Як знайти корисну роботу у фізиці формула

Коефіцієнт корисної дії показує відношення корисної роботи, що виконується механізмом або пристроєм, до витраченої. Часто за витрачену роботу приймають кількість енергії, що споживає пристрій для виконання роботи.

  1. Щоб розрахувати коефіцієнт корисноїдії (ККД) поділіть корисну роботу Ап на роботу витрачену Аз, а результат помножте на 100% (ККД=Ап/Аз∙100%). Результат отримаєте у відсотках.
  2. При розрахунку ККД теплового двигуна корисною роботою вважайте механічну роботу, виконану механізмом. За витрачену роботу беріть кількість теплоти, що виділяється паливом, що згоріло, яке є джерелом енергії для двигуна.
  3. приклад. Середня сила тяги двигуна автомобіля становить 882 Н. На 100 км. шляху він споживає 7 кг бензину. Визначте ККД його двигуна. Спочатку знайдіть корисну роботу. Вона дорівнює добутку сили F на відстань S, яка долається тілом під її впливом Ап=F∙S. Визначте кількість теплоти, що виділиться при спалюванні 7 кг бензину, це і буде витрачена робота Аз=Q=q∙m, де q – питома теплота згоряння палива, для бензину вона дорівнює 42∙10^6 Дж/кг, а m – маса цього палива. ККД двигуна буде дорівнює ККД=(F∙S)/(q∙m)∙100%= (882∙100000)/( 42∙10^6∙7)∙100%=30%.
  4. У загальному випадку щоб знайти ККД, будь-якої теплової машини (двигуна внутрішнього згоряння, парового двигуна, турбіни і т.д.), де робота виконується газом, має коефіцієнт корисноїдії рівний різниці теплоти відданої нагрівачем Q1 та отриманої холодильником Q2, знайдіть різницю теплоти нагрівача і холодильника, і поділіть теплоту нагрівача ККД= (Q1-Q2)/Q1. Тут ККД вимірюється в одиницях від 0 до 1, щоб перевести результат у відсотки, помножте його на 100.
  5. Щоб отримати ККД ідеальної теплової машини (машини Карно), знайдіть відношення різниці температур нагрівача Т1 та холодильника Т2 до температури нагрівача ККД=(Т1-Т2)/Т1. Це гранично можливий ККД для конкретного типу теплової машини із заданими температурами нагрівача та холодильника.
  6. Для електродвигуна знайдіть витрачену роботу як добуток потужності на час її виконання. Наприклад, якщо електродвигун крана потужністю 3,2 кВт піднімає вантаж масою 800 кг на висоту 3,6 м за 10 с, його ККД дорівнює відношенню корисної роботи Ап=m∙g∙h, де m – маса вантажу, g≈10 м /с² прискорення вільного падіння, h – висота яку підняли вантаж, і витраченої роботи Аз=Р∙t, де Р – потужність двигуна, t – час його. Отримайте формулу для визначення ККД=Ап/Аз∙100%=(m∙g∙h)/(Р∙t) ∙100%=%=(800∙10∙3,6)/(3200∙10) ∙100% = 90%.

Використовуючи той чи інший механізм, ми виконуємо роботу, яка завжди перевищує ту, яка необхідна для досягнення поставленої мети. Відповідно до цього розрізняють повну або витрачену роботу Аз і корисну роботу Ап. Якщо, наприклад, наша мета підняти вантаж масою m на висоту Н, то корисна робота – це та, яка обумовлена ​​лише подолання сили тяжіння, що діє на вантаж. При рівномірному підйомі вантажу, коли сила, що прикладається нами, дорівнює силі тяжкості вантажу, ця робота може бути знайдена таким чином:
Ап = FH = mgH
Корисна робота завжди становить лише деяку частину повної роботи, яку виконує людина, використовуючи механізм.

Фізична величина, що показує, яку частку становить корисна робота від усієї витраченої роботи, називається коефіцієнтом корисної дії механізму.

У повсякденному житті під поняттям «робота» розуміємо все.

У фізиці поняття робота дещо інше. Це певна фізична величина, отже, її можна виміряти. У фізиці вивчається насамперед механічна робота .

Розглянемо приклади механічної роботи.

Потяг рухається під впливом сили тяги електровоза, у своїй відбувається механічна робота. При пострілі з рушниці сила тиску порохових газів здійснює роботу – переміщує кулю вздовж ствола, швидкість кулі при цьому збільшується.

З цих прикладів видно, що механічна робота відбувається, коли тіло рухається під дією сили. Механічна робота відбувається у тому разі, коли сила, діючи на тіло (наприклад, сила тертя), зменшує швидкість його руху.

Бажаючи пересунути шафу, ми з силою на неї натискаємо, але якщо вона при цьому в рух не приходить, то механічної роботи ми не робимо. Можна уявити випадок, коли тіло рухається без участі сил (по інерції), у разі механічна робота також відбувається.

Отже, механічна робота відбувається, тільки коли на тіло діє сила, і воно рухається .

Неважко зрозуміти, що чим більша сила діє тіло і що довший шлях, який проходить тіло під впливом цієї сили, тим більша відбувається робота.

Механічна робота прямо пропорційна прикладеній силі і прямо пропорційна пройденому шляху .

Тому, умовилися вимірювати механічну роботу твором сили на шлях, пройдений за цим напрямом цієї сили:

де А – робота, F – сила і s – пройдений шлях.

За одиницю роботи приймається робота, що чиниться силою в 1Н, на шляху, що дорівнює 1 м.

Одиниця роботи – Джоуль ( Дж ) названа на честь англійського вченого Джоуля. Таким чином,

Використовується також кілоджоулі ( кДж ).

Формула А = Fs застосовна у тому випадку, коли сила F стала і збігається з напрямком руху тіла.

Якщо напрямок сили збігається з напрямком руху тіла, то ця сила здійснює позитивну роботу.

Якщо ж рух тіла відбувається у напрямку, протилежному напрямку прикладеної сили, наприклад, сили тертя ковзання, то ця сила здійснює негативну роботу.

Якщо напрям сили, що діє на тіло, перпендикулярно до напрямку руху, то ця сила роботи не здійснює, робота дорівнює нулю:

Надалі, говорячи про механічну роботу, ми коротко називатимемо її одним словом — робота.

Приклад . Обчисліть роботу, що здійснюється під час підйому гранітної плити об’ємом 0,5 м3 на висоту 20 м. Щільність граніту 2500 кг/м 3 .

Запишемо умову завдання і вирішимо її.

де F -сила, яку потрібно докласти, щоб рівномірно піднімати плиту вгору. Ця сила за модулем дорівнює силі тяж Fтяж, що діє на плиту, тобто F = Fтяж. А силу тяжіння можна визначити за масою плити: Fтяж = gm. Масу плити обчислимо, знаючи її об’єм та щільність граніту: m = ρV; s = h, тобто шлях дорівнює висоті підйому.

Отже, m = 2500 кг/м3 · 0,5 м3 = 1250 кг.

F = 9,8 Н/кг · 1250 кг ≈ 12250 Н.

A = 12250 Н · 20 м = 245000 Дж = 245 кДж.

