Если кпд механизма увеличить на 10 то при совершении полезной работы

1. Простые механизмы — приспособления, которые сконструировал и использовал человек, чтобы облегчить работу по перемещению тяжёлых предметов. К ним относят: рычаг, блок, наклонную плоскость. Разновидностями этих механизмов являются: клин, ворот и винт.

Все простые механизмы позволяют преобразовать силу, действующую на тело: либо уменьшить её, либо изменить её направление.

2. Рычаг — это стержень, вращающийся вокруг неподвижной опоры или оси (рис. 51). На рисунке показан рычаг, который может вращаться вокруг точки О, расположенный между концами рычага. К одному концу рычага подвешен груз, действующий на рычаг с силой ​( F_1 )​, равной весу груза. Действуя на длинный конец рычага с силой ​( F_2 )​, человек поднимает груз. При этом сила ( F_1 )​ стремится повернуть рычаг по часовой стрелке, а груз ( F_2 ) — против часовой стрелки.

Плечом силы называют кратчайшее расстояние (перпендикуляр) от точки опоры до линии действия силы. Так, плечом силы ​( F_1 )​ является расстояние ОА ​( (l_1) )​, плечом силы ( F_2 ) — расстояние ОВ ( (l_2) ).

Из эксперимента следует, что рычаг находится в равновесии, если произведение силы, вращающей рычаг по часовой стрелке, и её плеча равно произведению силы, вращающей рычаг против часовой стрелки, и её плеча, т.е. ​( F_1l_1=F_2l_2 )​. Произведение силы, действующей на рычаг, и её плеча называют моментом силы: ​( Fl=M )​. Соответственно, если рычаг находится в равновесии, то ​( M_1=M_2 )​.

Условие равновесия рычага можно записать по-другому:​( frac{F_1}{F_2}=frac{l_2}{l_1} )​. Это равенство означает, что рычаг находится в равновесии, если силы, действующие на него, обратно пропорциональны их плечам. Оно называется условием равновесия рычага.

Рычаг другого типа вращается вокруг точки, находящейся на конце рычага. Примером такого рычага может служить тачка. Когда используется такой рычаг, то вес груза направлен вниз, а человек действует на свободный конец рычага с силой, направленной вверх. Для такого рычага также справедливо условие равновесия, приведенное выше.

3. При подъеме груза работа силы, действующей на груз, равна ​( A_1=F_1h_1 )​, работа силы, приложенной к другому концу рычага, равна ( A_2=F_2h_2 ). Рассмотрение треугольников AOC и BOD позволяет сделать вывод о том, что они подобны и ​( frac{AO}{BO}=frac{AC}{BD} )​ или ​( frac{l_1}{l_2}=frac{h_1}{h_2} ).​ Поскольку ​( F_1l_1=F_2l_2 )​, то ​( F_1h_1=F_2h_2 )​, т.е. ​( A_1=2 )​. Таким образом, рычаг, позволяя выиграть в силе, не даёт выигрыша в работе.

4. Ещё одним простым механизмом является блок. Блок — это колесо с желобом, по которому пропускается трос и которое может вращаться относительно оси О (см. рис. ниже).

Если ось блока закреплена, то блок не перемещается, и он называется неподвижным.

Неподвижный блок можно рассматривать как рычаг, вращающийся вокруг точки, лежащей посередине рычага. Плечи такого рычага равны друг другу: OA = OB. В соответствии с условием равновесия рычага приложенные к блоку силы тоже равны: ​( P=F )​. Следовательно, неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, но он позволяет поднимать груз, прикладывая силу, направленную не вверх, а вниз, что облегчает перемещение груза.

Чтобы получить выигрыш в силе используют подвижный блок (рис. 53). К нему непосредственно прикрепляется груз, один конец троса закрепляется, а к другому прикладывают силу и, таким образом, перебирая трос, поднимают блок с грузом.

В этом случае точкой вращения блока является точка А (см. рис. 52).

