در فیزیک به چه کاری می گویند؟ کارهای مکانیکی. فرمول. بیان تعریف

در تجربه روزمره ما، کلمه "کار" اغلب ظاهر می شود. اما باید بین کار فیزیولوژیکی و کار از نظر علم فیزیک تمایز قائل شد. وقتی از کلاس به خانه می آیید، می گویید: "اوه، من خیلی خسته هستم!" این کار فیزیولوژیکی است. یا مثلاً کار یک تیم در داستان عامیانه"شلغم".

شکل 1. کار به معنای روزمره کلمه

ما در اینجا در مورد کار از دیدگاه فیزیک صحبت خواهیم کرد.

کارهای مکانیکیزمانی اتفاق می افتد که جسمی تحت تأثیر یک نیرو حرکت کند. کار نشان داده شده است حرف لاتینالف. تعریف دقیق‌تر از کار به این صورت است.

کار زور نامیده می شود کمیت فیزیکیبرابر با حاصل ضرب قدر نیرو و مسافت طی شده توسط جسم در جهت نیرو.

شکل 2. کار یک کمیت فیزیکی است

این فرمول زمانی معتبر است که نیروی ثابتی بر جسم وارد شود.

در سیستم بین المللی واحدهای SI، کار با ژول اندازه گیری می شود.

به این معنی که اگر تحت تأثیر نیروی 1 نیوتن جسمی 1 متر حرکت کند، 1 ژول کار توسط این نیرو انجام می شود.

واحد کار به نام دانشمند انگلیسی جیمز پرسکات ژول نامگذاری شده است.

شکل 3. جیمز پرسکات ژول (1818 - 1889)

از فرمول محاسبه کار بر می آید که سه حالت ممکن است که کار برابر با صفر باشد.

حالت اول زمانی است که بر جسمی نیرو وارد می شود اما جسم حرکت نمی کند. به عنوان مثال، یک خانه در معرض نیروی عظیم گرانش است. اما او هیچ کاری انجام نمی دهد زیرا خانه بی حرکت است.

حالت دوم زمانی است که جسم با اینرسی حرکت می کند، یعنی هیچ نیرویی به آن وارد نمی شود. مثلا، سفینه فضاییدر فضای بین کهکشانی حرکت می کند.

حالت سوم زمانی است که نیرویی عمود بر جهت حرکت جسم بر جسم وارد می شود. در این حالت اگرچه جسم حرکت می کند و نیرویی بر آن وارد می شود، اما حرکتی از بدن صورت نمی گیرد در جهت نیرو.

شکل 4. سه مورد که کار صفر است

همچنین باید گفت که کار انجام شده توسط یک نیرو می تواند منفی باشد. اگر بدن حرکت کند این اتفاق می افتد برخلاف جهت نیرو. به عنوان مثال، هنگامی که جرثقیل باری را با استفاده از کابل از سطح زمین بلند می کند، کار انجام شده توسط نیروی گرانش منفی است (و کار انجام شده توسط نیروی کشسان کابل که به سمت بالا هدایت می شود، برعکس، مثبت است).

بیایید فرض کنیم که هنگام انجام کارهای ساختمانی، گودال باید با ماسه پر شود. چند دقیقه طول می کشد تا یک بیل مکانیکی این کار را انجام دهد، اما یک کارگر با بیل باید چندین ساعت کار کند. اما هم بیل مکانیکی و هم کارگر تمام می کردند همان شغل.

شکل 5. همین کار را می توان در تکمیل کرد زمان متفاوت

برای مشخص کردن سرعت کار انجام شده در فیزیک، از کمیتی به نام توان استفاده می شود.

قدرت یک کمیت فیزیکی است که برابر با نسبت کار به زمان انجام آن است.

قدرت با یک حرف لاتین نشان داده می شود ن.

واحد SI قدرت وات است.

یک وات توانی است که یک ژول کار در یک ثانیه انجام می شود.

این نیروگاه به افتخار دانشمند انگلیسی، مخترع موتور بخار، جیمز وات نامگذاری شده است.

شکل 6. جیمز وات (1736 - 1819)

بیایید فرمول محاسبه کار را با فرمول محاسبه توان ترکیب کنیم.

اکنون به یاد بیاوریم که نسبت مسیر طی شده توسط بدن برابر است اس، در زمان حرکت تینشان دهنده سرعت حرکت بدن است v.

بدین ترتیب، توان برابر است با حاصل ضرب مقدار عددی نیرو و سرعت جسم در جهت نیرو.

استفاده از این فرمول هنگام حل مسائلی که در آنها نیرویی بر جسمی که با سرعت مشخصی حرکت می کند، وارد می شود، راحت است.

