Народна Освіта » Фізика » Простые механизмы. Коэффициент полезного действия механизмов

НАРОДНА ОСВІТА

Простые механизмы. Коэффициент полезного действия механизмов

Простые механизмы — это «труженики» со стажем работы более 40 веков, однако они ничуть не «состарились»: в каждом современном техническом устройстве обязательно найдется простой механизм, и не один. эти устройства позволяют изменить направление действия силы, получить выигрыш в силе или расстоянии. А дают ли они выигрыш в работе?

Знакомимся с важной характеристикой простых механизмов

Вы уже знаете, что рычаги с разными плечами и подвижные блоки позволяют получить выигрыш в силе, но такой выигрыш дается не «даром», ведь, получив преимущество в силе, мы обязательно проиграем в расстоянии (рис. 36.1). Древнее так называемое «золотое правило» механики гласит: «Во сколько раз мы выиграем в силе, во столько же раз проиграем в расстоянии». А действительно ли это так?

Допустим, что нужно поднять груз на определенную высоту. Воспользуемся неподвижным блоком: следует перебросить через блок шнур, привязать к шнуру груз и, взявшись за свободный конец шнура, равномерно тянуть его вниз (рис. 36.2).

Неподвижный блок можно представить как равноплечий рычаг, поэтому сила, с которой тянут шнур, должна быть равна весу груза: F = Р. Однако на практике вращению блока всегда мешает сила трения, поэтому, чтобы поднять груз, к свободному концу шнура следует приложить большую, чем вес груза, силу: F > Р (см. рис. 36.2).

Так, при подъеме груза на высоту h выполняется полезная работа:

Полная работа, то есть работа, которую выполняют, вытягивая шнур на длину, равную высоте h, вычисляется по формуле:

Поскольку F > Р, то полная работа больше полезной.

Полезная работа, выполняемая с помощью любого механизма, всегда меньше полной работы: А < А . Только в идеальных условиях по-

полезн полн

лезная работа может быть равна полной работе, однако такого никогда не случается.

Какую часть полной работы механизм превращает в полезную, показывает физическая величина коэффициент полезного действия (КПД).

коэффициент полезного действия (кпд) механизма — это физическая величина, которая характеризует механизм и равна отношению полезной работы к полной работе:

Коэффициент полезного действия (КПД) обозначают символом п (ета). Обычно КПД выражают в процентах:

Поскольку при использовании механизмов полезная работа всегда меньше полной, КПД любого механизма всегда меньше 100 %.

исследуем наклонную плоскость

Кроме рычага и блока люди с античных времен используют еще один простой механизм — наклонную плоскость (рис. 36.3). С помощью наклонной плоскости можно поднимать тяжелые предметы, прикладывая к ним относительно небольшую силу.

Выведем формулу для определения КПД наклонной плоскости. Пусть требуется поднять тело массой m на высоту h по наклонной плоскости длиной l (рис. 36.4).

Чтобы поднять тело вертикально (без наклонной плоскости), нужно приложить к нему силу F1, по значению равную силе тяжести: F1 = Fτяж = mg. Тело необходимо поднять на высоту h, поэтому полезная работа будет равна: Аполезн = F1h = mgh (то есть будет равна увеличению потенциальной энергии груза).

Чтобы поднять тело на ту же высоту h по наклонной плоскости, нужно приложить силу тяги F, направленную вдоль наклонной плоскости. Работа, выполняемая при этом (полная работа), вычисляется по формуле: Аполн = Fl, где l — длина наклонной плоскости.

По определению КПД получим:

 

7 Подумайте, как можно увеличить КПД наклонной плоскости.

Движению тела по наклонной плоскости препятствует сила трения. При отсутствии трения между телом и наклонной плоскостью полезная работа была бы равна полной работе: А = А , то есть К к =¥I (см. рис. 36.4).

полезн полн ’ 1

В таком случае мы получили бы наибольший выигрыш в силе:

Свойства наклонной плоскости давать выигрыш в силе и изменять направление действия этой силы используют в эскалаторах, конвейерах, пандусах, обычных ступеньках и т. п. (рис. 36.5).