Плечи действующих сил равны соответственно: AO и AB, при этом AB = 2AO. В соответствии с условием равновесия рычага: ​( P=2F )​. Таким образом, подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза: ​( F=P/2 )​.

Измерив расстояние ​( h_1 )​, которое проходит груз, и расстояние ​( h_2 )​, на которое перемещается конец троса, можно обнаружить, что расстояние ​( h_2=2h_1 )​. Таким образом, подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза и в 2 раза проигрыш в пути. Соответственно, работа ​( Ph_1=Fh_2 )​, т.е. ​( A_1=2 )​. Подвижный блок, так же как и рычаг, не даёт выигрыша в работе.

5. Наклонная плоскость используется в том случае, если нужно поднять объемный тяжёлый груз на какую-либо высоту (рис. 54).

Например, нужно погрузить ящик с металлическими деталями в кузов грузовика. В этом случае кладут массивную доску так, что она образует наклонную плоскость, один конец которой находится на земле, а другой на грузовике, и по этой плоскости втаскивают ящик. Чтобы поднять ящик вертикально вверх нужно приложить к нему силу, равную его весу ​( P )​. Перемещая равномерно ящик по наклонной плоскости, в отсутствие трения прикладывают силу, равную ​( F=Psinalpha )​, т.е. меньшую веса ящика, но при этом, выигрывая в силе, проигрывают в расстоянии. Работа по подъёму ящика по вертикали равна работе, совершаемой при его перемещении вдоль наклонной плоскости. Это справедливо, если сила сопротивления движению пренебрежимо мала. При наличии трения перемещение ящика вдоль наклонной плоскости требует совершения большей работы, чем при его движении вертикально вверх. В этом случае говорят о коэффициенте полезного действия (КПД) наклонной плоскости. Он равен отношению полезной работы ко всей совершённой работе: ​( mathbf{КПД}=A_п/A_сcdot 100 % )​, где ​( A_п )​ — полезная работа, ​( A_п=mgh )​; ​( A_с )​ — совершённая работа при перемещении ящика вдоль наклонной плоскости, ​( A_c=Fl )​, где ​( F )​ — приложенная сила, ​( l )​ — длина наклонной плоскости.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Исследуя условия равновесия рычага, ученик выполнил соответствующую лабораторную работу. В таблице представлены значения сил и их плеч для рычага, находящегося в равновесии. Определите, чему равно плечо ​( l_1 )​?

1) 12,8 м
2) 2,5 м
3) 0,8 м
4) 0,25 м

2. Ученик выполнял лабораторную работу по исследованию условий равновесия рычага. Результаты для сил и их плеч, которые он получил, представлены в таблице.

Чему равна сила ​( F_1 )​, если рычаг находится в равновесии?

1) 100 Н
2) 50 Н
3) 25 Н
4) 9 Н

3. Рычаг находится в равновесии под действием двух сил. Сила ​( F_1 )​ = 6 Н. Чему равна сила ( F_2 ), если длина рычага 50 см, а плечо силы ( F_1 ) равно 30 см?

1) 0,1 Н
2) 3,6 Н
3) 9 Н
4) 12 Н

4. Выигрыш в силе, приложенной к грузу, нельзя получить с помощью

1) подвижного блока
2) неподвижного блока
3) рычага
4) наклонной плоскости

5. С помощью неподвижного блока в отсутствие трения силе

1) выигрывают в 2 раза
2) не выигрывают, но и не проигрывают
3) проигрывают в 2 раза
4) возможен и выигрыш, и проигрыш

6. С помощью подвижного блока в отсутствие трения

1) выигрывают в работе в 2 раза
2) проигрывают в силе в 2 раза
3) не выигрывают в силе
4) выигрывают в силе в 2 раза

7. На рисунке изображён неподвижный блок, с помощью которого, прикладывая к свободному концу нити силу 20 Н, равномерно поднимают груз. Если трением пренебречь, то масса поднимаемого груза равна

1) 4 кг
2) 2 кг
3) 0,5 кг
4) 1 кг

8. Наклонная плоскость даёт выигрыш в силе в 2 раза. В работе при отсутствии силы трения эта плоскость

1) даёт выигрыш в 2 раза
2) даёт выигрыш в 4 раза
3) не даёт ни выигрыша, ни проигрыша
4) даёт проигрыш в 2 раза

9. Вдоль наклонной плоскости длиной 5 м поднимают груз массой 40 кг, прикладывая силу 160 Н. Чему равна высота наклонной плоскости, если трение при движении груза пренебрежимо мало?