کتابشناسی - فهرست کتب

لوکاشیک V.I.، Ivanova E.V. مجموعه مسائل فیزیک پایه های 7-9 موسسات آموزشی. - ویرایش هفدهم - م.: آموزش و پرورش، 1383.
پریشکین A.V. فیزیک. درجه 7 ام - ویرایش چهاردهم، کلیشه. - M.: Bustard، 2010.
پریشکین A.V. مجموعه مسائل فیزیک، پایه های 7-9: ویرایش پنجم، کلیشه. - م: انتشارات امتحان، 1389.

پورتال اینترنتی Physics.ru ().
پورتال اینترنتی Festival.1september.ru ().
پورتال اینترنتی Fizportal.ru ().
پورتال اینترنتی Elkin52.narod.ru ().

مشق شب

در چه مواردی کار برابر با صفر است؟
کار در طول مسیر طی شده در جهت نیرو چگونه انجام می شود؟ در جهت مخالف؟
وقتی آجر 0.4 متر حرکت می کند چه مقدار کار توسط نیروی اصطکاک وارد شده بر آجر انجام می شود؟ نیروی اصطکاک 5 نیوتن است.

شکل 1. کار به معنای روزمره کلمه

ما در اینجا در مورد کار از دیدگاه فیزیک صحبت خواهیم کرد.

اگر جسمی تحت تأثیر نیرو حرکت کند، کار مکانیکی انجام می شود. کار با حرف لاتین A مشخص می‌شود. تعریف دقیق‌تر کار به این شکل است.

کار یک نیرو کمیت فیزیکی است برابر حاصل ضرب بزرگی نیرو و مسافت طی شده توسط جسم در جهت نیرو.

شکل 2. کار یک کمیت فیزیکی است

این فرمول زمانی معتبر است که نیروی ثابتی بر جسم وارد شود.

در سیستم بین المللی واحدهای SI، کار با ژول اندازه گیری می شود.

به این معنی که اگر تحت تأثیر نیروی 1 نیوتن جسمی 1 متر حرکت کند، 1 ژول کار توسط این نیرو انجام می شود.

واحد کار به نام دانشمند انگلیسی جیمز پرسکات ژول نامگذاری شده است.

شکل 3. جیمز پرسکات ژول (1818 - 1889)

از فرمول محاسبه کار بر می آید که سه حالت ممکن است که کار برابر با صفر باشد.

حالت دوم زمانی است که جسم با اینرسی حرکت می کند، یعنی هیچ نیرویی به آن وارد نمی شود. به عنوان مثال، یک سفینه فضایی در فضای بین کهکشانی در حال حرکت است.

شکل 4. سه مورد که کار صفر است

شکل 5. یک کار را می توان در زمان های مختلف تکمیل کرد

برای مشخص کردن سرعت کار انجام شده در فیزیک، از کمیتی به نام توان استفاده می شود.

قدرت یک کمیت فیزیکی است که برابر با نسبت کار به زمان انجام آن است.

قدرت با یک حرف لاتین نشان داده می شود ن.

واحد SI قدرت وات است.

یک وات توانی است که یک ژول کار در یک ثانیه انجام می شود.

این نیروگاه به افتخار دانشمند انگلیسی، مخترع موتور بخار، جیمز وات نامگذاری شده است.

شکل 6. جیمز وات (1736 - 1819)

بیایید فرمول محاسبه کار را با فرمول محاسبه توان ترکیب کنیم.

اکنون به یاد بیاوریم که نسبت مسیر طی شده توسط بدن برابر است اس، در زمان حرکت تینشان دهنده سرعت حرکت بدن است v.

بدین ترتیب، توان برابر است با حاصل ضرب مقدار عددی نیرو و سرعت جسم در جهت نیرو.

کتابشناسی - فهرست کتب

لوکاشیک V.I.، Ivanova E.V. مجموعه مسائل فیزیک پایه های 7-9 موسسات آموزش عمومی. - ویرایش هفدهم - م.: آموزش و پرورش، 1383.
پریشکین A.V. فیزیک. درجه 7 ام - ویرایش چهاردهم، کلیشه. - M.: Bustard، 2010.
پریشکین A.V. مجموعه مسائل فیزیک، پایه های 7-9: ویرایش پنجم، کلیشه. - م: انتشارات امتحان، 1389.

پورتال اینترنتی Physics.ru ().
پورتال اینترنتی Festival.1september.ru ().
پورتال اینترنتی Fizportal.ru ().
پورتال اینترنتی Elkin52.narod.ru ().

مشق شب

در چه مواردی کار برابر با صفر است؟
کار در طول مسیر طی شده در جهت نیرو چگونه انجام می شود؟ در جهت مخالف؟
وقتی آجر 0.4 متر حرکت می کند چه مقدار کار توسط نیروی اصطکاک وارد شده بر آجر انجام می شود؟ نیروی اصطکاک 5 نیوتن است.