Знакомимся с разновидностями наклонной плоскости

Одна из разновидностей наклонной плоскости — клин. Чтобы облегчить рубку дров, в трещину бревна вставляют клин и бьют по нему обухом топора (рис. 36.6). На клин во время удара действуют три тела: сверху — обух топора, по бокам — две части бревна.

Соответственно клин действует на обух топора вверх, а на древесину бревна — в стороны, то есть раздвигает части бревна. Таким образом, клин изменяет направление силы удара топора. Кроме того, каждая из двух сил, с которыми клин раздвигает части бревна, намного больше силы, с которой топор ударяет по клину.

Еще одна разновидность наклонной плоскости — винт. Возьмем треугольник, вырезанный из тонкого картона, и расположим его рядом с цилиндром (рис. 36.7). Наклонной плоскостью будет служить ребро картона. Обернув картонный треугольник вокруг цилиндра, получим винтовую наклонную плоскость. Собственно нарезка винта — это наклонная плоскость, многократно обернутая вокруг цилиндра. Подобно клину винт может изменять направление и значение приложенной силы.

 

Принцип действия винта используют во многих механизмах и устройствах: механических домкратах и подъемниках, мясорубке, тисках, струбцинах, сверлах, шурупах, резьбовых креплениях и т. п.

Какие свойства винтовой наклонной плоскости мы используем, поднимаясь по горным «серпантинам»? винтовым лестницам?

 

Учимся решать задачи

Обратите внимание! Если в задаче дан КПД или предлагается его найти, решение лучше начинать с записи формулы для расчета КПД. В условии значение КПД удобнее выражать в частях и далее пользоваться формулой

 

 

а в ответе значение КПД лучше записывать в процентах.

 

Задача. Груз массой 95 кг равномерно поднимают на третий этаж дома с помощью подвижного и неподвижного блоков (см. рисунок). Определите КПД данной системы, если к свободному концу шнура прикладывают силу 500 Н.

Анализ физической проблемы. Для определения КПД системы нужно найти: работу, которую следует выполнить, чтобы поднять груз на высоту h, то есть полезную работу Аполезн; работу, которую выполняют, когда тянут шнур, действуя на него с некоторой силой F, то есть полную работу Аполн. В системе один подвижный блок, поэтому проигрыш в расстоянии — в 2 раза: поднимая груз на высоту h, шнур вытягивают на длину I = 2h. Неподвижный блок лишь изменяет направление действия силы.

 

 

 

 

.Подводим итоги

Для облегчения труда люди с древних времен использовали простые механизмы — устройства для преобразования силы. Простые механизмы — неотъемлемые составляющие и современных машин. К простым механизмам относят рычаг и его разновидности (подвижный и неподвижный блоки, коловорот); наклонная плоскость и ее разновидности (клин, винт).

На практике полезная работа, выполняемая с помощью любого механизма, всегда меньше полной работы: Аполезн < Аполн.

Физическая величина, которая характеризует механизм и равна отношению полезной работы к полной работе, называется коэффициентом

полезного действия механизма:

 

Контрольные вопросы

' 1. Для чего используют простые механизмы? 2. Почему на практике полезная работа всегда меньше полной работы? 3. Дайте определение КПД. 4. Как определить КПД наклонной плоскости? 5. Назовите разновидности наклонной плоскости. 6. Приведите примеры использования простых механизмов в современных машинах.

Упражнение № 36

1. Двигатель подъемного крана выполнил полную работу 1 кДж. Определите, может ли полезная работа двигателя быть равна: а) 1530 Дж; б) 1000 Дж; в) 900 Дж.

2. С помощью простого механизма выполнена полезная работа 120 Дж. Определите КПД механизма, если полная работа равна 150 Дж.

3. Тело поднимают по наклонной плоскости, выполняя полезную работу 180 кДж. Определите полную работу, если КПД наклонной плоскости 90 %.

