Физика

Урок 11: Работа и мощность

Работа и мощность

В 1920 году чешский писатель Карел Чапек написал пьесу об искусственных механических людях. Ему предложили назвать их лаборами (от латинского слова «работа»). Писателю это слово показалось очень вычурным и он назвал людей «роботами», тоже от слова «работа». А что означает работа в физике? Данный урок дает ответ на этот вопрос и не только.

Обложка урока взята с источника.

slide9

Занятия с репетитором    ОНЛАЙН от 200 руб / час

Перейти

Бесплатный подбор репетитора на нашем сайте

Перейти slide8

План урока:

Механическая работа. Что характеризует мощность?

Какие бывают несложные механизмы. Как уравновесить рычаг?

Момент силы. Простые механизмы в природе, технике и быту

Правило механики «на вес золота»

КПД – коэффициент полезного действия

 

Механическая работа. Что характеризует мощность?

Исторически впервые термин «работа» придуман французом Ж. Понселе. Вначале ученый связал работу с каждодневной жизнедеятельностью человека: «работа врача», «вернулся с работы», «устроился на работу», «тяжелая работа». К физике это относилось лишь потому, что идти на работу или работать – это значит совершать какое-то передвижение. Затем Понселе связал работу с силой и дал название «механическая работа»:

1
Источник

А вот в науке механическая работа – это понятие, формируемое по правилам физики.

Пусть непрерывная сила F переместила тело в своем направлении на расстояние s. Эта сила совершила механическую работу, так как она переместила тело.

В физике принято обозначать работу буквой А. Тогда:

2
Источник

Для вычисления работы возможен один из вариантов:

t1

Отсюда вытекает вывод, что для осуществления механической работы необходимы два одновременно выполняемых условия: 1) сила и 2) перемещение, осуществляемое именно этой силой.

Например, сила тяги какого-нибудь двигателя, сила давления, сила тяжести могут совершать и положительную и отрицательную работы:

3
Источник

4
Источник

При движении по какой-то поверхности возникает сила трения, например, мотоцикл едет по дороге, санки катятся по снегу. Воздух оказывает сопротивление спускающемуся парашютисту. Направлены силы трения и сопротивления всегда против движения. Получается, что движение тела в одну сторону, а направление силы – в другую. В этих случаях работа, совершаемая такими силами, отрицательная. В приведенных примерах сила тяги мотоцикла; сила тяги ребенка, который тащит санки; сила тяжести, действующая на парашютиста совершают положительную работу.

Всегда направлены против движения - силы сопротивления и трения. Совершаемые ими работы - отрицательны.

А = 0 в следующих случаях:

5
Источник

Два случая нулевой работы понять не трудно. Например, человек пытается сдвинуть тяжелый камень, толкает его с большой силой, а камень не перемещается. Нет перемещения, нет и работы этой силы. Движение по инерции - есть перемещение, но без действия сил, опять работа равна нулю.

      В случае с перпендикулярностью дело обстоит следующим образом. Например, рабочий толкает тележку по дороге. Сила, которую он прилагает к грузу, направлена горизонтально, и тележка движется горизонтально в направлении именно этой силы – есть положительная работа. Но на тележку оказывает влияние и сила тяжести. Сила тяжести перпендикулярна дороге, и в ее направлении тележка не движется. Значит, работа силы тяжести равна 0. У перемещения и сила должно быть одно направление.

Про перпендикулярны надо подробнее

На уроке физкультуры дистанцию в 100 м пробежали все семиклассники. Они совершили одинаковую работу, но за различное время. Новое понятие физики, определяющее это условие – мощность.

6
Источник

Мощность - это тоже работа, но совершаемая за единицу времени. Например, за 8 с выполнена работа в 200 Дж, значит, за 1 с совершается 25 Дж работы (200 Дж : 8 с = 25 Дж).

Итак, 

t2

7
Источник

Здесь можно провести аналогию со скоростью. Скорость – путь в единицу времени, мощность – это работа в единицу времени. 2 м/с означает, что за каждую секунду тело проходит путь 2 м. 2 Вт – это значит, что за 1 с совершается работа 2 Дж.

Для различных машин, простых и сложных механизмов и самого человека мощность - очень нужная характеристика. Численные ее значения различны. Например, сердечная мощность у взрослого человека - 2,2 Вт, а двигатели в ракетостроении достигают мощности десятков миллионов киловатт.