1) 1,25 м
2) 2 м
3) 12,5 м
4) 20 м

10. Груз массой 10 кг поднимают по наклонной плоскости длиной 2 м и высотой 0,5 м, прикладывая силу 40 Н. Чему равен КПД наклонной плоскости?

1) 160%
2) 62,5%
3) 16%
4) 6,25%

11. Груз поднимают с помощью подвижного блока радиусом ​( R )​ (см. рисунок). Установите соответствие между физическими величинами (левый столбец) и формулами, по которым они определяются (правый столбец).

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
A) плечо силы ​( vec{F}_1 )​ относительно точки A
Б) плечо силы ( vec{F}_2 ) относительно точки A
B) момент силы ( vec{F}_1 ) относительно точки A

ФОРМУЛЫ
1) ​( F_1R )​
2) ( 2F_1R )
3) ( frac{F_1}{R} )
4) ​( R )​
5) ​( 2R )​

12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Любой простой механизм даёт выигрыш в силе.
2) Ни один простой механизм не даёт выигрыша в работе.
3) Наклонная плоскость выигрыша в силе не даёт.
4) Коэффициент полезного действия показывает, какая часть совершенной работы является полезной.
5) Неподвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза.

Часть 2

13. Чему равна сила, с которой действуют на брусок массой 0,2 кг, перемещая его по наклонной плоскости длиной 1,6 м и высотой 0,4 м, если КПД наклонной плоскости 80%.

Ответы

1. Почему полезная работа, которую должен выполнить механизм, всегда меньше полной – той, которую он совершает на практике:
а) потому что при расчёте полезной работы механизма не учитывается трение, а также его собственный вес +
б) потому что прилагают к механизму силу, большую, чем надо
в) потому что действует «золотое правило» механики

2. Коэффициентом полезного действия механизма называют:
а) разность полной работы и полезной
б) отношение полезной работы к полной +
в) отношение путей, пройденных точками приложения сил, действующих на механизм

3. КПД механизма вычисляют по формуле:
а) N = A/t
б) F1/F2 = l2/l1
в) η = AП/AЗ +

4. Поднимая с помощью подвижного и неподвижного блоков ящик массой 18 кг на высоту 5 м, вытянули часть каната длиной 10 м. При этом действовали силой F = 100 Н. Каков КПД этой системы блоков:
а) 90% +
б) 9%
в) 94%

5. По наклонной плоскости (h = 3 м и l = 12 м) подняли груз массой 40 кг, действуя на него силой F = 120 Н. Найдите КПД наклонной плоскости:
а) 89%
б) 80%
в) 83% +

6. Валун массой 120 кг приподняли рычагом, плечи которого относятся как 1 : 2, на 10 см. Модуль приложенной силы F = 650 Н. Каков КПД рычага в этом случае:
а) 91,5%
б) 92,3% +
в) 90%

7. Определяя КПД одного и того же механизма, ученики получили разные его значения: 85% (№ 1), 95% (№ 2), 102% (№ 3), 98% (№ 4). О каком из этих значений можно сразу же сказать, что оно ошибочно:
а) №2
б) №1
в) №3 +

8. Характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии:
а) коэффициент полезного действия +
б) коэффициент полезной работы
в) коэффициент полезных свойств

9. Какая физическая величина характеризует экономичность двигателя:
а) мощность
б) произведенная двигателем механическая работа
в) коэффициент полезного действия +

10. Коэффициент полезного действия – это физическая величина, равная:
а) совершенной двигателем полезной работе
б) отношению произведенной двигателем полезной работы к полученной от нагревателя энергии
в) количеству теплоты, выделенной при сгорании топлива