4. Тело поднимают по наклонной плоскости, прикладывая в направлении движения тела силу 50 Н. Определите массу тела, если длина наклонной плоскости — 2 м, высота — 50 см, а КПД составляет 80 %.

5. Груз массой 45 кг поднимают с помощью устройства, состоящего из подвижного и неподвижного блоков (см. рисунок). Какую силу нужно прикладывать к свободному концу шнура, если КПД устройства — 75 %?

6. Груз массой 108 кг подняли с помощью рычага, приложив вертикальную силу F = 400 Н. Определите КПД рычага, если плечо силы, действующей на рычаг со стороны груза, в три раза меньше плеча силы F.

7. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, узнайте о значении КПД некоторых механизмов и о работе, которую они выполняют. Составьте 1-2 задачи с полученными данными, решите их.

I* Экспериментальное задание

Рассмотрите бытовую мясорубку. Какие простые механизмы в ней

использованы?

Видеоопыт. Посмотрите видеоролик и объясните наблюдаемое явление.

 

 

лабораторная работа № 12

 

тема. определение КПД наклонной плоскости.

цель: убедиться на опыте, что полезная работа, выполненная с помощью наклонной плоскости, меньше полной работы; определить КПД наклонной плоскости. оборудование: мерная лента; динамометр; три груза одинаковой массы; деревянная линейка; штатив с муфтой и лапкой; деревянный брусок.

указания к работе

Подготовка к эксперименту

1. Прежде чем приступить к выполнению работы, вспомните ответы на следующие вопросы.

1) Какие виды простых механизмов вы знаете?

2) Как определить КПД?

3) Почему КПД любого механизма всегда меньше 100 %?

2. Определите цены делений шкал измерительных приборов.

3. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке.

Эксперимент

Строго соблюдайте инструкцию по безопасности (см. форзац). Результаты измерений сразу заносите в таблицу.

 

 

1. Измерьте с помощью мерной ленты длину I и высоту h наклонной плоскости.

2. Определите с помощью динамометра вес Р1 бруска.

3. Положите брусок на наклонную плоскость и с помощью динамометра равномерно перемещайте его по плоскости вверх. Измерьте силу тяги F1, действующую на брусок со стороны динамометра.

4. Определите с помощью динамометра вес одного груза.

5. Не изменяя угла наклона плоскости, повторите опыт (см. п. 3) еще три раза, разместив на бруске сначала один, потом два, а затем три груза.

Обратите внимание! В каждом из этих опытов, чтобы найти вес тела, нужно к весу бруска прибавить вес груза (грузов).

обработка результатов эксперимента

1. Для каждого опыта вычислите:

 

2. Результаты вычислений занесите в таблицу.

 

 

Анализ эксперимента и его результатов

1) Для каждого опыта сравните значение силы ^) со значением веса тела (Р) и сделайте вывод о выигрыше в силе, который дает наклонная плоскость.

2) Сравните полученные значения КПД и сделайте вывод, зависит ли КПД от веса поднимаемого по наклонной плоскости тела.

творческое задание

С помощью эксперимента выясните, как зависит КПД наклонной плоскости от угла ее наклона. Почему, по вашему мнению, изменяется КПД при изменении угла наклона плоскости?

 

1. В разделе 4 вы узнали о механической работе, механической энергии и мощности.

 

 

2. Вы научились различать кинетическуюи потенциальную энергии и узнали о полной механической энергии.

 

 

3. Вы ознакомились с законом сохранения и превращения механической энергиии узнали, как изменяется механическая энергия,если существует трение:

 

 

5. Вы узнали, что ни один простой механизм не дает выигрыша в работе, и ознакомились с физической величиной — коэффициентом полезного действия механизма.

 

 

Использование простых механизмов для поднятия тел

Простой

механизм

Выигрыш в силе

в идеальных условиях

Выигрыш в расстоянии

КПД

в реальных условиях

Причины

уменьшения

КПД

Вес рычага, сила трения в оси рычага

Вес шнура, сила трения в оси блока

Вес блока и шнура, сила трения в оси блока

Сила трения

 

В заданиях 1-9 выберите один правильный ответ.