Сравнимы ли мощность простого неспортивного человека и одна полная лошадиная сила?

Ученые считают: мощность человека меньше лошадиной силы (при размеренной работе) в 10 раз, т.е. равна 70-80 Вт. Однако в некоторых ситуациях человек кратковременно показывает очень высокую мощность. Быстро пробежав по лестнице за 1 с 6 ступенек (1,2 м), взрослый человек (70 кг) проделывает работу 840 Дж. Это как раз его мощность 840 Вт, а 1 л.с. = 735,5 Вт. Человек в этом случае мощнее лошади (конечно, речь не о том, кто сильнее).

8
Источник

С 1980 года 1 л. с. как единица измерения официально отменена, но используется и сейчас. Мощности двигателей обычно указываются в кВт.

 

Какие бывают несложные механизмы. Как уравновесить рычаг?

Сила мускулатуры человека небезгранична. Чтобы облегчить нагрузки на мышцы, издавна человек пытается внедрить в свою деятельность различные приспособления, устройства, несложные механизмы. Простых механизмов сконструировано довольно много. Самые распространенные:

9
Источник

Архимед в древности разработал немалое количество механических устройств. Он же выдвинул и теорию рычага. Рычаг – жесткое тело с закрепленной опорой, способное свободно поворачиваться около этой опоры.

Как и у любого устройства или приспособления, у рычага есть свои характеристики. Это:

  • ось вращения (определяется точкой опоры);
  • левое плечо и правое плечо – это отрезки, соединяющие линии сил и точку опоры;
  • силы, прилагаемые с одной стороны от опоры или по разные стороны от нее.

Буквой О на рисунке отмечена точка опоры самого простейшего лабораторного рычага, отрезок ОА является плечом силы F1, отрезок ОВ – это плечо силы F2.

t3

По расположению оси вращения применяются рычаги двух видов:

10
Источник

t41

Рычаг дает возможность выиграть в силе. Это означает, что рычаг помогает заменить «неподъемную» силу, которой порой не хватает, на значительно меньшую. Но просто так ничего не бывает: выигрыш в силе - проигрыш в расстоянии.

t4

По сути это равенство выражает условие равновесия рычага:

Отношение сил обратно пропорционально отношению плеч сил

Условие разрешает выигрывать в силе теоретически сколько угодно, но в действительности так не бывает. Плечо не бывает очень длинным. В свои времена Архимед выразил мысль о получении бесконечного выигрыша в силе фразой:

t5

Пусть гениальный Архимед нашел искомую опору и сделал крепкий рычаг. Масса Земли 6 ∙ 1024 кг, поднять тело в 50 - 60 кг обычный человек в состоянии. Получается, для смещения хотя бы на 1 мм Земли, Архимеду потребовалось бы прошагать путь в 1017 км. Такие расчеты – хорошая демонстрация, каковы масштабы «проигрыша» в расстоянии.

 

Момент силы. Простые механизмы в природе, технике и быту

Из пропорции F2/F1 = l1/l2 получается равенство F1 ∙ l1 = F2∙ l2. Используя его, П.Вариньон (французский ученый) ввел первое определение момента силы:

11
Источник

Момент силы – это одна из величин, полученных путем математических преобразований. Использовали основное свойство пропорции F2/F1 = l1/l2, получили новое равенство F1 ∙ l1 = F2∙ l2. Слева и справа произведения одинаковых физических величин, только индексы разные. Слева - первая сила и ее плечо, справа - вторая сила и ее плечо. Назвали такое произведение моментом силы.

Если к телу приложены две силы, одна поворачивает тело по часовой стрелке, а другая – против, то для соблюдения равновесия нужно равенство:

t6

Правило моментов соблюдается для произвольного жесткого тела, у которого зафиксирована ось вращения. Пусть тело произвольной формы имеет возможность вращаться (на рис. т.О обозначает ось). Плечом силы d здесь выступает расстояние от линии этой силы до оси. На тело может действовать несколько сил (необязательно две).

12
Источник

Из определения момента F ∙ l = M даже незначительная сила может дать большой вращающий момент, если взять достаточно большое плечо. Это условие часто применяют в технических и бытовых ситуациях. Расширенная рукоятка ключей, штопоров и отверток, удлиненные ручки гаечных ключей, вытянутые ручки ножниц по металлу – в этих устройствах длинные плечи.

