Как можно увеличить коэффициент полезного действия подвижного блока

Какие бывают блоки

Блоки и системы блоков были известны человечеству с античных времен. Они служили для подъема грузов на высоту или перемещения грузов. Блоки выполняют важную задачу — изменяют направление действия силы и дают выигрыш в силе.

Блок — это простой механизм, который используют для преобразования силы.

Различают подвижный и неподвижный блоки.

Неподвижный блок представляет собой диск, который вращается вокруг своей оси, и имеет желоб по окружности. Желоб предназначен для скольжения в нем цепи, ремня, каната и т.д. У неподвижного блока ось закреплена, и при подъеме грузов не поднимается и не опускается. 

Неподвижный блок можно представить в виде равноплечего рычага, у которого плечи сил равны радиусу колеса. Поэтому неподвижный блок не дает выигрыша в силе, а лишь позволяет менять направление действия силы.

Подвижный блок представляет собой диск, ось которого перемещается вместе с грузом. Можно представить в виде рычага с плечами разной длины. Подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза и проигрыш в расстоянии так же в два раза. При использовании подвижного блока, нужно приложить в два раза меньше силы для подъема груза, но нить, к которой подвешен груз, должна быть в два раза длиннее. 

Для увеличения эффективности используют системы блоков.

Устройство и принцип работы полиспаста

Полиспаст — это система блоков, в которой неподвижные и подвижные блоки соединены попарно и огибаются общей нитью (тросом, веревкой, цепью).

Полиспаст состоит из двух элементов:

1. Шкив — это блок, металлическое колесо, которое по внешнему краю имеет желоб для нити. Для легкого вращения шкива используют роликовые подшипники.
2. Гибкая связь — это нить (трос, цепь), которая огибает шкивы.

Как работает простая конструкция блоков

Принцип действия полиспаста основан на правиле рычага.

Неподвижный блок в полиспасте крепится к опоре и изменяет направление приложения силы, подвижный блок находится на стороне груза и дает выигрыш в силе. Массу груза поднимают, прилагая силу к нити, длина которой прямо пропорциональна выигрышу в силе. 

Виды полиспастов

По предназначению полиспасты делятся на: 

1. Силовые полиспасты — дают максимальный выигрыш в силе. Но выигрыш в силе дает проигрыш в расстоянии. Например, чтобы поднять груз и выиграть в силе в 6 раз, на каждый метр поднятия груза, нужно натянуть 6 метров веревки. Это замедляет действие системы, потеря в скорости также будет в 6 раз.
2. Скоростные полиспасты — инвертируемые силовые. Груз крепится к неподвижному блоку, а силу прилагают к подвижному. Затрачивается больше силы, и пропорционально увеличивается скорость поднятия груза.

На рисунке а) силовой полиспаст, б) скоростной.

В зависимости от сложности механизма, различаются:

1. Простой полиспаст — представляет собой систему последовательно соединенных роликов. Все подвижные и неподвижные блоки, а также сам груз объединяются одной нитью.
2. Сложный полиспаст — является системой полиспастов. Последовательно соединяются не отдельные блоки, а целые комбинации, которые вполне могут использоваться сами по себе. В этом случае один механизм приводит в движение другой подобный поочередно.
3. Отличительная черта комплексного полиспаста — независимые ролики, движущиеся навстречу грузу. В состав комплексной модели могут входить как простые, так и сложные полиспасты.

Что влияет на эффективность подъемника

Главной характеристикой эффективности полиспаста считается его кратность.

Кратность показывает на сколько ветвей нити распределена тяжесть груза, и указывает какой выигрыш в силе дает полиспаст.

Кратность делится на: 

1. Силовую — рассчитывается с учетом преодоления нитью силы трения и не идеальным КПД роликов.
2. Кинетическую — равна количеству перегибов нити.

На эффективность полиспаста влияет:

• количество блоков;
• материал и вес нити;
• диаметр и длина нити;
• угол между канатом и средней плоскостью ролика;
• тип подшипников;
• отсутствие дефектов нити;
• скольжение всех элементов.

Как можно увеличить КПД, формула в физике

Расчет полиспаста

Для расчета выводят уравнение моментов для блока относительно оси:

(Sсбег;R;=;Sнабег;R;+;q;Sнабег;R;+;Nfr)

Где:

• Sсбег — усилие со стороны сбегающей нити;
• Sнабег — усилие со стороны набегающей нити;
• q Sнабег — усилие для сгибания нити с учетом жесткости q;
• Nf — сила трения в блоке, с учетом коэффициента трения f.