Считайте, что g = 10 Н/кг.

1. (1 балл) Если известны сила тяги самолета и путь, который преодолел самолет в направлении действия этой силы, то можно определить:

а) скорость движения самолета;

б) мощность, которую развивает сила тяги самолета;

в) работу силы тяги самолета;

г) время движения самолета

2. (1 балл) Автомобиль движется по горизонтальному участку дороги с некоторой скоростью. С увеличением скорости движения автомобиля в 2 раза:

а) кинетическая энергия автомобиля увеличивается в 4 раза;

б) потенциальная энергия автомобиля увеличивается в 4 раза;

в) КПД двигателя автомобиля увеличивается в 2 раза;

г) кинетическая энергия автомобиля увеличивается в 2 раза.

3. (1 балл) Если мощность механизма равна 100 Вт, то этот механизм:

а) за 100 с выполняет работу 1 Дж; в) за 1 с выполняет работу 0,01 Дж;

б) за 10 с выполняет работу 10 Дж; г) за 1 с выполняет работу 100 Дж.

4. (1 бал) Подвижный блок применяют:

а) для выигрыша в силе или расстоянии;

б) только для выигрыша в силе;

в) для выигрыша в работе;

г) для изменения направления силы.

5. (1 балл) Если использование простого механизма дает выигрыш в силе в 6 раз, то в идеальных условиях он дает:

а) проигрыш в расстоянии в 6 раз; в) проигрыш в расстоянии в 36 раз;

б) выигрыш в расстоянии в 6 раз; г) выигрыш в расстоянии в 36 раз.

6. (2 балла) Какую работу нужно выполнить, чтобы поднять ведро с водой из колодца глубиной 12 м? Масса ведра с водой равна 8 кг.

а) 1,5 Дж; б) 15 Дж; в) 96 Дж; г) 960 Дж.

7. (2 бали) Какова мощность двигателя, если за 4 мин он выполняет работу 12 кДж?

а) 50 Вт; б) 500 Вт; в) 3 кВт; г) 12 кВт.

8. (2 бали) Кран поднял груз весом 24 кН, выполнив при этом работу 360 кДж. На какую высоту был поднят груз?

а) 15 см; б) 1,5 м; в) 15 м; г) 21,6 м.

9. (2 балла) За какое время двигатель мощностью 100 Вт выполнит работу 2 кДж?

а) 0,05 с; б) 20 с; в) 50 с; г) 200 с.

10. (3 балла) Кит, плавая под водой со скоростью 18 км/ч, развивает мощность 150 кВт. Определите силу сопротивления воды.

11. (3 балла) Общая масса двух грузов (рис. 1) равна 25 кг. Какова масса каждого груза, если рычаг находится в равновесии?

12. (3 балла) Какую силу нужно приложить к свободному концу шнура (рис. 2), чтобы равномерно поднимать груз массой 12 кг? На какую высоту поднимется груз, если точка A переместится на 20 см? Массой блоков и силой трения пренебречь.

13. (3 балла) С помощью подъемника автомобиль массой 2 т подняли на высоту 2 м. Определите выполненную при этом работу, если КПД подъемника составляет 80 %.

14. (3 балла) С помощью неподвижного блока поднимают груз, прикладывая силу 1,6 кН. Какова масса груза, если КПД блока составляет 80 %?

15. (4 балла) Длинное плечо рычага в 3 раза больше короткого. Чтобы поднять подвешенный к короткому плечу рычага груз массой 60 кг, к длинному плечу приложили силу 250 Н. Определите КПД рычага.

16. (4 балла) КПД наклонной плоскости составляет 70 %. Чтобы поднять по ней груз массой 14 кг, необходимо приложить силу 60 Н. Какова длина наклонной плоскости, если ее высота равна 30 см?

17. (4 балла) С помощью подвижного блока поднимают груз массой 40 кг. При этом свободный конец шнура тянут с силой 300 Н. Определите КПД подвижного блока.