На здійснення однієї і тієї ж роботи різним двигунам потрібен різний час. Наприклад, підйомний кран на за кілька хвилин піднімає на верхній поверх будівлі сотні цегли. Якби ця цегла перетягувала робітника, то йому для цього знадобилося б кілька годин. Інший приклад. Гектар землі кінь може зорати за 10-12 год, трактор ж з многолемешным плугом ( лемеш – частина плуга, що підрізає пласт землі знизу і передає його на відвал; багатолемішний – багато лемешів), цю роботу виконає на 40-50 хв.

Зрозуміло, що підйомний кран ту ж роботу здійснює швидше, ніж робітник, а трактор — швидше за коня. Швидкість виконання роботи характеризують особливою величиною, яка називається потужністю.

Потужність дорівнює відношенню роботи до часу, за який вона була здійснена.

Щоб обчислити потужність, треба поділити роботу на час, протягом якого виконана ця робота. потужність = робота/час.

де N – потужність, A – робота, t – час виконаної роботи.

Потужність – величина постійна, коли за кожну секунду відбувається однакова робота, в інших випадках відношення A/t визначає середню потужність:

N ср = A/t . За одиницю потужності прийняли таку потужність, коли він у 1 з відбувається робота у Дж.

Ця одиниця називається Ват ( Вт ) на честь ще одного англійського вченого Уатта.

1 ват = 1 джоуль/1 секунда , або 1 Вт = 1 Дж/с.

Ватт (джоуль за секунду) – Вт (1 Дж/с).

У техніці широко використовується більші одиниці потужності – кіловат ( кВт ), мегават ( МВт ).

Приклад . Знайти потужність потоку води, що протікає через греблю, якщо висота падіння води 25 м, а витрата її – 120 м3 за хвилину.

Запишемо умову задачі та вирішимо її.

Маса падаючої води: m = ρV ,

m = 1000 кг/м3 · 120 м3 = 120 000 кг (12 · 104 кг).

Сила тяжіння, що діє на воду:

F = 9.8 м/с2 · 120 000 кг ≈ 1 200 000 Н (12 · 105 Н)

Робота, що здійснюється потоком за хвилину:

А – 1 200 000 Н · 25 м = 30 000 000 Дж (3 · 107 Дж).

N = 30000000 Дж / 60 с = 500000 Вт = 0,5 МВт.

Різні двигуни мають потужності від сотих і десятих часток кіловата (двигун електричної бритви, швейної машини) до сотень тисяч кіловат (водяні та парові турбіни).

Потужність деяких двигунів кВт.

Вид транспортного засобуПотужність двигунаВид транспортного засобуПотужність двигуна
Автомобіль “Волга – 3102”70Ракета-носій космічного корабля
Літак Ан-2740
Дизель тепловоза ТЕ10Л2200«Схід»15 000 000
Вертоліт Мі – 82×1100«Енергія»125 000 000

На кожному двигуні є табличка (паспорт двигуна), на якій вказані деякі дані про двигун, у тому числі його потужність.

Потужність людини за нормальних умов роботи у середньому дорівнює 70-80 Вт. Здійснюючи стрибки, збігаючи сходами, людина може розвивати потужність до 730 Вт, а в окремих випадках і ще більшу.

Знаючи потужність двигуна, можна розрахувати роботу, що здійснюється цим двигуном протягом якогось проміжку часу.

З формули N = A/t випливає, що

Щоб обчислити роботу, необхідно помножити потужність на час, протягом якого здійснювалася ця робота.

приклад. Двигун кімнатного вентилятора має потужність 35 Вт. Яку роботу він здійснює за 10 хв?

Запишемо умову задачі та вирішимо її.

A = 35 Вт * 600с = 21000 Вт * с = 21000 Дж = 21 кДж.

З давніх-давен людина використовує для здійснення механічної роботи різні пристосування.

Кожному відомо, що важкий предмет (камінь, шафа, верстат), який неможливо зсунути руками, можна зрушити за допомогою довгої палиці — важеля.

На даний момент вважається, що за допомогою важелів три тисячі років тому при будівництві пірамід у Стародавньому Єгипті пересували та піднімали на велику висоту важкі кам’яні плити.

У багатьох випадках замість того, щоб піднімати важкий вантаж на деяку висоту, його можна вкочувати або втягувати на ту ж висоту по похилій площині або піднімати за допомогою блоків.

Пристосування, що служать перетворення сили, називаються механізмами .

До простих механізмів відносяться: важелі та його різновиди – блок, комір; похила площина та її різновиди – клин, гвинт . Найчастіше прості механізми застосовують у тому, щоб отримати виграш у силі, т. е. збільшити силу, що діє тіло, у кілька разів.

Прості механізми є і в побутових, і у всіх складних заводських і фабричних машинах, які ріжуть, скручують і штампують великі листи сталі або витягують найтонші нитки, з яких потім робляться тканини. Ці ж механізми можна виявити і в складних сучасних автоматах, друкованих і рахункових машинах.

Розглянемо найпростіший і найпоширеніший механізм — важіль.

Важіль є твердим тілом, яке може обертатися навколо нерухомої опори.

На малюнках показано, як робітник для підняття вантажу як важіль, використовує брухт. У першому випадку робітник із силою F натискає на кінець брухту B , у другому — піднімає кінець B .

Робочому потрібно подолати вагу вантажу P — силу, спрямовану вертикально донизу. Він повертає для цього брухт навколо осі, що проходить через єдину нерухому точку брухту — точку його опори О . Сила F , з якою робітник діє на важіль, менше сили P , таким чином, робітник отримує виграш у силі . За допомогою важеля можна підняти такий важкий вантаж, який самотужки підняти не можна.

На малюнку зображено важіль, вісь обертання якого (точка опори ) розташована між точками докладання сил А і В . На іншому малюнку показано схему цього важеля. Обидві сили F 1 та F 2, що діють на важіль, спрямовані в одну сторону.

Найкоротша відстань між точкою опори і прямою, вздовж якої діє важіль сила, називається плечем сили.

Щоб знайти плече сили, треба з точки опори опустити перпендикуляр на лінію дії сили.

Довжина цього перпендикуляра і буде плечимом даної сили. На малюнку показано, що ОА – плече сили F1 ; ОВ – плече сили F2 . Сили, що діють на важіль, можуть повернути його навколо осі у двох напрямках: по ходу або проти ходу годинникової стрілки. Так, сила F 1 обертає важіль у процесі годинникової стрілки, а сила F 2 обертає його проти годинникової стрілки.

Умову, у якому важіль перебуває у рівновазі під впливом доданих щодо нього сил, можна встановити з досвіду. При цьому треба пам’ятати, що результат дії сили залежить не тільки від її числового значення (модуля), але і від того, в якій точці вона прикладена до тіла, або як спрямована.

До важеля (див. мал.) по обидва боки від точки опори підвішуються різні вантажі так, що щоразу важіль залишався в рівновазі. Дії, що діють на важіль, рівні вагам цих вантажів. Для кожного випадку вимірюються модулі сил та їхні плечі. З досвіду зображеного малюнку 154, видно, що сила 2 Н врівноважує силу 4 Н . При цьому, як видно з малюнка, плече меншої сили в 2 рази більше за плече більшої силою.

На підставі таких дослідів було встановлено умову (правило) рівноваги важеля.

Важіль перебуває у рівновазі тоді, коли сили, що діють на нього, обернено пропорційні плечам цих сил.

