Любая машина или механизм, которые созданы человеком, призваны выполнять некоторую полезную работу. Для ее совершения следует затратить энергию. Вопрос соотношения затраченной и полезной работы рассмотрим на примере определения КПД рычага.
О рычаге
Рычагом называют любой простой механизм, который служит для преобразования силы по величине и направлению. Он состоит из балки и опоры, в общем случае имеет два плеча. На каждое из плеч оказывает действие сила. Обе силы стремятся повернуть плечи в противоположных направлениях. Поэтому одна из них всегда совершает работу против другой.
Рычаг позволяет выиграть в пути или в силе, при этом будет наблюдаться проигрыш в силе или в пути соответственно. Главная формула рычага, которая описывает равновесие его плеч, указана ниже:
F/R = dR/dF.
Здесь сила F совершает работу против веса груза R, действуя на плечо длиной dF. Груз находится на плече длиной dR. Формула отражает обратную пропорциональность между отношениями сил и плеч.
Следующий момент. Когда плечи начинают перемещаться, то одно из них поднимается на высоту h1, другое же опускается на высоту h2. Поскольку угол поворота плеч будет одинаковый, то, в отсутствие других сил, формулу выше можно переписать так:
F/R = h1/h2.
Дальше эта формула будет использоваться для определения КПД рычага.
КПД простого механизма
Напомним, что работой в физике называется величина, равная произведению силы на путь, в течение которого она действовала:
A = F * l.
КПД любого механизма характеризует эффективность его работы. Вычислить его можно по такой формуле:
КПД = Ап/Аз * 100%.
Где Ап — полезная работа, выполненная механизмом, Аз — работа, которую пришлось затратить.
Человечество на протяжении всей истории пытается создать механизмы, в которых бы Аз = Ап, но достичь этого равенства еще никому не удавалось. Затраченная работа всегда больше значения Ап.
Используя формулу для рычага, полученную в предыдущем пункте, можно записать формулу определения КПД рычага:
Ап = R * h1; Аз = F * h2;
КПД = Ап/Аз * 100% = R * h1/(F * h2) * 100%.
Если учесть соответствующее выражение для рычага, то может показаться, что КПД для него будет равен 100 %. Тем не менее это не так, поскольку постоянно существует трение в оси вращения и трение о воздух. В результате этих процессов затраченная работа частично расходуется на нагрев окружающей среды и деталей рычага, поэтому КПД механизма оказывается всегда меньше 100 %.
Задача на определение КПД
Предположим, что прилагаемая к рычагу сила F = 18 Н привела к подъему груза массой 3 кг на высоту 0,3 метра. Учитывая, что плечо приложения силы F опустилось при этом на 0,6 метра, вычислите КПД рычага.
Вычисляем полезную и затраченную работы:
Ап = R * h1 = m * g * h1 = 3 * 9,81 * 0,3 = 8,829 Дж;
Аз = F * h2 = 18 * 0,6 = 10,8 Дж.
Как видно, Аз > Ап. КПД рычага равен:
КПД = Ап/Аз * 100% = 8,829/10,8 * 100% = 81,75 %.
Увеличить это значение КПД можно, если применить смазку в оси вращения рычага.
В этой статье научимся определять КПД наклонной плоскости, блоков и рычагов. КПД неподвижного блока равен отношению полезной работы к затраченной, высоту подъема можно сократить:
Подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза, поэтому для негоКПД рычага равен, аналогично, отношению полезной работы к затраченной:
КПД наклонной плоскости равен:
И по-прежнему это то же отношение полезной работы к затраченной.
Задача С помощью подвижного блока поднимают груз весом 400 Н на высоту 4 м, действуя на веревку с силой 220 Н. Чему равен КПД блока?
Так как блок по условию подвижный, то дает выигрыш в силе в 2 раза: Ответ: 91%.
Задача С помощью рычага груз массой 150 кг подняли на высоту 0,2 м. При этом к длинному плечу была приложена сила 600 Н, под действием которой конец этого плеча опустился на 0,6 м. Найдите КПД рычага.
Ответ: 83 % Задача 3. С помощью рычага, КПД которого 80%, подняли груз массой 120 кг на высоту 40 см. На какое` расстояние опустилось длинное плечо рычага, если к нему была приложена сила 500 Н?
КПД рычага: ОтсюдаОтвет: 1,2 м. Задача 4. Определить КПД наклонной плоскости при подъеме тела, если учащийся с помощью динамометра и линейки получил такие результаты: вес тела 1,4 Н; высота плоскости 0,2 м; длина плоскости 0,56 м; сила, приложенная к телу, 1 Н.
Ответ: 50%.
Задача Бетонную плиту объемом 0,5 м поднимают из воды с помощью подвижного блока. Какую силу необходимо прикладывать, когда плиту поднимают в воде и над поверхностью воды?
Плотность бетона равна кг/м.
Найдем массу бетонной плиты: кг. Вес плиты 11 кН. Поэтому, если блок подвижный, то достаточно развивать силу 5,5 кН, чтобы поднять эту плиту на воздухе с помощью подвижного блока. В воде нам будет помогать сила Архимеда:
Таким образом, в воде вес плиты станет меньше на 5000 Н и станет равен 6000 Н. Поэтому достаточно 3000 Н для подъема плиты в воде при помощи такого блока.
