end det nyttige arbejde.

En del af arbejdet udføres mod friktionskraften i mekanismen og ved at flytte dens enkelte dele. Så når du bruger en bevægelig blok, skal du desuden arbejde for at løfte selve blokken, rebet og bestemme friktionskraften i blokkens akse.

Uanset hvilken mekanisme vi tager, udgør det nyttige arbejde, der udføres med dens hjælp, altid kun en del af det samlede arbejde. Dette betyder, at vi, der angiver nyttigt arbejde med bogstavet Ap, samlet (forbrugt) arbejde med bogstavet Az, kan skrive:

Op< Аз или Ап / Аз < 1.

Forholdet mellem nyttigt arbejde og fuldtidsjob kaldet effektiviteten af ​​mekanismen.

Effektivitetsfaktoren forkortes effektivitet.

Effektivitet = Ap / Az.

Effektivitet er normalt udtrykt som en procentdel og er angivet græsk bogstavη, det læses som "dette":

η = Ap/Az · 100%.

Eksempel: En last på 100 kg er ophængt på den korte arm af et håndtag. For at løfte den påføres den lange arm en kraft på 250 N. Lasten hæves til en højde på h1 = 0,08 m, mens påføringspunktet for drivkraften falder til en højde på h2 = 0,4 m. Find håndtagets effektivitet.

Lad os skrive betingelserne for problemet ned og løse det.

Givet :

Løsning :

η = Ap/Az · 100%.

Samlet (forbrugt) arbejde Az = Fh2.

Nyttigt arbejde 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 %.

Svar : η = 80 %.

Men " gylden regel"udføres også i dette tilfælde. En del af det nyttige arbejde - 20% af det - bruges på at overvinde friktion i håndtagets akse og luftmodstand, samt på selve håndtagets bevægelse.

Effektiviteten af ​​enhver mekanisme er altid mindre end 100%. Når man designer mekanismer, stræber folk efter at øge deres effektivitet. For at opnå dette reduceres friktionen i mekanismernes akser og deres vægt.

Energi.

På anlæg og fabrikker drives maskiner og maskiner af elektriske motorer, som forbruger elektrisk energi(deraf navnet).