Це правило можна записати у вигляді формули:

де F 1 і F 2 – сили, що діють на важіль, l 1 і l 2 – плечі цих сил (див. рис.).

Правило рівноваги важеля було встановлено Архімедом близько 287 – 212 років. до зв. е. (Але ж у минулому параграфі говорилося, що важелі використовувалися єгиптянами? Чи тут важливу роль відіграє слово «встановлене»?)

З цього правила випливає, що меншою силою можна врівноважити за допомогою важеля більшу силу. Нехай одне плече важеля в 3 рази більше за інше (див рис.). Тоді, прикладаючи в точці В силу, наприклад, в 400 Н, можна підняти камінь вагою 1200 Н. Щоб підняти ще більш важкий вантаж, потрібно збільшити довжину плеча важеля, на яке діє робітник.

Приклад . За допомогою важеля робітник піднімає плиту масою 240 кг (див. рис. 149). Яку силу прикладає він до більшого плеча важеля, що дорівнює 2,4 м, якщо менше плече дорівнює 0,6 м?

Запишемо умову завдання і вирішимо її.

За правилом рівноваги важеля F1/F2 = l2/l1, звідки F1 = F2 l2/l1, де F2 = Р – вага каменю. Вага каменю asd = gm, F = 9,8 Н · 240 кг ≈ 2400 Н

Тоді, F1 = 2400 Н · 0,6/2,4 = 600 Н.

У нашому прикладі робітник долає силу 2400 Н, прикладаючи до важеля силу 600 Н. Але при цьому плече, на яке діє робітник, у 4 рази довше за те, на яке діє вага каменю ( l 1 : l 2 = 2,4 м : 0 6 м = 4).

Застосовуючи правило важеля, можна меншою силою врівноважити більшу силу. При цьому плече меншої сили має бути довшим за плече більшої сили.

Вам вже відомо правило рівноваги важеля:

Користуючись властивістю пропорції (твор її крайніх членів, так само твору її середніх членів), запишемо його в такому вигляді:

У лівій частині рівності стоїть добуток сили F 1 на її плече l 1, а в правій — добуток сили F 2 на її плече l 2 .

Твір модуля сили, що обертає тіло, на її плече називається моментом сили ; він позначається літерою М. Значить,

Важіль знаходиться в рівновазі під дією двох сил, якщо момент сили, що обертає його за годинниковою стрілкою, дорівнює моменту сили, що обертає його проти годинникової стрілки.

Це правило, зване правилом моментів , можна записати у вигляді формули:

Дійсно, у розглянутому нами досвіді, (§ 56) діючі сили дорівнювали 2 Н і 4 Н, їхні плечі відповідно становили 4 і 2 тиску важеля, тобто моменти цих сил однакові при рівновазі важеля.

Момент сили, як і будь-яка фізична величина, можна виміряти. За одиницю моменту сили приймається момент сили 1 Н, плече якої дорівнює 1 м.

Ця одиниця називається ньютон-метр ( Н · м ).

Момент сили характеризує дію сили, і показує, що вона залежить одночасно і від модуля сили, і її плеча. Справді, ми вже знаємо, наприклад, що дія сили на двері залежить і від модуля сили, і від того, де прикладена сила. Двері тим легше повернути, чим далі від осі обертання прикладена сила, що діє на неї. Гайку, краще відвернути довгим гайковим ключем, ніж коротким. Відро тим легше підняти з колодязя, чим довша ручка ворота, і т.д.

Правило важеля (або правило моментів) лежить в основі дії різноманітних інструментів та пристроїв, що застосовуються в техніці та побуті там, де потрібен виграш у силі або у дорозі.

Виграш у силі ми маємо під час роботи з ножицями. Ножиціце важіль (рис), вісь обертання якого відбувається через гвинт, що з’єднує обидві половини ножиць. Чинною силою F 1 є м’язова сила руки людини, що стискає ножиці. Протидіючою силою F 2 є сила опору такого матеріалу, який ріжуть ножицями. Залежно від призначення ножиць, їх пристрій буває різним. Конторські ножиці, призначені для різання паперу, мають довгі леза та майже таку ж довжину ручки. Для різання паперу не потрібна велика сила, а довгим лезом зручніше різати по прямій лінії. Ножиці для різання листового металу (рис.) мають ручки набагато довші за леза, так як сила опору металу велика і для її врівноваження плече діючої сили доводиться значно збільшувати. Ще більша різниця між довжиною ручок та відстанню ріжучої частини та осі обертання в кусачках (мал.), призначених для перекушування дроту.

Важелі різного виду є у багатьох машин. Ручка швейної машини, педалі або ручне гальмо велосипеда, педалі автомобіля та трактора, клавіші піаніно – все це приклади важелів, що використовуються в цих машинах та інструментах.

Приклади застосування важелів це рукоятки лещат і верстатів, важіль свердлильного верстата і т.д.

На принципі важеля заснована дія і важелів (рис.). Навчальні ваги, зображені малюнку 48 (з. 42), діють як рівноплечий важіль . У десяткових вагах плече, до якого підвішена чашка з гирями, в 10 разів довше за плече, що несе вантаж. Це значно полегшує зважування великих вантажів. Зважуючи вантаж на десяткових терезах, слід помножити масу гир на 10.

Пристрій ваги для зважування вантажних вагонів автомобілів також заснований на правилі важеля.

Важелі зустрічаються також у різних частинах тіла тварин і людини. Це, наприклад, руки, ноги, щелепи. Багато важелів можна знайти в тілі комах (прочитавши книгу про комах та будову їхнього тіла), птахів, у будові рослин.

Блок є колесом з жолобом, укріплене в обоймі. По жолобу блоку пропускається мотузка, трос чи ланцюг.

Нерухомим блоком називається такий блок, вісь якого закріплена, і під час підйому вантажів не піднімається і опускається (рис).

Нерухомий блок можна розглядати як рівноплечий важіль, у якого плечі сил дорівнюють радіусу колеса (рис): ОА = ОВ = r . Такий блок не дає виграшу у силі. ( F 1 = F 2), але дозволяє змінювати напрямок дії сили. Рухомий блок – це блок. вісь якого піднімається та опускається разом із вантажем (мал.). На малюнку показаний відповідний йому важіль: О – точка опори важеля, ОА – плече сили Р та ОВ – плече сили F . Так як плече ОВ у 2 рази більше за плече ОА , то сила F у 2 рази менша за силу Р :

Таким чином, рухливий блок дає виграш у силі в 2 рази .

Це можна довести і, користуючись поняттям моменту сили. При рівновазі блоку моменти сил F і Р дорівнюють один одному. Але плече сили F у 2 рази більше за плече сили Р , а, отже, сама сила F у 2 рази менша від сили Р .

Зазвичай практично застосовують комбінацію нерухомого блоку з рухомим (рис.). Нерухомий блок застосовується лише для зручності. Він не дає виграшу в силі, але змінює напрямок дії сили. Наприклад, дозволяє піднімати вантаж, стоячи землі. Це знадобиться багатьом людям або робітникам. Тим не менш, він дає виграш у силі в 2 рази більше, ніж звичайно!

Розглянуті нами прості механізми застосовуються під час виконання роботи у випадках, коли треба дією однієї сили врівноважити іншу силу.

