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»:

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:

Источник

Для вычисления работы возможен один из вариантов:

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:

Источник

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:

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.

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, 

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).

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:

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.

По расположению оси вращения применяются рычаги двух видов:

Источник

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.

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:

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:

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:

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).

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.

Источник       

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

Источник

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

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.

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.

Источник

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

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.

Источник

Привычная лестница – пример наклонной плоскости:

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].

Винт Источник                                                              

 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»:

Источник

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 = (А_{полезная}/А_полная) ∙ 100 %

КПД можно рассчитать следующим образом. Пусть дана наклонная плоскость:

Источник

Схематически на рисунке это выглядит так:

Источник

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).