11. Определите КПД двигателя внутреннего сгорания, который производит 46 • 10 в шестой степени Дж полезной работы, затрачивая 3 кг бензина:
а) 33,3% +
б) 30%
в) 35%

12. Сколько дров придется сжечь в топке парового котла, чтобы турбина, коэффициент полезного действия которой 32%, произвела 3,2 • 10 в восьмой степени Дж полезной работы:
а) 10 кг
б) 100 кг +
в) 200 кг

13. Почему (указать главную причину) КПД теплового двигателя не может быть равен 100%:
а) потому что пар (газ) отдает в тепловом двигателе только часть своей внутренней энергии и должен быть отведен в холодильник, чтобы новая порция пара, могла произвести работу
б) потому что всегда существует трение в движущихся деталях двигателя
в) потому что часть количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива, теряется – передается окружающим нагреватель телам

14. Трубоукладчик равномерно опускает в траншею газовую трубу массой 120 кг на глубину 1,5 м. Благодаря использованию подвижного и неподвижного блоков трос, на котором удерживаются трубы, натянут с силой 640 Н и опущен на 3 м. Какова полезная работа трубоукладчика:
а) 1 900 Дж
б) 1 600 Дж
в) 1 800 Дж +

15. Трубоукладчик равномерно опускает в траншею газовую трубу массой 120 кг на глубину 1,5 м. Благодаря использованию подвижного и неподвижного блоков трос, на котором удерживаются трубы, натянут с силой 640 Н и опущен на 3 м. Вычислите КПД блоков трубоукладчика:
а) 94% +
б) 90%
в) 91%

16. Неподвижным блоком равномерно поднимают груз массой 72 кг на высоту 2 м, затрачивая работу 1600 Дж. Вычислите КПД блока. Считайте g = 10 м/с2 (10 Н/кг):
а) 96%
б) 90% +
в) 94%

17. Выполняя лабораторную работу по определению КПД наклонной плоскости, ученик измерил длину наклонной плоскости (l = 90 см) и ее высоту (h = 30 см). После этого он груз весом 3 Н переместил по наклонной плоскости, действуя силой 2 Н. Вычислите полезную работу:
а) 1,9 Дж
б) 2 Дж
в) 0,9 Дж +

18. Выполняя лабораторную работу по определению КПД наклонной плоскости, ученик измерил длину наклонной плоскости (l = 90 см) и ее высоту (h = 30 см). После этого он груз весом 3 Н переместил по наклонной плоскости, действуя силой 2 Н. Вычислите полную работу:
а) 2,8 Дж
б) 1,8 Дж +
в) 0,8 Дж

19. Выполняя лабораторную работу по определению КПД наклонной плоскости, ученик измерил длину наклонной плоскости (l = 90 см) и ее высоту (h = 30 см). После этого он груз весом 3 Н переместил по наклонной плоскости, действуя силой 2 Н. Каков КПД наклонной плоскости:
а) 25%
б) 30%
в) 50% +

20. Трубоукладчик равномерно опускает в траншею газовую трубу массой 120 кг на глубину 1,5 м. Благодаря использованию подвижного и неподвижного блоков трос, на котором удерживаются трубы, натянут с силой 640 Н и опущен на 3 м. Вычислите вес трубы. Считайте g = 10 м/с2 (10 Н/кг):
а) 1 300 Н
б) 1 200 Н +
в) 1 000 Н

21. Трубоукладчик равномерно опускает в траншею газовую трубу массой 120 кг на глубину 1,5 м. Благодаря использованию подвижного и неподвижного блоков трос, на котором удерживаются трубы, натянут с силой 640 Н и опущен на 3 м. Какова полная работа трубоукладчика:
а) 1 920 Дж +
б) 1 820 Дж
в) 192 Дж

22. При равномерном перемещении груза массой 40 кг, подвешенного к короткому плечу рычага, к длинному плечу приложили силу 250 Н. При этом груз поднялся на высоту 50 см, а точка приложения силы опустилась на 1 м. Каков вес поднятого груза:
а) 200 Н
б) 400 Н +
в) 4 000 Н