Звичайно, виникає питання: даючи виграш у силі чи шляху, чи не дають прості механізми виграшу в роботі? Відповідь на запитання можна отримати з досвіду.

Врівноваживши на важелі дві якісь різні за модулем сили F 1 і F 2 (рис.), наводимо важіль у рух. При цьому виявляється, що за один і той же час точка докладання меншої сили F 2 проходить більший шлях s 2 , а точка докладання більшої сили F 1 — менший шлях s 1. Вимірявши ці шляхи та модулі сил, знаходимо, що шляхи, пройдені точками докладання сил на важелі, обернено пропорційні силам:

Таким чином, діючи на довге плече важеля, ми виграємо в силі, але при цьому стільки ж разів програємо в дорозі.

Добуток сили F на шлях s є робота. Наші досліди показують, що роботи, які здійснюються силами, прикладеними до важеля, рівні один одному:

Отже, при використанні важеля виграшу у роботі не вдасться.

Користуючись важелем, ми можемо виграти чи силі, чи відстані. Діючи ж силою на коротке плече важеля, ми виграємо на відстані, але стільки ж разів програємо в силі.

Існує легенда, що Архімед, захоплений відкриттям правила важеля, вигукнув: Дайте мені точку опори, і я переверну Землю!.

Звичайно, Архімед не міг би впоратися з таким завданням, якби навіть йому і дали точку опори (яка мала б бути поза Землею) і важіль потрібної довжини.

Для підйому землі всього на 1 см довге плече важеля мало б описати дугу величезної довжини. Для переміщення довгого кінця важеля цим шляхом, наприклад, зі швидкістю 1 м/с, знадобилися б мільйони років!

Не дає виграшу в роботі та нерухомий блок, у чому легко переконатися на досвіді (див. мал.). Шляхи, що проходять точки докладання сил F і F , однакові, однакові і сили, а значить, однакові і роботи.

Можна виміряти та порівняти між собою роботи, що здійснюються за допомогою рухомого блоку. Щоб за допомогою рухомого блоку підняти вантаж на висоту h, необхідно кінець мотузки, якого прикріплений динамометр, як показує досвід (мал.), перемістити на висоту 2h.

Таким чином, отримуючи виграш в силі в 2 рази, програють у 2 рази в дорозі, отже, і рухливий блок, що дає виграшу в роботі.

Багатовікова практика показала, що жоден із механізмів не дає виграш у роботі. Застосовують різні механізми для того, щоб в залежності від умов роботи виграти в силі або в дорозі.

Вже давнім вченим було відомо правило, яке застосовується до всіх механізмів: у скільки разів виграємо в силі, у стільки ж разів програємо на відстані. Це правило назвали “золотим правилом” механіки.

Розглядаючи пристрій та дію важеля, ми не враховували тертя, а також вагу важеля. в цих ідеальних умовах робота, досконала прикладеною силою (цю роботу ми називатимемо повною ), дорівнює корисній роботі з підйому вантажів або подолання якого-небудь опору.

На практиці досконала за допомогою механізму повна робота завжди дещо більша за корисну роботу.

Частина роботи відбувається проти сили тертя у механізмі і з переміщенню окремих частин. Так, застосовуючи рухомий блок, доводиться додатково виконувати роботу з підйому самого блоку, мотузки та визначення сили тертя в осі блоку.

Якого ми механізму ми не взяли, корисна робота, виконана з його допомогою, завжди становить лише частину повної роботи. Отже, позначивши корисну роботу літерою Ап, повну (витрачену) роботу літерою Аз, можна записати:

На заводах і фабриках, верстати та машини наводяться в рух за допомогою електродвигунів, які витрачають при цьому електричну енергію (звідси і назва).

Автомобілі та літаки тепловози та теплоходи працюють, витрачаючи енергію згоряючого палива, гідротурбіни — енергію падаючої з висоти води. Та й самі ми, щоб жити, навчатися та працювати, відновлюємо свій запас енергії за допомогою їжі, яку ми їмо.

Слово «енергія» вживається часто й у побуті. Так, наприклад, людей, які можуть швидко виконувати велику роботу, ми називаємо енергійними, які мають велику енергію. Що таке енергія? Щоб на це запитання, розглянемо приклади.

Стиснута пружина (рис), розпрямляючись, зробити роботу, підняти на висоту вантаж, або змусити рухатися візок.

Піднятий над землею нерухомий вантаж не виконує роботи, але якщо цей вантаж впаде, він може здійснити роботу (наприклад, може забити в землю палю).

Здатністю зробити роботу має і всяке тіло, що рухається. Так, сталева кулька А (рис), що скотилася з похилої площини, вдарившись об дерев’яний брусок В, пересуває його на деяку відстань. У цьому відбувається робота.

Якщо тіло або кілька тіл, що взаємодіють між собою (система тіл) можуть зробити роботу, говориться, що вони мають енергію.

Енергія – фізична величина, що показує, яку роботу може здійснити тіло (або кілька тіл). Енергія виявляється у системі СІ у тих самих одиницях, як і роботу, т. е. в джоулях .

Чим більшу роботу може зробити тіло, тим більшою енергією воно має.

При виконанні роботи енергія тіл змінюється. Досконала робота дорівнює зміні енергії.

Потенційною (від лат. потенція – можливість) енергією називається енергія, яка визначається взаємним становищем тіл, що взаємодіють, і частин одного і того ж тіла.

Потенційною енергією, наприклад, має тіло, підняте щодо поверхні Землі, тому що енергія залежить від взаємного становища його та Землі. та їх взаємного тяжіння. Якщо вважати потенційну енергію тіла, що лежить на Землі, що дорівнює нулю, то потенційна енергія тіла, піднятого на деяку висоту, визначиться роботою, яку здійснить сила тяжкості під час падіння тіла на Землю. Позначимо потенційну енергію тіла Е п, оскільки Е = А , а робота, як ми знаємо, дорівнює добутку сили на шлях, то

Значить, і потенційна енергія Еп дорівнює:

де g – прискорення вільного падіння, m – маса тіла, h – висота, на яку піднято тіло.

Величезною потенційною енергією має вода в річках, яка утримується греблями. Падаючи вниз, вода здійснює роботу, рухаючи потужні турбіни електростанцій.

Потенційну енергію молота копра (мал.) використовують у будівництві для здійснення роботи із забивання паль.

Відчиняючи двері з пружиною, відбувається робота з розтягування (або стиску) пружини. За рахунок придбаної енергії пружина, скорочуючись (або розпрямляючись), виконує роботу, закриваючи двері.

Енергію стислих і розкручених пружин використовують, наприклад, у ручному годиннику, різноманітних заводних іграшках та ін.

Потенційною енергією має будь-яке пружне деформоване тіло. Потенційну енергію стисненого газу використовують у роботі теплових двигунів, у відбійних молотках, які широко застосовують у гірській промисловості, при будівництві доріг, виїмці твердого ґрунту тощо.

Енергія, яку має тіло внаслідок свого руху, називається кінетичною (від грецьк. кінема – рух) енергією.

Кінетична енергія тіла позначається буквою Ек .

Вода, що рухається, приводячи в обертання турбіни гідроелектростанцій, витрачає свою кінетичну енергію і здійснює роботу. Кінетичною енергією володіє і рухоме повітря – вітер.