Ответ: 5,5 кН на воздухе, 3 кН в воде. Задача 6. По наклонной плоскости длиной 5 м и высотой 1,5 м поднимают равномерно груз массой 180 кг. Какую силу нужно приложить к грузу, если КПД плоскости 60%?
КПД наклонной плоскости равен: ОткудаОтвет: 6 кН.
Задача Какую работу необходимо совершить для подъема гранитной плиты объемом 4 м на высоту 2 м с помощью механизма с КПД 60%?
None Полная работа тогдаОтвет: 3467 Дж.
Задача С помощью подвижного блока поднимают груз массой 75 кг на высоту 10 м. КПД равен 60%. Определить полезную работу и силу, необходимую для подъема груза.
КПД подвижного блока:
ОтсюдаОтвет: Дж, Н.
Рычаг является простым механизмом, который в настоящее время широко используется в сложных машинах и механических системах. Принцип, согласно которому работает он, называется правилом рычага. Рассмотрим в статье, в чем суть этого правила, а также приведем формулу расчета КПД этого простого механизма.
Рычаг в физике
Говоря простыми словами, рычаг представляет собой балку с одной опорой, которая условно разделяет балку на два плеча. Оба плеча способны поворачиваться вокруг опоры за счет действия двух сил. Пример рычага показан ниже. Этот механизм используется с незапамятных времен для перемещения тяжелых грузов с помощью человеческой силы, а также для сообщения скорости телам, например в катапультах.
[custom_ads_shortcode1]
Что такое правило рычага?
Под этим правилом понимают соотношение между действующими на рычаг силами и соответствующими длинами плеч. Чтобы математически получить его, введем понятие момента силы. Под моментом силы понимают произведение модуля силы на величину плеча силы. Из статики известно, что если сумма моментов всех сил в системе равна нулю, то такая система вращаться не будет.
Рассмотрим, какие силы действуют на рычаг, изображенный выше. В первую очередь это внешняя сила F, которая стремится преодолеть силу R и повернуть рычаг по часовой стрелке. В свою очередь, сила R, которая называется нагрузочной, стремится повернуть плечо против часовой стрелки. Поскольку знак момента силы определяется направлением поворота системы вокруг оси вращения, то силы F и R создают моменты разного знака. В случае равенства нулю их суммы получаем:
R*dR — F*dF = 0 =>dR/dF = F/R
Это правило рычага, которое экспериментально обнаружил Архимед в III веке до н. э. Согласно данному правилу, чем большая сила приложена к меньшему плечу, тем меньшую силу следует приложить к большему плечу, чтобы система находилась в равновесии.
Когда рычаг совершает поворот вокруг опоры, то меньшее плечо проходит меньший путь (длину дуги), чем большее плечо. Однако такой поворот происходит, когда на большее плечо действует меньшая сила, чем на меньшее. Если dR<dF, тогда F<R, и мы получаем выигрыш в силе. Если же dR>dF, тогда F>R, и мы получаем выигрыш в пути.
Правило рычага, которое гласит, что любой выигрыш в пути ведет к пропорциональному проигрышу в силе и наоборот, также называется золотым правилом механики.
[custom_ads_shortcode2]
Коэффициент полезного действия механизма
Часто можно встретить задачи по физике, которые предполагают расчет КПД рычага. Под КПД любого механизма понимают отношения полезной и затраченной работ, то есть:
КПД = Ап/Аз*100 %
Как видно из равенства, величину КПД часто выражают в процентах. Применительно к случаю рычага получаем, что полезная работа связана с преодолением силы сопротивления R, которой может быть вес некоторого тела:
Ап = R*h
Где h — высота подъема плеча dR.
Затраченная работа связана с перемещением плеча dF при воздействии силы F. Она рассчитывается по формуле:
Аз = F*h
Где h — высота, на которую опустится плечо dF. Тогда для расчета КПД получаем формулу:
КПД = R*h /(F*h) *100 %
Несложно показать из геометрических соображений, что:
dF/dR = h/h
Это означает, что затраченная и полезная работы должны быть равны друг другу, и, как следствие, КПД рычага составит 100 %.
В действительности значение КПД всегда меньше 100 %, поскольку присутствуют различного рода силы трения (трение в воздухе, в оси вращения). В результате трения часть затраченной работы расходуется на нагрев деталей рычага, что приводит к снижению величины полезной работы.
Что такое рычаг? Правило рычага и значение его КПД на News4Auto.ru.
Наша жизнь состоит из будничных мелочей, которые так или иначе влияют на наше самочувствие, настроение и продуктивность. Не выспался — болит голова; выпил кофе, чтобы поправить ситуацию и взбодриться — стал раздражительным. Предусмотреть всё очень хочется, но никак не получается.
Да ещё и вокруг все, как заведённые, дают советы: глютен в хлебе — не подходи, убьёт; шоколадка в кармане — прямой путь к выпадению зубов. Мы собираем самые популярные вопросов о здоровье, питании, заболеваниях и даем на них ответы, которые позволят чуть лучше понимать, что полезно для здоровья.