23. При равномерном перемещении груза массой 40 кг, подвешенного к короткому плечу рычага, к длинному плечу приложили силу 250 Н. При этом груз поднялся на высоту 50 см, а точка приложения силы опустилась на 1 м. Какова полезная работа:
а) 2 000 Дж
б) 400 Дж
в) 200 Дж +

24. При равномерном перемещении груза массой 40 кг, подвешенного к короткому плечу рычага, к длинному плечу приложили силу 250 Н. При этом груз поднялся на высоту 50 см, а точка приложения силы опустилась на 1 м. Вычислите полную работу:
а) 500 Дж
б) 250 Дж +
в) 2 500 Дж

25. При равномерном перемещении груза массой 40 кг, подвешенного к короткому плечу рычага, к длинному плечу приложили силу 250 Н. При этом груз поднялся на высоту 50 см, а точка приложения силы опустилась на 1 м. Вычислите КПД рычага:
а) 60%
б) 70%
в) 80% +

26. Идеальная тепловая машина Карно имеет КПД 40%. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 800 Вт. Какое количество теплоты получает рабочее тело от нагревателя за 20 с:
а) 25 мДж
б) 26,7 кДж +
в) 400 Дж

27. Тепловая машина с КПД 50% за цикл работы отдает холодильнику 100 Дж. Какое количество теплоты за цикл машина получает от нагревателя:
а) 200 Дж +
б) 250 Дж
в) 150 Дж

28. Температура нагревателя идеальной тепловой машины 425 К, а температура холодильника 300 К. Двигатель получил от нагревателя количество теплоты 40 кДж. Какую работу совершило рабочее тело (кДж):
а) 18
б) 15
в) 12 +

29. Тепловая машина с КПД 50% за цикл работы продолжительностью 10 с получает от нагревателя 500 Дж. Какова средняя мощность, с которой теплота передаётся холодильнику:
а) 25 +
б) 20
в) 15

30. В тепловой машине температура нагревателя 600 K, температура холодильника на 200 K меньше, чем у нагревателя. Максимально возможный КПД машины равен:
а) 1/3
б) 2/3 +
в) ¾

Иметь представление о мощности при прямолинейном и кри­волинейном перемещениях, о мощности полезной и затраченной, о коэффициенте полезного действия.

Знать зависимости для определения мощности при поступа­тельном и вращательном движениях, КПД.

Уметь рассчитать мощность с учетом потерь на трение и сил инерции.

Мощность

Для характеристики работоспособности и быстроты совершения работы введено понятие мощности.

Мощность — работа, выполненная в единицу времени:

Единицы измерения мощности: ватты, киловатты,

Мощность при поступательном движении (рис. 16.1)

Учитывая, что S/t = vcp, полу­чим

где F — модуль силы, действующей на тело; vср — средняя скорость движения тела.

Средняя мощность при поступательном движении равна про­изведению модуля силы на среднюю скорость перемещения и на ко­синус угла между направлениями силы и скорости.

Мощность при вращении (рис. 16.2)

Тело движется по дуге радиуса r из точки М1 в точку M2

Работа силы:

где Мвр — вращающий момент.

Учитывая, что

получим

где ωcp — средняя угловая скорость.

Мощность силы при вращении равна произведению вращающего момента на среднюю угловую скорость.

Если при выполнении работы усилие машины и скорость дви­жения меняются, можно определить мощность в любой момент вре­мени, зная значения усилия и скорости в данный момент.

Коэффициент полезного действия

Каждая машина и механизм, совершая работу, тратит часть энергии на преодоление вредных сопротивлений. Таким образом, машина (механизм) кроме полезной работы со­вершает еще и дополнительную работу.

Отношение полезной работы к полной работе или полезной мощ­ности ко всей затраченной мощности называется коэффициентом по­лезного действия (КПД):

Полезная работа (мощность) расходуется на движение с задан­ной скоростью и определяется по формулам:

Затраченная мощность больше полезной на величину мощности, идущей на преодоление трения в звеньях машины, на утечки и тому подобные потери.