Для определения момента все силы умножаются на плече (R или r):

• R — радиус блока;
• r — радиус втулки.

Вычисляя воздействие на ось блока, часто пренебрегают силой разгибания блока. Формула получает вид:

(N;=;2;Sнабег;times;sin;alpha)

Где:

• N — воздействие на ось блока;
• α — угол отклонения от оси.

Подставив это соотношение в вышеприведенное определение моментов получим:

 (S_{сбег};=;S_{набег};(1;+;q;+;2ffrac dD;sin ɑ))

Где:

• D — диаметр блока;
• d — диаметр оси блока.

Вычисление КПД полиспаста

Коэффициент полезного действия блока (КПД блока) — это отношение полезной работы к полной работе с учетом потерь на трение и жесткости нити.

Формула для расчета КПД блока (ηб):(eta б;=;frac{S_{набег}}{S_{сбег}};=;frac1{1;+;q;+;2f;sin;ɑ;times;{displaystylefrac dD}}

)Где:

• D — диаметр блока;
• d — диаметр оси блока;
• q — коэффициент жесткости нити;
• f — коэффициент трения;
• α — угол отклонения от оси.

 КПД полиспаста определяется по формуле:(eta б;=;frac{1;+;eta;+;eta^2;+;eta^{a-1}}atimeseta^t

)Где:

• a — кратность полиспаста;
• t — число отклоняющих блоков.

В таблице представлены КПД полиспаста, при разной кратности и КПД блока.

Как сделать полиспаст своими руками

 Для изготовления простого двукратного полиспаста потребуются:

• 2 ролика;
• подшипники;
• 2 втулки;
• нить;
• 2 обоймы для блоков;
• крюк для подвеса груза.

 Этапы работы:

1. Соединить ролики, втулку и подшипники в обойму, таким образом получить два блока.
2. Пропустить нить в первый блок.
3. Прикрепить первый блок к неподвижной опоре.
4. Пропустить нить через второй блок.
5. Прикрепить ко второму блоку крюк.
6. Зафиксировать свободный конец нити.
7. Прикрепить груз к крюку.

Трактовка понятия

Электродвигатель и другие механизмы выполняют определённую работу, которая называется полезной. Устройство, функционируя, частично растрачивает энергию. Для определения эффективности работы применяется формула ɳ= А1/А2×100%, где:

• А1 — полезная работу, которую выполняет машина либо мотор;
• А2 — общий цикл работы;
• η – обозначение КПД.

Показатель измеряется в процентах. Для нахождения коэффициента в математике используется следующая формула: η= А/Q, где А — энергия либо полезная работа, а Q — затраченная энергия. Чтобы выразить значение в процентах, КПД умножается на 100%. Действие не несёт содержательного смысла, так как 100% = 1. Для источника тока КПД меньше единицы.

В старших классах ученики решают задачи, в которых нужно найти КПД тепловых двигателей. Понятие трактуется следующим образом: отношение выполненной работы силового агрегата к энергии, полученной от нагревателя. Расчет производится по следующей формуле: η= (Q1-Q2)/Q1, где:

• Q1 — теплота, полученная от нагревательного элемента;
• Q2 — теплота, отданная холодильной установке.

Максимальное значение показателя характерно для циклической машины. Она оперирует при заданных температурах нагревательного элемента (Т1) и холодильника (Т2). Измерение осуществляется по формуле: η= (Т1-Т2)/Т1. Чтобы узнать КПД котла, который функционирует на органическом топливе, используется низшая теплота сгорания.

Плюс теплового насоса как нагревательного прибора заключается в возможности получать больше энергии, чем он может затратить на функционирование. Показатель трансформации вычисляется путём деления тепла конденсации на работу, затрачиваемую на выполнение данного процесса.

Мощность разных устройств

По статистике, во время работы прибора теряется до 25% энергии. При функционировании двигателя внутреннего сгорания топливо сгорает частично. Небольшой процент вылетает в выхлопную трубу. При запуске бензиновый мотор греет себя и составные элементы. На потерю уходит до 35% от общей мощности.

При движении механизмов происходит трение. Для его ослабления используется смазка. Но она неспособна полностью устранить явление, поэтому затрачивается до 20% энергии. Пример на автомобиле: если расход составляет 10 литров топлива на 100 км, на движение потребуется 2 л, а остаток, равный 8 л — потеря.