Рычаг является простым механизмом, который в настоящее время широко используется в сложных машинах и механических системах. Принцип, согласно которому работает он, называется правилом рычага. Рассмотрим в статье, в чем суть этого правила, а также приведем формулу расчета КПД этого простого механизма.
[custom_ads_shortcode3]
Рычаг в физике
Говоря простыми словами, рычаг представляет собой балку с одной опорой, которая условно разделяет балку на два плеча. Оба плеча способны поворачиваться вокруг опоры за счет действия двух сил. Пример рычага показан ниже. Этот механизм используется с незапамятных времен для перемещения тяжелых грузов с помощью человеческой силы, а также для сообщения скорости телам, например в катапультах.
[custom_ads_shortcode1]
Что такое правило рычага?
Под этим правилом понимают соотношение между действующими на рычаг силами и соответствующими длинами плеч. Чтобы математически получить его, введем понятие момента силы. Под моментом силы понимают произведение модуля силы на величину плеча силы. Из статики известно, что если сумма моментов всех сил в системе равна нулю, то такая система вращаться не будет.
Рассмотрим, какие силы действуют на рычаг, изображенный выше. В первую очередь это внешняя сила F, которая стремится преодолеть силу R и повернуть рычаг по часовой стрелке. В свою очередь, сила R, которая называется нагрузочной, стремится повернуть плечо против часовой стрелки. Поскольку знак момента силы определяется направлением поворота системы вокруг оси вращения, то силы F и R создают моменты разного знака. В случае равенства нулю их суммы получаем:
R*dR — F*dF = 0 =>dR/dF = F/R. Это правило рычага, которое экспериментально обнаружил Архимед в III веке до н. э. Согласно данному правилу, чем большая сила приложена к меньшему плечу, тем меньшую силу следует приложить к большему плечу, чтобы система находилась в равновесии.
Когда рычаг совершает поворот вокруг опоры, то меньшее плечо проходит меньший путь (длину дуги), чем большее плечо. Однако такой поворот происходит, когда на большее плечо действует меньшая сила, чем на меньшее. Если dRdF, тогда F>R, и мы получаем выигрыш в пути.
Правило рычага, которое гласит, что любой выигрыш в пути ведет к пропорциональному проигрышу в силе и наоборот, также называется золотым правилом механики.
[custom_ads_shortcode2]
Коэффициент полезного действия механизма
Часто можно встретить задачи по физике, которые предполагают расчет КПД рычага. Под КПД любого механизма понимают отношения полезной и затраченной работ, то есть:
КПД = Ап/Аз*100 %. Как видно из равенства, величину КПД часто выражают в процентах.
Применительно к случаю рычага получаем, что полезная работа связана с преодолением силы сопротивления R, которой может быть вес некоторого тела:
Ап = R*h1. Где h1 — высота подъема плеча dR.
Затраченная работа связана с перемещением плеча dF при воздействии силы F. Она рассчитывается по формуле:
Аз = F*h2. Где h2 — высота, на которую опустится плечо dF. Тогда для расчета КПД получаем формулу:
КПД = R*h1 /(F*h2) *100 %. Несложно показать из геометрических соображений, что:
dF/dR = h2/h1. Это означает, что затраченная и полезная работы должны быть равны друг другу, и, как следствие, КПД рычага составит 100 %.
В действительности значение КПД всегда меньше 100 %, поскольку присутствуют различного рода силы трения (трение в воздухе, в оси вращения). В результате трения часть затраченной работы расходуется на нагрев деталей рычага, что приводит к снижению величины полезной работы.
Источник: Navolne
Рычаг является простым механизмом, который в настоящее время широко используется в сложных машинах и механических системах. Принцип, согласно которому работает он, называется правилом рычага. Рассмотрим в статье, в чем суть этого правила, а также приведем формулу расчета КПД этого простого механизма.
[custom_ads_shortcode3]
Рычаг в физике
Говоря простыми словами, рычаг представляет собой балку с одной опорой, которая условно разделяет балку на два плеча. Оба плеча способны поворачиваться вокруг опоры за счет действия двух сил. Пример рычага показан ниже.
Этот механизм используется с незапамятных времен для перемещения тяжелых грузов с помощью человеческой силы, а также для сообщения скорости телам, например в катапультах.
[custom_ads_shortcode1]
Что такое правило рычага?
Под этим правилом понимают соотношение между действующими на рычаг силами и соответствующими длинами плеч. Чтобы математически получить его, введем понятие момента силы. Под моментом силы понимают произведение модуля силы на величину плеча силы. Из статики известно, что если сумма моментов всех сил в системе равна нулю, то такая система вращаться не будет.
Рассмотрим, какие силы действуют на рычаг, изображенный выше. В первую очередь это внешняя сила F, которая стремится преодолеть силу R и повернуть рычаг по часовой стрелке. В свою очередь, сила R, которая называется нагрузочной, стремится повернуть плечо против часовой стрелки.