Во многих отраслях деятельности человек издавна не обходится без использования рычагов. Это – технические устройства, механизмы, строительство.

13
Источник
       

Природа также создала много примеров рычагов. Самый замечательный из них – человеческая рука.

14
Источник

Чтобы удержать в руке тело, нужно уравновесить силу тяжести F2 и мышечную силу руки F1.

15
Источник

Интересен и такой пример природы. «Рычажный механизм» внутри цветка шалфея «загружает» шмелей пыльцой. Шмель, приземлившись на губу цветка (шалфей – семейство губоцветных), проникает внутрь за нектаром. У входа в цветок находятся две тычинки[1]. Они преграждают путь шмелю. Тычинки по внешнему виду напоминают рычаг. Мелкая часть каждой тычинки представляет одно плечо рычага. Находится это плечо снизу. Другое плечо рычага – это длинная верхняя часть тычинки. На ней раскачивается пыльник[2].

Шмель, залезая в цветок, давит на нижнее, короткое, плечо. Сверху длинное плечо наклоняется, и пыльник смазывает пыльцой спинку насекомого. А дальше шмель садится на следующий цветок. Спинка зацепляется за рыльце пестика[3] другого цветка. Рыльце легко задеть, так как оно наклонено вниз. Пыльца попадает внутрь пестика. Таким образом происходит опыление шалфея насекомыми.

Простые механизмы: блок и ворот – это виды рычагов.

Ворот - по сути бревно, способное вращаться вместе со своей осью. К оси крепится ручка, держась за которую можно осуществлять вращение. Как простой механизм ворот часто применяют при подъеме тяжелых грузов с глубины.

16
Источник

Чтобы увидеть в блоке рычаг, нужно мысленно диаметрально провести через центр блока отрезок (на рисунке отрезок АВ). Тогда l1 и l2 будут плечами приложенных к тросу сил.

17
Источник

Плечи сил F1 и F2 при равновесии одинаковы, значит и силы тоже одинаковы. Неподвижный блок выиграть в силе не может.

18
Источник

Плечо l1 больше плеча l2 в 2 раза, то есть l1 = 2l2.

Тогда равенство F1 ∙ l1 = F2∙ l2 запишется так: F1 ∙ 2l2 = F2∙ l2 (вместо l1 подставляем 2l2). Слева и справа есть одинаковый множитель l1. на него можно сократить обе части равенства. Получается, что F1 ∙ 2 = F2. Иначе F2 = 2 F1

Из условия равновесия сила F1 меньше силы F2 в 2 раза. Подвижный блок в 2 раза выигрывает в силе.

Часто тяжелые тела поднимают по наклонной плоскости. Работа получается больше, но зато выходит выигрыш в силе. Разделив длину наклонной плоскости на высоту, возможно рассчитать этот выигрыш. В данном случае при условии незначительного трения это будет довольно приближенная оценка.

19
Источник

Привычная лестница – пример наклонной плоскости:

20
Источник

По вертикальной лестнице труднее подниматься. По наклонной лестнице подниматься легче, но она длиннее.

Винты и винтообразные устройства, клинообразные приспособления – часто применяемые разновидности наклонной плоскости. Винт - это накрученная на ось наклонная плоскость. Клин – две наклонные плоскости, объединенные в призму[4].

21.1
Винт Источник                                                              

21.2
 Клин Источник

 

Правило механики «на вес золота»

Используя разнообразные механические приспособления и устройства, люди облегчают себе труд, уменьшая физическую силу. Уменьшить работу эти механизмы не в состоянии. Если в механизмах применяется сила уменьшенная, то приходится увеличивать расстояние (длину наклонной плоскости, плечо рычага). К такому правилу пришел Герон Александрийский. По своей значимости это правило стало в механике «золотым правилом»:

22
Источник

23
Источник

Данное правило без учета силы тяжести и силы трения самих приспособлений и деталей механизмов является довольно приближенным.

 

КПД – коэффициент полезного действия

Прежде нужно разобраться в словах «полезное действие». Вот пример. Картофель, собранный для хранения на семена, фермер засыпает из ведер в большие контейнеры. Погрузка картофеля ведрами является полной (иначе совершенной) работой. Она состоит из подъема ведер и самого картофеля. Подъем картофеля – это работа полезная, а заполнение и поднятие ведер – бесполезная. Ведра нужно поднимать, опускать, наполнять картофелем.