Если сравнивать КПД бензинового и дизельного моторов, полезная мощность первого механизма равна 25%, а второго — 40%. Агрегаты схожи между собой, но у них разные виды смесеобразования:

1. Поршни бензинового мотора функционируют на высоких температурах, поэтому нуждаются в хорошем охлаждении. Тепло, которое могло бы перейти в механическую энергию, тратится впустую, что способствует снижению КПД.
2. В цепи дизельного устройства топливо воспламеняется в процессе сжатия. На основе данного фактора можно сделать вывод, что давление в цилиндрах высокое, при этом мотор экологичнее и меньше первого аналога. Если проверить КПД при низком функционировании и большом объёме, результат превысит 50%.

Асинхронные механизмы

Расшифровка термина «асинхронность» — несовпадение по времени. Понятие используется во многих современных машинах, которые являются электрическими и способны преобразовывать соответствующую энергию в механическую. Плюсы устройств:

• простое изготовление;
• низкая цена;
• надёжность;
• незначительные эксплуатационные затраты.

Чтобы рассчитать КПД, используется уравнение η = P2 / P1. Для расчёта Р1 и Р2 применяются общие данные потери энергии в обмотках мотора. У большинства агрегатов показатель находится в пределах 80−90%. Для быстрого расчёта используется онлайн-ресурс либо личный калькулятор. Для проверки возможного КПД у мотора внешнего сгорания, который функционирует от разных источников тепла, используется силовой агрегат Стирлинга. Он представлен в виде тепловой машины с рабочим телом в виде жидкости либо газа. Вещество движется по замкнутому объёму.

Принцип его функционирования основан на постепенном нагреве и охлаждении объекта за счёт извлечения энергии из давления. Подобный механизм применяется на косметическом аппарате и современной подводной лодке. Его работоспособность наблюдается при любой температуре. Он не нуждается в дополнительной системе для запуска. Его КПД возможно расширить до 70%, в отличие от стандартного мотора.

Значения показателя

В 1824 году инженер Карно дал определение КПД идеального двигателя, когда коэффициент равен 100%. Для трактовки понятия была создана специальная машина со следующей формулой: η=(T1 — Т2)/ T1. Для расчёта максимального показателя применяется уравнение КПД макс = (T1-T2)/T1x100%. В двух примерах T1 указывает на температуру нагревателя, а T2 — температуру холодильника.

На практике для достижения 100% коэффициента потребуется приравнять температуру охладителя к нулю. Подобное явление невозможно, так как T1 выше температуры воздуха. Процедура повышения КПД источника тока либо силового агрегата считается важной технической задачей. Теоретически проблема решается путём снижения трения элементов двигателя и уменьшения теплопотери. В дизельном моторе подобное достигается турбонаддувом. В таком случае КПД возрастает до 50%.

Мощность стандартного двигателя увеличивается следующими способами:

• подключение к системе многоцилиндрового агрегата;
• применение специального топлива;
• замена некоторых деталей;
• перенос места сжигания бензина.

КПД зависит от типа и конструкции мотора. Современные учёные утверждают, что будущее за электродвигателями. На практике работа, которую совершает любое устройство, превышает полезную, так как определённая её часть выполняется против трения. Если используется подвижный блок, совершается дополнительная работа: поднимается блок с верёвкой, преодолеваются силы трения в блоке.

Решение примеров

Задача 1. Поезд на скорости 54 км/ч развивает мощность 720 кВт. Нужно вычислить силу тяги силовых агрегатов. Решение: чтобы найти мощность, используется формула N=F x v. Если перевести скорость в единицу СИ, получится 15 м/с. Подставив данные в уравнение, определяется, что F равно 48 kН.

Задача 2. Масса транспортного средства соответствует 2200 кг. Машина, поднимаясь в гору под уклоном в 0,018, проходит расстояние 100 м. Скорость развивается до 32,4 км/ч, а коэффициент трения соответствует 0,04. Нужно определить среднюю мощность авто при движении. Решение: вычисляется средняя скорость — v/2. Чтобы определить силу тяги мотора, выполняется рисунок, на котором отображаются силы, воздействующие на машину:

• тяжесть — mg;
• реакция опоры — N;
• трение — Ftr;
• тяга — F.

Первая величина вычисляется по второму закону Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для ускорения используется уравнение a=v2/2S. Если подставить последние значение и воспользоваться cos, получится средняя мощность. Так как ускорение считается постоянной величиной и равно 9,8 м/с2, поэтому v= 9 м/с. Подставив данные в первую формулу, получится: N= 9,5 kBt.

При решении сложных задач по физике рекомендуется проверить соответствие предоставленных в условиях единиц измерения с международными стандартами. Если они отличаются, необходимости перевести данные с учётом СИ.