Поскольку знак момента силы определяется направлением поворота системы вокруг оси вращения, то силы F и R создают моменты разного знака. В случае равенства нулю их суммы получаем:
R*dR – F*dF = 0 =>dR/dF = F/R
Это правило рычага, которое экспериментально обнаружил Архимед в III веке до н. э. Согласно данному правилу, чем большая сила приложена к меньшему плечу, тем меньшую силу следует приложить к большему плечу, чтобы система находилась в равновесии.
Когда рычаг совершает поворот вокруг опоры, то меньшее плечо проходит меньший путь (длину дуги), чем большее плечо. Однако такой поворот происходит, когда на большее плечо действует меньшая сила, чем на меньшее. Если dR<dF, тогда F<R, и мы получаем выигрыш в силе. Если же dR>dF, тогда F>R, и мы получаем выигрыш в пути.
Правило рычага, которое гласит, что любой выигрыш в пути ведет к пропорциональному проигрышу в силе и наоборот, также называется золотым правилом механики.
[custom_ads_shortcode2]
Коэффициент полезного действия механизма
Часто можно встретить задачи по физике, которые предполагают расчет КПД рычага. Под КПД любого механизма понимают отношения полезной и затраченной работ, то есть:
КПД = Ап/Аз*100 %
Как видно из равенства, величину КПД часто выражают в процентах. Применительно к случаю рычага получаем, что полезная работа связана с преодолением силы сопротивления R, которой может быть вес некоторого тела:
Ап = R*h
Где h – высота подъема плеча dR.
Затраченная работа связана с перемещением плеча dF при воздействии силы F. Она рассчитывается по формуле:
Аз = F*h
Где h – высота, на которую опустится плечо dF. Тогда для расчета КПД получаем формулу:
КПД = R*h /(F*h) *100 %
Несложно показать из геометрических соображений, что:
dF/dR = h/h
Это означает, что затраченная и полезная работы должны быть равны друг другу, и, как следствие, КПД рычага составит 100 %.
В действительности значение КПД всегда меньше 100 %, поскольку присутствуют различного рода силы трения (трение в воздухе, в оси вращения). В результате трения часть затраченной работы расходуется на нагрев деталей рычага, что приводит к снижению величины полезной работы.
Источники:
- easy-physic.ru
- news4auto.ru
- klevo.net
- www.syl.ru
КПД плоскости, блока, рычага
В этой статье научимся определять КПД наклонной плоскости, блоков и рычагов.
КПД неподвижного блока равен отношению полезной работы к затраченной, высоту подъема можно сократить:
Подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза, поэтому для него
КПД рычага равен, аналогично, отношению полезной работы к затраченной:
КПД наклонной плоскости равен:
И по-прежнему это то же отношение полезной работы к затраченной.
Задача 1.
С помощью подвижного блока поднимают груз весом 400 Н на высоту 4 м, действуя на веревку с силой 220 Н. Чему равен КПД блока?
Так как блок по условию подвижный, то дает выигрыш в силе в 2 раза:
Ответ: 91%.
Задача 2.
С помощью рычага груз массой 150 кг подняли на высоту 0,2 м. При этом к длинному плечу была приложена сила 600 Н, под действием которой конец этого плеча опустился на 0,6 м. Найдите КПД рычага.
Ответ: 83 %
Задача 3.
С помощью рычага, КПД которого 80%, подняли груз массой 120 кг на высоту 40 см. На какое` расстояние опустилось длинное плечо рычага, если к нему была приложена сила 500 Н?
КПД рычага:
Отсюда
Ответ: 1,2 м.
Задача 4.
Определить КПД наклонной плоскости при подъеме тела, если учащийся с помощью динамометра и линейки получил такие результаты: вес тела 1,4 Н; высота плоскости 0,2 м; длина плоскости 0,56 м; сила, приложенная к телу, 1 Н.
Ответ: 50%.
Задача 5.
Бетонную плиту объемом 0,5 м поднимают из воды с помощью подвижного блока. Какую силу необходимо прикладывать, когда плиту поднимают в воде и над поверхностью воды?
Плотность бетона равна кг/м.
Найдем массу бетонной плиты: кг. Вес плиты 11 кН. Поэтому, если блок подвижный, то достаточно развивать силу 5,5 кН, чтобы поднять эту плиту на воздухе с помощью подвижного блока. В воде нам будет помогать сила Архимеда:
Таким образом, в воде вес плиты станет меньше на 5000 Н и станет равен 6000 Н. Поэтому достаточно 3000 Н для подъема плиты в воде при помощи такого блока.
Ответ: 5,5 кН на воздухе, 3 кН в воде.
Задача 6.
По наклонной плоскости длиной 5 м и высотой 1,5 м поднимают равномерно груз массой 180 кг. Какую силу нужно приложить к грузу, если КПД плоскости 60%?
КПД наклонной плоскости равен:
Откуда
Ответ: 900 Н.
Задача 7.
Какую работу необходимо совершить для подъема гранитной плиты объемом 4 м на высоту 2 м с помощью механизма с КПД 60%?
Полезная работа равна
КПД механизма равен:
Полная работа тогда
Ответ: 347 кДж.
Задача 8.