18. (4 балла) Мяч массой 0,5 кг подбрасывают вертикально вверх с начальной скоростью 20 м/с. Найдите потенциальную и кинетическую энергии мяча в тот момент, когда скорость его движения уменьшится в 2 раза. Сопротивление воздуха не учитывайте.

19. (4 балла) Тело массой 5 кг расположено на горизонтальной плоскости. Тело начало двигаться в направлении равнодействующей и, пройдя путь 10 м, приобрело скорость движения 10 м/с. Определите равнодействующую сил, действующих на тело.

Сверьте ваши ответы на задания с приведенными в конце учебника.

Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте

сумму баллов. Потом эту сумму разделите на три. Полученное число будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

Зачем уничтожают новые автомобили

Народная мудрость гласит: «Знал бы, где упадешь, — соломки подстелил». Обычно это выражение употребляют в переносном смысле, но и буквальное его значение верно с точки зрения физики. «Соломка», на которую мягче падать, — это спортивные маты в физкультурном зале, куча пустых картонных ящиков для страховки каскадеров и другие простые средства защиты человека от повреждений при вероятном падении. А как приведенную народную мудрость используют инженеры?

Если тело во время движения столкнется с препятствием, то произойдет деформация тела и препятствия. В случае если таким телом будет, например, упавшее на пол мороженое, то, согласитесь, беда невелика. А вот если автомобиль столкнется с другим автомобилем или с бетонным ограждением, то это может закончиться трагедией.

Разумеется, конструкторы автомобилей не могут полностью предотвратить аварии, но они стараются, чтобы их последствия были минимальны.

Для этого автомобили конструируют так, чтобы деформации подвергались только его передняя (задняя) часть, а салон был максимально защищен. Проверку своих идей инженеры осуществляют при помощи так называемых краш-тестов. Для проведения такого теста абсолютно новый автомобиль оборудуют огромным количеством датчиков, в салоне размещают манекены, тоже оснащенные датчиками. После этого автомобиль разгоняют до скорости 40-60 км/ч и направляют на препятствие.

Уничтожать новенький автомобиль совсем не жалко, ведь данные, полученные в результате таких испытаний, позволяют сохранить десят-Ики человеческих жизней. Объем данных, полученных благодаря краш-тестам, огромен.

На схеме приведен график зависимости кинетической энергии автомобиля и энергии деформации от времени. Отсчет времени начинается в момент столкновения автомобиля со стеной. Внимательные учащиеся, наверное, заметят: если сложить значения энергии деформации и кинетической энергии при скорости, скажем, 40 м/с, то сумма будет немного меньше, чем начальная кинетическая энергия. Это связано с тем, что исходная кинетическая энергия превратится и в другие виды энергии, не (рпоказанные на графике.

 

 

Результаты краш-теста: зависимость кинетической энергии (сплошная линия) и энергии деформации (пунктирная линия) от времени испытания. Ноль на графике обозначает удар автомобиля о стену

 

Темы рефератов и сообщений

1. Рычаги в живой природе.

2. Использование простых механизмов: история и современность.

3. Простые механизмы вокруг нас.

4. Простые механизмы в изобретениях Леонардо да Винчи.

5. Простые механизмы в современных технических устройствах.

6. История открытия закона сохранения и превращения энергии.

7. Выдающийся украинский ученый-механик С. П. Тимошенко.

8. Использование энергии воды и ветра.

9. Мощность и габариты самых мощных двигателей автомобилей, судов, самолетов и ракет.

10. Рычаги в организме человека.

11. Смог бы Архимед сдвинуть Землю?

12. Блоки и полиспасты на яхтах и парусниках.

13. Старинные боевые катапульты.

Темы экспериментальных исследований

1. Определение мощности, которую развивают школьники на уроках физкультуры.

2. Определение КПД велосипеда при неравномерном движении.

3. Изготовление полиспаста из подручных средств и вычисление его КПД.

4. Изготовление устройства, работающего на энергии падения воды. Оценка его КПД.

5. Определение силовых характеристик мышц плеча при подъеме тяжелого портфеля.

6. Измерение мощности струи воды, текущей из крана при умывании.