Від чого залежить кінетична енергія? Звернемося до досвіду (див. мал.). Якщо скочувати кульку А з різних висот, то можна помітити, що чим з більшої висоти скочується кулька, тим більша її швидкість і тим далі вона просуває брусок, тобто робить велику роботу. Отже, кінетична енергія тіла залежить від швидкості.

За рахунок швидкості великою кінетичною енергією має куля, що летить.

Кінетична енергія тіла залежить від його маси. Ще раз проробимо наш досвід, але скочуватимемо з похилої площини іншу кульку — більшої маси. Брусок В пересунеться далі, тобто буде виконана більша робота. Значить, і кінетична енергія другої кульки, більша, ніж першої.

Чим більша маса тіла і швидкість, з якою він рухається, тим більша його кінетична енергія.

Для того, щоб визначити кінетичну енергію тіла, застосовується формула:

де m – маса тіла, v – швидкість руху тіла.

Кінетичну енергію тіл використовують у техніці. Утримувана греблею вода має, як було вже сказано, велику потенційну енергію. При падінні з греблі вода рухається і має таку ж велику кінетичну енергію. Вона надає руху турбіну, з’єднану з генератором електричного струму. За рахунок кінетичної енергії води виробляється електрична енергія.

Енергія води, що рухається має велике значення в народному господарстві. Цю енергію використовують за допомогою потужних гідроелектростанцій.

Енергія падаючої води є екологічно чистим джерелом енергії на відміну енергії палива.

Всі тіла в природі щодо умовного нульового значення мають або потенційну, або кінетичну енергію, а іноді ту й іншу разом. Наприклад, літак, що летить, має відносно Землі і кінетичної і потенційної енергією.

Ми познайомилися із двома видами механічної енергії. Інші види енергії (електрична, внутрішня та ін) будуть розглянуті в інших розділах курсу фізики.

У природі, техніці та побуті можна часто спостерігати перетворення одного виду механічної енергії в інший: потенційну на кінетичну та кінетичну на потенційну. Наприклад, при падінні води з греблі її потенційна енергія перетворюється на кінетичну. У маятнику, що коливається, періодично ці види енергії переходять один в одного.

Явище перетворення одного виду механічної енергії на інший дуже зручно спостерігати на приладі, зображеному малюнку. Накручуючи на вісь нитку, піднімають диск приладу. Диск, піднятий вгору, має деяку потенційну енергію. Якщо його відпустити, він, обертаючись, почне падати. У міру падіння потенційна енергія диска зменшується, але водночас зростає його кінетична енергія. Наприкінці падіння диск має такий запас кінетичної енергії, що може знову піднятися майже до колишньої висоти. (Частина енергії витрачається на роботу проти сили тертя, тому диск не досягає початкової висоти.) Піднявшись нагору, диск знову падає, а потім знову піднімається. У цьому досвіді при русі диска вниз його потенційна енергія перетворюється на кінетичну, а при русі вгору кінетична перетворюється на потенційну.

Перетворення енергії з одного виду в інший відбувається також при ударі двох якихось пружних тіл, наприклад гумового м’яча об підлогу або сталевої кульки об сталеву плиту.

Якщо підняти над сталевою плитою сталеву кульку (рис) і випустити її з рук, вона падатиме. У міру падіння кульки його потенційна енергія зменшується, а кінетична зростає, оскільки збільшується швидкість руху кульки. При ударі кульки об плиту відбудеться стиснення як кульки, і плити. Кінетична енергія, якою кулька володіла, перетвориться на потенційну енергію стиснутої плити та стисненої кульки. Потім завдяки дії пружних сил плита і кулька приймуть свою початкову форму. Кулька відскочить від плити, а їх потенційна енергія знову перетвориться на кінетичну енергію кульки: кулька відскочить вгору зі швидкістю, майже рівною швидкості, яку мав у момент удару об плиту. При підйомі вгору швидкість кульки, отже, та її кінетична енергія зменшуються, потенційна енергія збільшується. відскочивши від плити, кулька піднімається майже до тієї ж висоти, з якої почала падати. У верхній точці підйому вся його кінетична енергія знову перетвориться на потенційну.

Явища природи зазвичай супроводжується перетворенням одного виду енергії на інший.

Енергія може і передаватись від одного тіла до іншого. Так, наприклад, при стрільбі з лука потенційна енергія натягнутої тятиви переходить у кінетичну енергію стріли, що летить.

На цьому уроці дізнаємося, куди пропадає частина витраченої енергії під час роботи будь-яких механізмів, навчимося вирішувати завдання з використанням ККД та познайомимося із заходами щодо збільшення ККД різних механізмів.

На попередніх заняттях при розгляді пристрою та роботи найпростіших механізмів ми не враховували тертя між деталями механізмів, вага механізмів – це ідеалізовані умови. На практиці робота, що здійснюється прикладеною до тіла силою, називається витраченою, вона завжди більша за роботу, яка здійснюється з переміщення вантажу, підняття вантажу або подолання опору, ця робота називається корисною (Рис. 1). Корисна робота менша за витрачену
.

Рис. 1. Піднімаючи вантаж, ми піднімаємо кріплення, мотузки, долаємо тертя

Ставлення корисної роботи до витраченої роботи, що у відсотках, називається коефіцієнтом корисної дії (ККД):
.

ККД виражається у відсотках, щоб його розрахувати, необхідно знати роботу корисну та роботу витрачену. При цьому золоте правило механіки не порушується, тому що частину роботи необхідно витратити, наприклад, на тертя, і якщо скласти ці витрати, виходить витрачена робота.

На похилій площині переміщуємо каретку з вантажем, з допомогою динамометра дізнаємося вага каретки з вантажем, у разі вага 3 Н (Рис. 2).

Рис. 2. Вага каретки з вантажем

Далі намагатимемося переміщати каретку по похилій площині, зауважимо при цьому показання динамометра, який покаже силу тяги, що прикладається до каретки. При рівномірному переміщенні сила тяги дорівнює 1,8 Н. Дізнаємося шлях каретки, він становить 0,38 м, висота на яку каретку підняли 0,18 м (Рис. 3).

Рис. 3. Піднімання каретки з вантажем по похилій площині

Розраховуємо корисну та витрачену роботу. Ми підняли вантаж вагою P на висоту h – корисна робота:
.

Сила тяги та шлях пройдений кареткою – це витрачена робота:
.

Умова: за допомогою нерухомого блоку вантаж масою m = 100 кг підняли на висоту h = 5 м. Необхідно порахувати витрачену роботу

Щоб розрахувати корисну роботу, необхідно з’ясувати, що корисного відбувалося у цій задачі. Вантаж масою 100 кг піднімали на висоту 5 м-коду.

– прискорення вільного падіння

Об’єднуємо всі отримані формули разом:
.

Відповідь: приблизне значення роботи становить 7143 Дж.

Коли конструктори створюють різні механізми, вони прагнуть збільшити ККД шляхом зменшення тертя між частинами механізму (мастильні матеріали, вибір матеріалів) або зменшення ваги механізму.