С помощью подвижного блока поднимают груз массой 75 кг на высоту 10 м. КПД равен 60%. Определить полезную работу и силу, необходимую для подъема груза.
КПД подвижного блока:
Отсюда
Ответ: Дж, Н.
п.1. Полезная работа и затраченная работа
Полезной называется работа по подъёму грузов или преодолению какого-либо сопротивления.
Затраченной (полной) называется работа, совершённая приложенной силой.
Примеры полной и полезной работы
Затраченная работа равна сумме:
- полезной работы;
- работы против силы трения в различных частях механизма;
- работы по перемещению различных составных элементов механизма.
Поэтому всегда (A_text{полезная}lt A_text{затраченная})
п.2. КПД механизма
Коэффициент полезного действия механизма – это отношение его полезной работы к затраченной работе. $$ eta=frac{A_text{п}}{A_text{з}}cdot 100text{%} $$
Поскольку в реальных механизмах всегда (A_text{п}lt A_text{з}), $$ frac{A_text{п}}{A_text{з}}lt 1. $$
Следовательно КПД реальных механизмов (etalt 100text{%}).
Только в идеальном механизме, в котором нет потерь на трение, и все составные элементы не имеют веса, (A_text{п}=A_text{з}) и (eta=100text{%}).
КПД никогда не может быть выше (100text{%}).
КПД реальных механизмов можно увеличить за счет снижения трение в подвижных узлах и уменьшения веса всех составных элементов конструкции.
Для этого нужны новые смазочные вещества и лёгкие, но прочные конструкционные материалы.
п.3. Задачи
Задача 1. По наклонной плоскости поднимают груз массой 50 кг, прикладывая к нему силу 250 Н, направленную вдоль плоскости. Чему равен КПД плоскости, если её длина 10 м, а высота 3 м?
Дано:
(m=50 text{кг})
(gapprox 10 text{м/с}^2)
(F=250 text{Н})
(L=10 text{м})
(h=3 text{м})
__________________
(eta-?)
Полезная работа по подъему груза begin{gather*} A_text{п}=mgh. end{gather*} Затраченная работа на перемещение груза вдоль наклонной плоскости begin{gather*} A_text{з}=FL. end{gather*} КПД плоскости: begin{gather*} eta=frac{A_text{п}}{A_text{з}}cdot 100text{%}=frac{mgh}{FL}cdot 100text{%} end{gather*} Получаем: begin{gather*} eta=frac{50cdot 10cdot 3}{250cdot 10}cdot 100text{%}=60text{%} end{gather*} Ответ: 60%
Задача 2. С помощью подвижного блока поднимают груз массой 200 кг, прикладывая силу 1200 Н. Чему равен КПД блока?
Дано:
(m=200 text{кг})
(gapprox 10 text{м/с}^2)
(F=1200 text{Н})
__________________
(eta-?)
Полезная работа по подъему груза на высоту (h): begin{gather*} A_text{п}=mgh. end{gather*} Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза и проигрыш в расстоянии. Т.е. при работе нужно вытянуть трос длиной (2h). Затраченная работа: begin{gather*} A_text{з}=Fcdot 2h. end{gather*} КПД блока begin{gather*} eta=frac{A_text{п}}{A_text{з}}cdot 100text{%}=frac{mgh}{2Fh}cdot 100text{%}=frac{mg}{2F}cdot 100text{%} end{gather*} Получаем: begin{gather*} eta=frac{200cdot 10}{2cdot 1200}cdot 100text{%}approx 83,3text{%} end{gather*} Ответ: 83,3%
Задача 3. Груз массой 245 кг с помощью рычага равномерно подняли на высоту 6 см. При этом к длинному плечу рычага была приложена сила 500 Н, а точка приложения силы опустилась на 30 см. Найдите КПД рычага.
Дано:
(m=245 text{кг})
(gapprox 10 text{м/с}^2)
(h_2=6 text{см}=0,6 text{м})
(F_1=500 text{Н})
(h_1=30 text{см}=0,3 text{м})
__________________
(eta-?)
Полезная работа по подъему груза на высоту (h_2): begin{gather*} A_text{п}=mgh_2. end{gather*} Затраченная работа по опусканию длинного плеча рычага: begin{gather*} A_text{з}=F_1h_1. end{gather*} КПД рычага begin{gather*} eta=frac{A_text{п}}{A_text{з}}cdot 100text{%}=frac{mgh_2}{F_1h_1}cdot 100text{%} end{gather*} Получаем: begin{gather*} eta=frac{245cdot 10cdot 0,06}{500cdot 0,3}cdot 100text{%}=frac{147}{150}cdot 100text{%}=98text{%} end{gather*} Ответ: 98%
Задача 4. Чему равен КПД гидравлической машины, если для равномерного подъема груза массой 1,2 т к меньшему поршню прикладывают силу 160 Н? Площади поршней равны 5 см2 и 500 см2.
Дано:
(m=1,2 text{т}=1200 text{кг})
(gapprox 10 text{м/с}^2)
(F_1=160 text{Н})
(S_1=5 text{см}^2=5cdot 10^{-4} text{м}^2)
(S_2=500 text{см}^2=5cdot 10^{-2} text{м}^2)
__________________
(eta-?)