ЭТАПЫ РАБОТЫ НАД УЧЕБНЫМ ПРОЕКТОМ

1. Организационный этап. Выбор темы учебного проекта, обсуждение его цели и задач, составление плана реализации проекта.

План проекта — это документ, содержащий заранее намеченный порядок действий, необходимых для достижения цели проекта.

План помогает оценить собственные возможности и выявить проблемы, которые могут возникнуть во время работы.

Целесообразно определить содержание этапов работы над проектом, виды работ на каждом этапе, сроки их выполнения, обязанности и ответственность каждого участника проекта.

2. Подготовительный этап. Поиск информации по теме учебного проекта, а также информации, помогающей в решении задач проекта.

Отобранные материалы нужно сразу сортировать. Для этого часто используют портфолио.

Портфолио проекта — это упорядоченная подборка материалов, подобранных с определенной целью.

Электронное портфолио проекта — это сборник электронных материалов, упорядоченных в соответствии с определенной структурой.

Электронное портфолио позволяет осуществлять быстрый поиск документов; его легко редактировать, дополнять, переносить, хранить и т. п.

Используя дополнительную литературу, интернет-ресурсы и т. п., не забывайте сохранять ссылку на каждый источник информации — записывайте название ресурса, имя автора. Помните об авторском праве!

3. Проектный этап. Обработка собранной информации, создание модели учебного проекта.

Для уточнения собранной информации и получения дополнительной можно обращаться к справочникам, словарям, а также к учителю.

4. Этап оформления. Оформление результатов работы над учебным проектом, создание презентации для защиты проекта.

Чтобы презентация проекта прошла успешно, нужно выделить время для ее тщательной подготовки. Убедитесь, что все задания проекта выполнены. Подготовьте доклад. Для доклада выбирайте самое главное, излагайте свои мысли кратко, четко, понятно.

Если вы планируете презентацию проекта с компьютерной поддержкой, то заранее составьте план, в котором определите последовательность слайдов и их соответствие докладу. Ориентировочно это можно сделать так:

Содержание

слайда

Содержание доклада

Тема проекта, исполнители

Сообщение темы проекта, представление исполнителей

Ключевой

вопрос

Сообщение ключевого вопроса, отражающего тему и цель проекта

Материалы

проекта

Рассказ об исследовании

Выводы

Оглашение выводов

Список

источников

Презентация источников, использованных при работе над проектом

Благодарность

Благодарность всем, кто помогал в работе над проектом. Благодарность всем присутствующим за внимание, пожелание успехов

5. Презентационный этап. Демонстрация результатов учебного проекта, защита идеи проекта и полученных результатов.

6. Итоговый этап. Анализ выполнения задач учебного проекта, определение результатов проекта: какую пользу принес или может принести проект.

Общие правила презентации проекта

1. Делать доклад нужно с хорошим настроением. Не забывайте о своем внешнем виде, следите за осанкой.

2. В начале выступления нужно представиться, сообщить о теме доклада и проблеме, над которой вы работали.

3. Во время доклада смотрите на аудиторию.

4. Слова произносите громко и четко.

5. Не читайте доклад с листа, а только сверяйтесь с заметками, чтобы ничего не пропустить.

6. Следите за временем выступления. Оно должно не превышать регламент.

Регламент — это время, отведенное на выступление. О своем регламенте нужно узнать заранее, еще во время подготовки к выступлению.

7. Будьте готовы ответить на вопросы. Ответ на любой вопрос желательно начинать с благодарности тому, кто его задал.

8. После завершения доклада и ответов на вопросы поблагодарите всех присутствующих за внимание.

ТАБЛИЦЫ ПЛОТНОСТЕЙ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ

 

(при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст.) Таблица плотностей некоторых веществ в твердом состоянии

 

 

Таблица плотностей некоторых веществ в жидком состоянии

 

Таблица плотностей некоторых веществ в газообразном состоянии

 

 

 

Это материал учебника Физика 7 класс Барьяхтар, Довгий

 

Категорія: Фізика

Автор: admin от 24-01-2017, 08:05, посмотрело: 4631