Список рекомендованої літератури

  1. Лукашик В.І., Іванова О.В. Збірник завдань із фізики для 7–9 класів загальноосвітніх закладів. – 17-е вид. – М.: Просвітництво, 2004.
  2. Перишкін А.В. фізика. 7 кл. – 14-те вид., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
  3. Перишкін А.В. Збірник задач з фізики, 7–9 кл.: 5-те вид., стереотип. – М: Видавництво “Іспит”, 2010.

Рекомендовані посилання ресурси Інтернету

Домашнє завдання

  1. На короткому плечі важеля підвішено вантаж масою 100 кг. Для його підйому до довгого плеча доклали силу 250 Н, вантаж підняли на висоту 0,08 м, при цьому точка докладання рушійної сили опустилася на висоту 0,4 м. Знайти ККД важеля.
  2. Скриньку масою 54 кг за допомогою рухомого блоку підняли на деяку висоту. До троса блоку була прикладена сила, що дорівнює 360 Н. Визначте коефіцієнт корисної дії рухомого блоку.
  3. По похилому настилу довжиною 3 м робітник вкотив до кузова бочку масою 55 кг. Визначте ККД навантаження, якщо робітник докладав силу 330 Н, а висота кузова машини 1,5 м.

Якщо ви знайшли помилку або посилання, будь ласка, повідомте нам – зробіть свій внесок у розвиток проекту.

ККД (коефіцієнт корисної дії) — величина, що характеризує співвідношення використовуваної енергії до витрачається, тобто. енергетичну ефективність системи.

ККД вимірюється у відсотках або вказується як десятковий дріб від 0 до 1. ККД 50% (або, що теж – 0,5) означає, що тільки половина енергії використовується для виконання роботи. Решта розсіюється у навколишньому просторі, як правило, у формі тепла.

p align=”justify”> Коефіцієнт корисної дії паровозів, що застосовувалися для залізничних перевезень в XIX – першій половині XX ст., Складав менше 10%, тобто. 90 і більше відсотків тепла від вугілля, що спалюється в топках, випаровувалося в атмосферу, не виконуючи корисної роботи з обертання коліс, що призводить до руху склад. Для порівняння: ККД паровозам тепловозів, що прийшли на зміну (у них використовуються не парові, а дизельні двигуни) досягає 40%.

ККД у формулах позначають грецькою літерою $\eta$ (ця).

, де $A_п$ – корисна робота, $A_з$ – витрачена.

Спробуй звернутися за допомогою до викладачів

«Корисність» виконуваної роботи — величина суб’єктивна, пов’язана з людським сприйняттям, тому про ККД говорять найчастіше стосовно штучно створених систем. Незважаючи на те, що технології удосконалюються, уникнути втрат у рукотворних системах інженерам не вдасться:

  • в механічних пристроях частина енергії, що витрачається, завжди витрачається на подолання сил тертя між дотиковими деталями (ці сили зменшують за рахунок більш ретельної обробки і мастила);
  • в електричних системах частина енергії розсіюється у вигляді тепла при подоланні опору провідників (явище надпровідності ще не застосовується до практики і потребує низьких температур);
  • у нагрівальних приладах витоку відбуваються через дефекти теплоізоляції тощо.

, де $A_з$ – робота витрачена, $A_п$ – робота корисна.

Втрати енергії можна зводити до мінімуму, але виключити їх неможливо. Який би досконалий пристрій ми не вигадали, ККД ніколи не досягне одиниці в силу другого закону термодинаміки, дія якого виключає створення механізмів з ККД рівним або більшим 100%.

Задай питання спеціалістам та отримай
відповідь вже через 15 хвилин!

Методики підрахунку ККД відрізняються залежно від фізичної природи явищ, задіяних у системах, що перетворюють енергію.

При практичних розрахунках, пов’язаних з рухом, знаменник формули ККД зручніше уявити не як роботу (вироб сили на відстань), а як витрачену енергію, що виділилася, наприклад, при спалюванні палива:

, де $A_п$ – виконана системою корисна робота, $Q$ – витрачена системою енергія.

Наприклад, знаючи скільки бензину витрачено двигуном автомобіля (кількість тепла, що виділився в результаті, можна легко підрахувати), а також масу, швидкість і пройдену відстань, легко знайти ККД.

Якщо йдеться не про автомобіль з двигуном внутрішнього згоряння, а про електромобіль, то витрати енергії в знаменнику можна підрахувати як добуток середніх струму та напруги за час руху транспортного засобу, що розглядається.

Оскільки потужність є роботу, що виконується в одиницю часу, ККД іноді буває зручно порахувати як співвідношення вхідний і вихідний потужностей системи:

де $P_$ – потужність на вході системи, $P_$ – на виході.

Такий підхід зручний, наприклад, під час розрахунку ККД сонячних батарей. У знаменнику в цьому випадку буде потужність світлового випромінювання, що падає на їх поверхню, в чисельнику – потужність струму, що генерується.

Лебідка, що споживає потужністю 500 Вт, за час 10 с підняла вантаж масою 70 кг на висоту 5м. Знайти ККД лебідки.

Лебідка подолала силу тяжкості, здійснивши роботу

де $m$ – маса, $g$ – прискорення вільного падіння, $h$ висота.

Підставивши значення, отримуємо:

$A = 70 \cdot 9,8 \cdot 5 = 3430 Дж$

Витрачену енергію знайдемо через потужність та час:

, де $ Q $ – енергія, $ P $ – Потужність, $ t $ – час.

Підставивши значення, отримуємо:

$Q = 500 Вт \cdot 10 с = 5000 Дж$

ККД знаходимо як співвідношення

Відповідь: ККД лебідки дорівнює 68,6%.

Так і не знайшли відповіді
на своє запитання?

Просто напиши з чим тобі
потрібна допомога

При розгляді переміщень тіл та їх систем у просторі часто доводиться розраховувати роботу тих чи інших сил. У цій статті дамо визначення механічної роботи у фізиці, пояснимо, як вона пов’язана з енергією, а також наведемо приклади вирішення завдань на цю тему.

При вивченні роботи у фізиці (9 клас загальноосвітніх шкіл) багато учнів плутають цю величину з енергією. Зрозуміти це можна: адже обидві характеристики визначаються у джоулях. Проте енергія – це фундаментальна характеристика. Вона не може з’являтися або зникати, а здатна лише переходити у різні стани та форми. У цьому полягає суть закону її збереження в ізольованій системі. А робота — це одна з форм реалізації енергії, яка призводить до просторового переміщення тіл.

Так, при нагріванні газу збільшується його внутрішня енергія, тобто система отримує можливість за її рахунок здійснити деяку механічну роботу. Остання виникне, коли газ почне розширюватись, збільшувати свій обсяг.

Суворим визначенням у фізиці є таке, що передбачає чітке математичне обґрунтування. Щодо аналізованої величини можна сказати наступне: якщо на тіло діє деяка сила F?, в результаті якої воно починає переміщуватися на вектор S?, то роботою A називається така величина:

Оскільки A це величина скалярна, то круглі дужки в правій частині рівності говорять про те, що обидва вектори множаться скалярно.

Із записаного виразу випливає важливий факт: якщо сила діє перпендикулярно до переміщення, то роботи вона не здійснює. Так, багато школярів при вирішенні з фізики контрольних робіт у 10 класі, наприклад, припускаються часто помилки. Вони вважають, що переміщати горизонтально важкий вантаж важко саме через силу тяжкості. Як показує формула роботи, сила тяжіння при горизонтальному переміщенні здійснює нульову роботу, оскільки вона спрямована вертикально донизу. Насправді, труднощі переміщення важкого вантажу пов’язані з дією сили тертя, яка прямо пропорційна силі тяжіння.