Чем выше КПД, тем совершеннее машина.

Примеры решения задач

Пример 1. Определить потребную мощность мотора лебедки для подъема груза весом 3 кН на высоту 10 м за 2,5 с (рис. 16.3). КПД механизма лебедки 0,75.

Решение

1. Мощность мотора используется на подъем груза с заданной скоростью и преодоление вредных сопротивлений механизма лебедки.

Полезная мощность определяется по формуле

Р = Fv cos α.

В данном случае α = 0; груз движется поступательно.

2. Скорость подъема груза

3. Необходимое усилие равно весу груза (равномерный подъем).

6. Полезная мощность Р = 3000 • 4 = 12 000 Вт.

7. Полная мощность. затрачиваемая мотором,

Пример 2. Судно движется со скоростью 56 км/ч (рис. 16.4). Двигатель развивает мощность 1200 кВт. Определить силу сопротивления во­ды движению судна. КПД машины 0,4.

Решение

1. Определяем полезную мощность, используемую на движение с заданной скоростью:

2. По формуле для полезной мощности можно определить движущую силу судна с учетом условия α = 0. При равномерном дви­жении движущая сила равна силе сопротивления воды:

Fдв = Fcопр.

3. Скорость движения судна v = 36 * 1000/3600 = 10 м/с

4. Сила сопротивления воды

Сила сопротивления воды движению судна

Fcопр. = 48 кН

Пример 3. Точильный камень прижимается к обрабатываемой детали с силой 1,5 кН (рис. 16.5). Какая мощ­ность затрачивается на обработку детали, если коэффициент трения материала камня о деталь 0,28; деталь вращается со скоростью 100 об/мин, диаметр детали 60 мм.

Решение

1. Резание осуществляется за счет трения между точильным камнем и обрабатываемой деталью:

Пример 4. Для того чтобы поднять волоком по наклонной плоскости на высоту H = 10 м станину массой т == 500 кг, воспользовались электрической лебедкой (рис. 1.64). Вращающий момент на выходном барабане лебедки М = 250 Н-м. Ба­рабан равномерно вращается с частотой п = 30 об/мин. Для подъема станины лебедка ра­ботала в течение t = 2 мин. Определить коэффициент по­лезного действия наклонной плоскости.

Решение

Как известно,

где Ап.с. — полезная работа; Адв — работа движущих сил.

В рассматриваемом примере полезная работа — работа силы тяжести

Вычислим работу движущих сил, т. е. работу вра­щающего момента на выходном валу лебедки:

Угол поворота барабана лебедки определяется по уравнению равномерного вращения:

где

Тогда

Подставив в выражение работы движущих сил число­вые значения вращающего момента М и угла поворота φ, получим:

Коэффициент полезного действия наклонной плоскости составит

Контрольные вопросы и задания

1. Запишите формулы для расчета работы при поступательном и вращательном движениях.

2. Вагон массой 1000 кг перемещают по горизонтальному пути на 5 м, коэффициент трения 0,15. Определите работу силы тяжести.

3. Колодочным тормозом останавливают барабан после отклю­чения двигателя (рис. 16.6). Определите работу торможения за 3 обо­рота, если сила прижатия колодок к барабану 1 кН, коэффициент трения 0,3.

4. Натяжение ветвей ременной передачи S1 = 700 Н, S2 = 300 Н (рис. 16.7). Определите вращающий момент передачи.

5. Запишите формулы для расчета мощности при поступатель­ном и вращательном движениях.

6. Определите мощность, необходимую для подъема груза весом 0,5 кН на высоту 10 м за 1 мин.

7. Определите общий КПД механизма, если при мощности дви­гателя 12,5 кВт и общей силе сопротивления движению 2 кН ско­рость движения 5 м/с.

8. Ответьте на вопросы тестового задания.

Тема 1.14. Динамика. Работа и мощность

ЛЕКЦИЯ 17