При опускании малого поршня на высоту (h_1) из малого в большой цилиндр вытекает объем жидкости равный $$ V=S_1h_1=S_2h_2Rightarrow frac{h_2}{h_1}=frac{S_1}{S_2} $$ Полезная работа по подъему груза на высоту (h_2): begin{gather*} A_text{п}=mgh_2. end{gather*} Затраченная работа по опусканию поршня малого цилиндра: begin{gather*} A_text{з}=F_1h_1. end{gather*} КПД гидравлической машины begin{gather*} eta=frac{A_text{п}}{A_text{з}}cdot 100text{%}=frac{mgh_2}{F_1h_1}cdot 100text{%}=frac{mgS_1}{F_1S_2}cdot 100text{%} end{gather*} Получаем: begin{gather*} eta=frac{1200cdot 10cdot 5cdot 10^{-4}}{160cdot 5cdot 10^{-2}}cdot 100text{%}=frac{600}{800}cdot 100text{%}=75text{%} end{gather*} Ответ: 75%
Задача 5*. Груз массой 12 кг поднимают с помощью подвижного блока массой 3 кг. Чему равен КПД блока?
Дано:
(M=12 text{кг})
(m=3 text{кг})
__________________
(eta-?)
Полезная работа по подъему груза на высоту (h): begin{gather*} A_text{п}=Mgh. end{gather*} Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза. Поэтому достаточно приложить силу, равную половине суммы весов груза и блока: begin{gather*} F=frac 12(M+m)g end{gather*} При этом будет проигрыш в расстоянии. Потребуется вытянуть трос длиной (2h). Затраченная работа, приложенная к тросу: begin{gather*} A_text{з}=Fcdot 2h=frac 12(M+m)gcdot 2h=(M+m)gh. end{gather*} КПД подвижного блока begin{gather*} eta=frac{A_text{п}}{A_text{з}}cdot 100text{%}=frac{Mgh}{(M+m)gh}cdot 100text{%}=frac{M}{M+m}cdot 100text{%} end{gather*} Получаем: begin{gather*} eta=frac{12}{12+3}cdot 100text{%}=80text{%} end{gather*} Ответ: 80%
Задача 6. Сколько воды можно поднять из колодца глубиной 36 м за 1 ч, если мощность электродвигателя равна 5 кВт, КПД всей установки равно 70%?
Дано:
(N=5 text{кВт}=5cdot 10^3 text{Вт})
(eta=70text{%}=0,7)
(h=36 text{м})
(t=1 text{ч}=3600 text{с})
(gapprox 10 text{м/с}^2)
__________________
(m-?)
Полезная работа по подъему груза на высоту (h): begin{gather*} A_text{п}=Mgh. end{gather*} Затраченная работа электродвигателя: begin{gather*} A_text{з}=Nt. end{gather*} КПД установки begin{gather*} eta=frac{A_text{п}}{A_text{з}}=frac{mgh}{Nt} end{gather*} Масса воды begin{gather*} m=frac{eta Nt}{gh} end{gather*} Получаем: begin{gather*} m=frac{0,7cdot 5cdot 10^3cdot 3600}{10cdot 36}=35cdot 10^3 (text{кг})=35 text{т} end{gather*} Ответ: 35 т
Задача 7*. КПД подвижного блока при подъеме первого груза равен 80%, а при подъеме второго груза – 90%. Масса какого груза больше и во сколько раз? Трением в блоке можно пренебречь.
Дано:
(eta_1=80text{%}=0,8)
(eta_2=90text{%}=0,9)
__________________
(frac{M_2}{M_1}-?)
КПД подвижного блока массой (m), с помощью которого поднимают груз массой (M) begin{gather*} eta=frac{M}{M+m} end{gather*} (см. Задачу 5 выше). Масса груза begin{gather*} eta(M+m)=MRightarrow eta m=(1-eta)MRightarrow M=frac{eta}{1-eta}m end{gather*} Получаем: begin{gather*} M_1=frac{0,8}{1-0,8}m=4m,\[6pt] M_2=frac{0,9}{1-0,9}m=9m end{gather*} Масса второго груза больше.
Отношение масс begin{gather*} frac{M_2}{M_1}=frac{9m}{4m}=2,25 (text{раз}) end{gather*} Ответ: масса второго груза больше в 2,25 раз
п.4. Лабораторная работа №13. Определение КПД наклонной плоскости
Цель работы
Научиться проводить измерения и рассчитывать КПД простого механизма на примере наклонной плоскости. Исследовать зависимость КПД наклонной плоскости от высоты.