Вираз для A у явному вигляді може бути записано так:

Добуток F*cos(φ) є проекцією вектора сили на вектор переміщення.

Кожному відомо, що створити механізм, який всю витрачену енергію переводив у корисну роботу, виявляється неможливим на практиці. У зв’язку з цим запровадили поняття коефіцієнта корисної дії (ККД). Розрахувати його нескладно, якщо скористатися таким виразом:

Тут А п , А з – корисна та витрачена роботи відповідно. При цьому А з завжди більше, ніж А п , тому ККД завжди менше 100%. Наприклад, двигун внутрішнього згоряння має ККД у межах 25-40%. Ці цифри говорять про те, що більшість палива при згорянні витрачається на нагрівання навколишнього середовища, а не на рух автомобіля.

В абсолютній більшості випадків неможливість отримати ККД = 100% пов’язана з постійною присутністю сил тертя. Навіть у такому простому механізмі, як важіль, ці сили, що діють в області опори, призводять до зниження ККД до 80-90%.

Далі у статті розв’яжемо пару завдань з розглянутої теми.

Тіло масою 4 кг рухається вертикально вгору похилою площиною. Кут її нахилу щодо горизонту становить 20 o . На тіло діє зовнішня сила, що дорівнює 80 Н (вона спрямована горизонтально), а також сила тертя, яка становить 10 Н. Необхідно обчислити роботу кожної з сил та загальну роботу, якщо тіло рухалося вздовж площини 10 метрів.

Перш ніж почати вирішувати завдання, нагадаємо, що, крім зазначених сил, на тіло ще діє сила тяжкості та реакції опори. Останню можна не розглядати, оскільки її робота дорівнюватиме нулю. Сила ж тяжкості виконує негативну роботу, оскільки тіло рухається вгору похилою.

Спочатку обчислимо роботу зовнішньої сили F 0. Вона становитиме:

Зауважимо, що розрахована робота буде позитивною, оскільки вектор зовнішньої сили має гострий кут із напрямком переміщення.

Роботи сил тяжкості F g та тертя F f будуть негативними. Розрахуємо їх з урахуванням кута нахилу площини та напрямки переміщення тіла:

Загальна робота всіх сил дорівнюватиме сумі розрахованих величин, тобто:

Ця робота витрачається збільшення кінетичної енергії тіла.

Відомо, що матеріальна точка рухається вздовж прямої, змінюючи свої координати від x = 2 до x = 5 м. У процесі руху на неї діє сила F, яка змінюється за наступним законом:

Вважаючи, що F діє вздовж лінії переміщення точки, необхідно вирахувати роботу, яку вона здійснює.

Оскільки сила постійно змінюється, то в лоб не вийде використати записану в статті формулу для A. Щоб розрахувати цю величину надійдемо таким чином: обчислимо на кожному елементарному відрізку шляху dx роботу dA, а потім складемо всі результати. Розмірковуючи так, ми приходимо до інтегральної формули для роботи у фізиці:

Тепер залишилося вирахувати цей інтеграл для нашого випадку:

Ми отримали результат у джоулях, оскільки координата x виражається у метрах, а сила F у ньютонах.

1. Витрати енергії ви повинні оцінювати в одних і тих самих одиницях.

2. Витрачена всією системою енергія не може бути меншою за витрачену безпосередньо на досягнення результату, тобто ККД не може бути більше 100%.

Одна з перших формул розрахунку виглядала так:
R = K x (350 – 20 x L) + Ddmg x (0,2 + 1,5 / L) + S x 200 + Ddef x 150 + C x 150

Сама формула наведена на зображенні. У цій формулі є наступні змінні:
– R – бойова ефективність гравця;
– К – середня кількість знищених танків (загальна кількість фрагів, поділена на загальну кількість боїв):
– L – середній рівень танка;
– S – середня кількість виявлених танків;
– Ddmg – середня кількість завданих збитків за бій;
– Ddef – середня кількість очок захисту бази;
– С – середня кількість очок захоплення бази.

Значення одержаних цифр:
– менше 600 – поганий гравець; такий ККД мають близько 6% усіх гравців;
– від 600 до 900 – гравець нижче середнього; такий ККД мають 25% усіх гравців;
– від 900 до 1200 – середній гравець; таку ефективність мають 43% гравців;
– Від 1200 і вище – сильний гравець; таких гравців близько 25%;
– Понад 1800 – унікальний гравець; таких трохи більше 1%.

Американські гравці використовують свою формулу WN6, що виглядає так:
wn6=(1240 – 1040 / (MIN (TIER,6)) ^ 0.164) x FRAGS + DAMAGE x 530 / (184 xe ^ (0.24 x TIER) + 130) + SPOT x 125 + MIN(DEF,2.2) x 100 + ((185 / (0.17+ e ^ ((WINRATE – 35) x 0.134))) – 500) x 0.45 + (6-MIN(TIER,6)) x 60

У цій формулі:
MIN (TIER,6) – середній рівень танка гравця, якщо він більше 6, використовується значення 6
FRAGS – середня кількість знищених танків
TIER – середній рівень танків гравця
DAMAGE – середня шкода у бою
MIN (DEF,2,2) – середня кількість збитих очок захоплення бази, якщо значення більше 2,2 використовується 2,2
WINRATE – загальний відсоток перемог

Як видно, у цій формулі не враховуються окуляри захоплення бази, кількість фрагів на низькорівневій техніці, відсоток перемог та вплив початкового засвіту на рейтингу позначаються не дуже.

Компанія Wargeiming запровадила в оновленні показник особистого рейтингу ефективності гравця, який розраховується за складнішою формулою, що враховує всі можливі статистичні показники.

З формули Кх(350-20хL) видно, що чим вище рівень танка, тим менша кількість очок ефективності виходить за знищення танків, зате більше за нанесення шкоди. Тому, граючи на низькорівневій техніці, намагайтеся брати більше фрагів. На високорівневий – наносити більше втрат (дамага). Кількість очок отриманих чи збитих очок захоплення бази на рейтинг впливають несильно, причому за збиті окуляри захоплення очок ККД нараховується більше, ніж за отримані окуляри захоплення бази.

Тому більшість гравців покращують свою статистику, граючи на танках нижчих рівнів у так званій пісочниці. По-перше, більшість гравців на нижчих рівнях – новачки, які не мають навичок, не використовують прокачаний екіпаж з уміннями та навичками, не використовують додаткове обладнання, не знають переваг та недоліків того чи іншого танка.

Незалежно від того, на якій техніці граєте, намагайтеся збивати якомога більше очок захоплення бази. Взводні бої сильно підвищують рейтинг ефективності, тому що гравці у взводі діють скоординовано і найчастіше добиваються перемоги.

Поняття коефіцієнта корисної дії (ККД) може бути застосоване до різних типів пристроїв і механізмів, робота яких заснована на використанні будь-яких ресурсів. Так, якщо як такий ресурс розглядати енергію, що використовується для роботи системи, то результатом цього слід вважати обсяг корисної роботи, виконаної на цій енергії.