Полная работа, конечно же, превышает полезную. Находя, как относится полезная работа к полной (совершенной работе), получают величину, называемую коэффициентом полезного действия (КПД). Часто КПД вычисляется в процентах. Для обозначения используется буква η (эта) из греческого алфавита.

η = (Аполезнаяполная) ∙ 100 %

КПД можно рассчитать следующим образом. Пусть дана наклонная плоскость:

24
Источник

Схематически на рисунке это выглядит так:

25
Источник

t7

Работая над конструкциями и создавая машины, изобретатели стараются повысить КПД. Уменьшая массу работающих и движущихся частей в устройствах, трение контактирующих деталей, конструкторы добиваются неплохих результатов.

Нужно отметить, что нет механизмов, дающих КПД в 100%. В настоящее время уже есть машины и механизмы с КПД около 98-99 %, но создать работающее устройство со 100% - м КПД невозможно.

 

Словарь

1. Тычинка – мужская составляющая в строении цветка. Содержит пыльник с пыльцой, тычиночную нить.

2. Пыльник – часть тычинки, где созревает пыльца.

3. Пестик – часть цветка, представляющая женский орган с рыльцем, столбиком и завязью.

4. Призма – физическое тело, многогранник с двумя параллельными основаниями и боковыми гранями – параллелограммами. (Клин – треугольная призма, в основаниях которой лежат треугольники).

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Бетонный блок массой 2 т строительные механизмы подняли на высоту 5 м. Какова при этом совершенная работа?
1100 кДж
2100 Дж
310 кДж
Ответить
1
Вопрос: 2
Девочка массой 40 кг поднялась на третий этаж дома, находящийся на высоте 12 м, потратив 40 с. Какой мощностью обладала в этом случае девочка?
1120 Дж
2120 Вт
312 Вт
Ответить
2
Вопрос: 3
Неподвижный блок применяют для того,
1Чтобы выиграть в силе
2Чтобы выиграть в работе
3Чтобы изменить направление действующей силы
Ответить
3
Вопрос: 4
В каком случае работа силой тяжести не выполняется?
1Малыш катится с горки на санках
2Книга лежит на полке
3Лифт поднимает человека на восьмой этаж
Ответить
2
Вопрос: 5
С помощью наклонной плоскости или неподвижного блока легче поднять груз на высоту?
1Неподвижного блока, потому что силу приложить в каком угодно направлении
2Оба приспособления облегчают подъем
3Наклонной плоскости, так как она дает выигрыш силой, а неподвижный блок – нет
Ответить
3
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Бетонный блок массой 2 т строительные механизмы подняли на высоту 5 м. Какова при этом совершенная работа?
1) 100 кДж 2) 100 Дж 3) 10 кДж
2 вопрос:

Девочка массой 40 кг поднялась на третий этаж дома, находящийся на высоте 12 м, потратив 40 с. Какой мощностью обладала в этом случае девочка?
1) 120 Дж 2) 120 Вт 3) 12 Вт
3 вопрос:

Неподвижный блок применяют для того,
1) Чтобы выиграть в силе 2) Чтобы выиграть в работе 3) Чтобы изменить направление действующей силы
4 вопрос:

В каком случае работа силой тяжести не выполняется?
1) Малыш катится с горки на санках 2) Книга лежит на полке 3) Лифт поднимает человека на восьмой этаж
5 вопрос:

С помощью наклонной плоскости или неподвижного блока легче поднять груз на высоту?
1) Неподвижного блока, потому что силу приложить в каком угодно направлении 2) Оба приспособления облегчают подъем 3) Наклонной плоскости, так как она дает выигрыш силой, а неподвижный блок – нет
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: 100 кДж
2 вопрос: 120 Вт
3 вопрос: Чтобы изменить направление действующей силы
4 вопрос: Книга лежит на полке
5 вопрос: Наклонной плоскости, так как она дает выигрыш силой, а неподвижный блок – нет
slide9

Мы рекомендуем только    лучших РЕПЕТИТОРОВ

Перейти

Выбери своего репетитора    для онлайн-занятий сейчас

Перейти slide8