Теоретические сведения
Работа по подъему тела весом (P) вертикально на высоту (h) (из точки C в точку B): $$ A_text{CB}=Ph $$
Работа по перемещению того же тела силой (F), направленной вдоль наклонной плоскости длиной (L) (из точки A в точку B): $$ A_text{AB}=FL $$
В обоих случаях тело перемещается с нулевого уровня AC, где (h_0=0), на уровень с высотой (h) в точку B. Работа сторонних сил в этом случае равна изменению потенциальной энергии тела: $$ A=A_text{CB}=A_text{AB}=Delta E_p $$
Получаем уравнение для идеальной наклонной плоскости (без трения): $$ Ph=FL $$
При наличии трения получаем неравенство: $$ Phlt FL $$
Полезная и затраченная работа для наклонной плоскости: $$ A_text{п}=Ph, A_text{з}=FL $$
КПД наклонной плоскости: $$ eta=frac{A_text{п}}{A_text{з}}cdot 100text{%}=frac{Ph}{FL}cdot 100text{%} $$
Затраченная работа равна сумме полезной работы и работы по преодолению силы трения: $$ A_text{з}=A_text{п}+F_text{тр}L $$
Откуда сила трения равна: $$ F_text{тр}=frac{A_text{з}-A_text{п}}{L}=frac{FL-Ph}{L}=F-Pfrac hL $$
Вес (P) и сила (F) определяются в работе с помощью динамометра с ценой деления (d=0,1 text{Н}).
Абсолютная погрешность прямых измерений $$ Delta_F=Delta_P=frac d2=0,05 text{Н}. $$
Сила (F) определяется в серии из пяти опытов с вычислением средних величин.
Высота наклонной плоскости (h) и длина наклонной плоскости (L) определяются с помощью мерной ленты с ценой деления (d=5 text{мм}). Абсолютная погрешность (Delta_L=2,5 text{мм}).
Относительные погрешности измерений вычисляются как обычно.
Относительная погрешность расчета КПД: $$ delta_eta=delta_F+delta_P+delta_h+delta_L $$
Абсолютная погрешность расчета КПД: $$ Delta_eta=etacdot delta_eta $$
Приборы и материалы
Доска длиной от 70 см, штатив с муфтой и лапкой, брусок массой не менее 300 г, мерная лента, динамометр.
Ход работы
1. Измерьте мерной лентой длину доски (L).
2. Определите вес бруска (P) с помощью динамометра.
3. Соберите наклонную плоскость: закрепите один конец доски в лапке штатива на высоте около (h=frac L3.)
4. Положите брусок на наклонную плоскость, прикрепите к нему динамометр и равномерно тяните по наклонной плоскости. Следите, чтобы динамометр располагался параллельно наклонной плоскости. Запишите измеренное значение (F). Повторите измерение (F) в серии из пяти опытов.
5. Соберите новую наклонную плоскость: закрепите один конец доски в лапке штатива на высоте около (h=frac L4). Перейдите на шаг 4 и повторите серию опытов для определения (F).
6. Рассчитайте КПД для двух исследованных наклонных плоскостей. Найдите относительные и абсолютные погрешности расчетов КПД.
7. Для каждой из наклонных плоскостей укажите величину полезной и затраченной работы, найдите силу трения.
8. Сделайте выводы о зависимости силы трения и КПД от высоты наклонной плоскости.
Результаты измерений и вычислений
Длина наклонной плоскости (доски) begin{gather*} L=80 text{см}=800 text{мм},\[7pt] Delta_L=2,5 text{мм},\[6pt] delta_L=frac{Delta_L}{L}=frac{2,5}{800}approx 0,0031=0,31text{%} end{gather*}
Вес бруска begin{gather*} P=4,4 text{Н},\[7pt] Delta_P=0,05 text{Н},\[6pt] delta_P=frac{Delta_P}{P}=frac{0,05}{4,4}approx 0,0011=1,1text{%} end{gather*}
1. Наклонная плоскость высотой (h=27 text{см})
Высота наклонной плоскости begin{gather*} h=27 text{см}=270 text{мм},\[7pt] Delta_h=2,5 text{мм},\[6pt] delta_h=frac{Delta_h}{h}=frac{2,5}{270}approx 0,0093=0,93text{%} end{gather*}
Определение силы тяги (F) в серии опытов
| № опыта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Сумма |
| $$ F, H $$ | 2,9 | 2,8 | 3,0 | 2,7 | 2,8 | 14,2 |
| $$ Delta_F, H $$ | 0,06 | 0,04 | 0,16 | 0,14 | 0,04 | 0,44 |
begin{gather*} F_text{ср}=frac{sum F_i}{5}=frac{14,2}{5}=2,84 (text{Н}),\[6pt] Delta_{Ftext{ср}}=frac{sum Delta_{Fi}}{5}=frac{0,44}{5}approx 0,09 (text{Н}),\[6pt] F=(2,84pm 0,09) text{Н},\[7pt] delta_F=frac{0,09}{2,84}approx 0,032=3,2text{%} end{gather*}
Полезная работа: $$ A_text{П}=Ph=4,4cdot 0,27=1,188 (text{Дж}) $$
Затраченная работа: $$ A_text{З}=FL=2,84cdot 0,8=2,272 (text{Дж}) $$