У загальному вигляді формулу ККД можна записати так: n = A*100%/Q. У цій формулі символ n застосовується як позначення ККД, символ A є обсягом виконаної роботи, а Q — обсягом витраченої енергії. При цьому варто наголосити, що одиницею вимірювання ККД є відсотки. Теоретично максимальна величина цього коефіцієнта становить 100%, проте практично досягти такого показника практично неможливо, оскільки у роботі кожного механізму присутні ті чи інші втрати енергії.

Двигун внутрішнього згоряння (ДВС), що є одним з ключових компонентів механізму сучасного автомобіля, також є варіантом системи, заснованої на використанні ресурсу – бензину або дизельного палива. Тож неї можна розрахувати величину ККД.

Незважаючи на всі технічні досягнення автомобільної промисловості, стандартний ККД ДВЗ залишається досить низьким: залежно від використаних при конструюванні двигуна технологій, він може становити від 25% до 60%. Це пов’язано з тим, робота такого двигуна пов’язана зі значними втратами енергії.

Так, найбільші втрати ефективності роботи ДВЗ припадають працювати системи охолодження, яка забирає до 40% енергії, виробленої двигуном. Значна частина енергії – до 25% – втрачається в процесі відведення відпрацьованих газів, тобто просто забирається в атмосферу. Нарешті, приблизно 10% енергії, що виробляється двигуном, йде подолання тертя між різними деталями ДВС.

Тому технологи та інженери, зайняті в автомобільній промисловості, докладають значних зусиль для підвищення ККД двигунів шляхом скорочення втрат за всіма переліченими статтями. Так, основне напрям конструкторських розробок, спрямоване зменшення втрат, що стосуються роботи системи охолодження, пов’язані з спробами зменшити розмір поверхонь, якими відбувається теплоотдача. Зменшення втрат у процесі газообміну проводиться переважно з використанням системи турбонаддува, а зниження втрат, пов’язаних із тертям, – за допомогою застосування більш технологічних та сучасних матеріалів при конструюванні двигуна. Як стверджують фахівці, застосування цих та інших технологій здатне підняти ККД ДВЗ до рівня 80% та вище.

Швидкість, час і відстань: як пов’язані ці поняття і за якими формулами знаходити

Швидкість, час і відстань часто аналізують автомобілісти або спортсмени. Ці поняття застосовують у складних задачах у фізиці, математиці, механіці. Їхній взаємозв’язок відображено у формулах.

Швидкість, час, відстань – це поняття, що пов’язані з рухом і характеризують його. Задачі на рух входять до числа найскладніших для школярів і студентів. У взаємозв’язку швидкості, часу і відстані допомагають розібратися розділи фізики і математики. Популярні визначення цих термінів дано на освітньому онлайн-ресурсі Libre Texts Physics.

Що таке відстань

Довжина шляху від однієї точки в просторі до іншої або від одного пункту до іншого називається відстанню. Інакше кажучи, це проміжок між чим-небудь або відстань між двома об’єктами в просторі.

Загальноприйняте позначення відстані латинською прописною літерою s, але можуть бути й інші позначення, про що повідомляється в умовах. Одиниці відстані – це міри довжини, які виражаються сантиметрами, метрами, кілометрами, милями. Їх вимірюють за допомогою лінійки, вимірювальної стрічки, рулетки, крокоміра. Великі відстані вимірюють особливими приладами, а на карті – за допомогою масштабу.

Що таке швидкість

Швидкістю вважається шлях (відстань), який якийсь об’єкт долає за одиницю часу. Це швидкість, з якою об’єкт переміщується в просторі. Позначається швидкість латинською літерою v. Вимірюється ця величина в м/сек, у км/год. Для вимірювання швидкості застосовуються спеціальні прилади – спідометри або радари.

У задачах на рух фігурують такі види швидкості:

  • Швидкість зближення. Це відстань, на яку зблизилися два об’єкти за одиницю часу, при цьому їхні швидкості складаються.
  • Швидкість віддалення. Показує, на яку відстань віддалилися об’єкти один від одного, але обчислюється теж шляхом додавання їхніх швидкостей.
  • Середня швидкість. Її дізнаються, якщо на різних ділянках шляху вона була різною.

Є складні завдання, у яких рух відбувається з відставанням або навздогін. У таких випадках із більшої швидкості віднімається менша.

Що таке час

Під часом у точних науках мають на увазі тривалість якоїсь дії або події. Іншими словами, скільки часу потрібно, щоб відбулася якась дія.

Час у задачах заведено позначати латинською літерою t (іноді використовують велику Т). Одиниці вимірювання часу – секунди, хвилини, години, дні, місяці, роки. Але в задачах на рух фігурують одиниці від секунд до годин. Вимірюється час за допомогою механічного, електронного, пісочного, атомного годинника.

Взаємозв’язок відстані, швидкості та часу

Розглянуті поняття характеризують рух, вони тісно пов’язані одне з одним. Важко уявити одне з них окремо від інших. У розумінні швидкості нерозривні витрачений на рух час і відстань, яку було подолано. Якщо відомі швидкість і час руху, то легко визначити відстань. Якщо відомі відстань і швидкість руху, то можна визначити час, за який буде пройдено цю відстань.

Як відстань залежить від часу та швидкості руху

Якщо протягом якогось часу об’єкт рухався з відомою швидкістю, легко визначити, яку він подолав відстань за цей час. Припустимо, автомобіль їхав з одного міста в інше 4 години, його середня швидкість при цьому була 100 км/год. Тобто щогодини він проїжджав 100 км, а їхав 4 години. Стає очевидним, що за 4 години він проїде в 4 рази більшу відстань, ніж за годину.

Як знайти відстань? Відстань дорівнюватиме швидкості, помноженій на час: s=v×t. За цією формулою розраховують відстань за відомими швидкістю і часом руху: s=100 км/год×4 години=400 км. Такою виявляється відстань від одного міста до іншого у взятому прикладі.

Як обчислити час, якщо відома швидкість і відстань

Якщо відома швидкість руху і відстань, яку було подолано, можна дізнатися, скільки для цього знадобилося часу. Приміром, турист вирушив до табору, який розташований на відстані 20 км від міста. Він ішов зі швидкістю 5 км/год. Потрібно розрахувати, скільки часу він витратив на дорогу.

Вважаємо, що кожну годину він долав 5 км і пройшов усього 20 км. За якою формулою знайти час? Час руху дорівнюватиме відстані, поділеній на швидкість: t=s÷v. Тож якщо швидкість туриста 5 км/год, а загалом він пройшов до табору 20 км, тоді t=20 км÷5 км/год=4 години. Стільки часу туристові знадобиться на дорогу до табору.

Як обчислити швидкість, якщо дано відстань і час

Як розрахувати швидкість, знаючи час і відстань? Щоб дізнатися швидкість руху, треба пройдену відстань поділити на час, протягом якого вона була подолана. Формула буде такою: v=s÷t.

Припустимо, поїзд від однієї станції до іншої, відстань між якими 210 км, їхав 3 години. Потрібно дізнатися, з якою швидкістю він рухався. Швидкість – це рух за одиницю часу, у цьому прикладі – за годину. Якщо поїзд їхав 3 години, то його швидкість буде такою: v=210 км÷3 години=70 км/год.