Сила трения: $$ F_text{тр}=F-Pfrac hL=2,84-4,4cdot frac{0,27}{0,8}approx 1,36 (text{Н}) $$
КПД наклонной плоскости: $$ eta=frac{A_text{П}}{A_text{З}}=frac{1,188}{2,272}approx 0,523=52,3text{%} $$
Погрешности расчета КПД: $$ delta_eta=delta_F+delta_P+delta_h+delta_L=0,032+0,011+0,0093+0,0031=0,0554approx 0,056=5,6text{%} $$
При расчете (delta_eta) использовали округление с избытком. $$ Delta_eta=0,523cdot 0,056approx 0,029=2,9text{%} $$
Окончательно получаем: $$ eta=(52,3pm 2,9)text{%}, delta_eta=5,6text{%} $$
2. Наклонная плоскость высотой (h=20 text{см})
Высота наклонной плоскости begin{gather*} h=20 text{см}=200 text{мм},\[7pt] Delta_h=2,5 text{мм},\[6pt] delta_h=frac{Delta_h}{h}=frac{2,5}{200}approx 0,013=1,3text{%} end{gather*}
Определение силы тяги (F) в серии опытов
| № опыта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Сумма |
| $$ F, H $$ | 2,4 | 2,6 | 2,5 | 2,6 | 2,5 | 12,6 |
| $$ Delta_F, H $$ | 0,12 | 0,08 | 0,02 | 0,08 | 0,02 | 0,32 |
begin{gather*} F_text{ср}=frac{sum F_i}{5}=frac{12,6}{5}=2,52 (text{Н}),\[6pt] Delta_{Ftext{ср}}=frac{sum Delta_{Fi}}{5}=frac{0,32}{5}approx 0,06 (text{Н}),\[6pt] F=(2,52pm 0,06) text{Н},\[7pt] delta_F=frac{0,06}{2,52}approx 0,024=2,4text{%} end{gather*}
Полезная работа: $$ A_text{П}=Ph=4,4cdot 0,2=0,88 (text{Дж}) $$
Затраченная работа: $$ A_text{З}=FL=2,52cdot 0,8=2,016 (text{Дж}) $$
Сила трения: $$ F_text{тр}=F-Pfrac hL=2,52-4,4cdot frac{0,2}{0,8}approx 1,42 (text{Н}) $$
КПД наклонной плоскости: $$ eta=frac{A_text{П}}{A_text{З}}=frac{0,88}{2,016}approx 0,437=43,7text{%} $$
Погрешности расчета КПД: $$ delta_eta=delta_F+delta_P+delta_h+delta_L=0,024+0,011+0,013+0,0031=0,0511approx 0,052=5,2text{%} $$
При расчете (delta_eta) использовали округление с избытком. $$ Delta_eta=0,437cdot 0,052approx 0,023=2,3text{%} $$
Окончательно получаем: $$ eta=(43,7pm 2,3)text{%}, delta_eta=5,2text{%} $$
Выводы
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.
В работе проводился расчет КПД наклонной плоскости постоянной длины, но разной высоты.
Для высоты около (h=frac L3):
- полезная и затраченная работы: (A_text{П}=1,188 (text{Дж}), A_text{З}=2,272 (text{Дж}))
- сила трения: (F_text{тр}=1,36 (text{Н}))
- КПД: (eta=(52,3pm 2,9)text{%}, delta_eta=5,6text{%})
Для высоты около (h=frac L4):
- полезная и затраченная работы: (A_text{П}=0,88 (text{Дж}), A_text{З}=2,016 (text{Дж}))
- сила трения: (F_text{тр}=1,42 (text{Н}))
- КПД: (eta=(43,7pm 2,3)text{%}, delta_eta=5,2text{%})
Таким образом, с уменьшением высоты:
- сила трения растет;
- КПД наклонной плоскости падает.
Все задачи, поставленные перед исследованием, успешно выполнены.
Задачи на КПД простых механизмов с решениями
Формулы, используемые на уроках «Задачи на КПД простых механизмов».
Название величины |
Обозначение |
Единица измерения |
Формула |
Сила |
F |
Н |
|
Полезная работа |
Ап |
Дж |
Ап = mgh1 |
Затраченая работа |
Аз |
Дж |
Аз = Fh2 |
КПД |
ɳ |
% |
ɳ = Ап / Аз * 100% |
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача № 1.
Груз массой 3,6 кг равномерно переместили к вершине наклонной плоскости длиной 2,4 м и высотой 0,6 м. При этом была приложена сила 15 Н. Каков КПД установки?
Задача № 2.
Вычислите КПД рычага, с помощью которого груз массой 200 кг равномерно подняли на высоту 0,03 м, при этом к длинному плечу рычага была приложена сила 400 Н, а точка приложения силы опустилась на 0,2 м.
Задача № 3.
Груз массой 30 кг поднимают на высоту 12 м с помощью неподвижного блока, действуя на веревку силой 400 Н. Вычислите КПД установки.
Задача № 4.
Высота наклонной плоскости 1,2 м, а длина 12 м. Для подъема по ней груза весом 2000 Н потребовалась сила 250 Н. Определите КПД этой наклонной плоскости.
Задача № 5.
Груз массой 15 кг равномерно перемещают по наклонной плоскости, прикладывая при этом силу в 40 Н. Чему равно КПД наклонной плоскости, если длина ее 1,8 м, а высота — 30 см?
Краткая теория для решения задачи на КПД простых механизмов.
Конспект урока «Задачи на КПД простых механизмов с решениями».
Следующая тема: «».