« فیزیک - پایه دهم"

قانون بقای انرژی یک قانون اساسی طبیعت است که به ما امکان می دهد بیشتر پدیده های رخ داده را توصیف کنیم.

توصیف حرکت اجسام نیز با استفاده از مفاهیم دینامیک مانند کار و انرژی امکان پذیر است.

به یاد داشته باشید که کار و قدرت در فیزیک چیست.

آیا این مفاهیم با ایده های روزمره در مورد آنها منطبق است؟

تمام اعمال روزانه ما به این ختم می شود که به کمک ماهیچه ها یا بدن های اطراف را به حرکت در می آوریم و این حرکت را حفظ می کنیم و یا بدن های متحرک را متوقف می کنیم.

این بدنه ها ابزاری هستند (چکش، قلم، اره)، در بازی ها - توپ، پوک، مهره های شطرنج. در تولید و کشاورزیمردم نیز ابزار را به حرکت در می آورند.

استفاده از ماشین آلات به دلیل استفاده از موتور در آنها بهره وری نیروی کار را چندین برابر می کند.

هدف هر موتوری این است که بدنه ها را به حرکت درآورد و این حرکت را حفظ کند، علی رغم ترمزگیری با اصطکاک معمولی و مقاومت "کار" (برش نباید فقط روی فلز بلغزد، بلکه با برش در آن، تراشه ها را جدا کند؛ گاوآهن باید سست کردن زمین و غیره). در این حالت باید نیرویی از سمت موتور به بدنه متحرک وارد شود.

هر گاه نیرویی (یا چند نیرو) از جسم دیگر (اجسام دیگر) در جهت حرکت یا بر خلاف آن بر جسمی وارد شود، کار در طبیعت انجام می شود.

نیروی گرانش زمانی کار می کند که قطرات باران یا سنگ از صخره می افتند. در عین حال، کار توسط نیروی مقاومتی که بر روی قطرات در حال سقوط یا روی سنگ از هوا وارد می شود نیز انجام می شود. نیروی ارتجاعی نیز زمانی کار می کند که درختی که توسط باد خم می شود صاف شود.

تعریف کار.

قانون دوم نیوتن در شکل تکانه Δ = Δtبه شما این امکان را می دهد که تعیین کنید اگر یک نیرو در طول زمان Δt بر روی آن وارد شود، چگونه سرعت یک جسم از نظر قدر و جهت تغییر می کند.

تأثیر نیروها بر اجسام که منجر به تغییر در مدول سرعت آنها می شود با مقداری مشخص می شود که هم به نیروها و هم به حرکات اجسام بستگی دارد. در مکانیک این کمیت نامیده می شود کار زور.

تغییر سرعت در مقدار مطلق فقط در صورتی امکان پذیر است که نیروی Fr در جهت حرکت بدن با صفر متفاوت باشد. این برجستگی است که عمل نیرویی را تعیین می کند که سرعت مدول بدن را تغییر می دهد. او کار را انجام می دهد. بنابراین، کار را می توان حاصل ضرب نیروی Fr توسط مدول جابجایی در نظر گرفت |Δ| (شکل 5.1):

A = F r |Δ|. (5.1)

اگر زاویه بین نیرو و جابجایی با α نشان داده شود، آنگاه Fr = Fcosα.

بنابراین، کار برابر است با:

A = |Δ|cosα. (5.2)

تصور روزمره ما از کار با تعریف کار در فیزیک متفاوت است. چمدان سنگینی در دست گرفته اید و به نظر می رسد که دارید کار می کنید. با این حال، از نظر فیزیکی، کار شما صفر است.

کار یک نیروی ثابت برابر است با حاصل ضرب مدول نیرو و جابجایی نقطه اعمال نیرو و کسینوس زاویه بین آنها.

به طور کلی، هنگامی که یک جسم صلب حرکت می کند، حرکات آن انجام می شود نقاط مختلفمتفاوت هستند، اما هنگام تعیین کار زور ما تحت Δ ما حرکت نقطه کاربرد آن را درک می کنیم. در طول حرکت انتقالی یک جسم صلب، حرکت تمام نقاط آن با حرکت نقطه اعمال نیرو منطبق است.

کار بر خلاف نیرو و جابجایی بردار نیست، بلکه یک کمیت اسکالر است. می تواند مثبت، منفی یا صفر باشد.

علامت کار با علامت کسینوس زاویه بین نیرو و جابجایی مشخص می شود. اگر α< 90°, то А >0، زیرا کسینوس زوایای تند مثبت است. برای α > 90 درجه، کار منفی است، زیرا کسینوس زوایای مبهم منفی است. در α = 90 درجه (نیروی عمود بر جابجایی) هیچ کاری انجام نمی شود.

اگر چندین نیرو بر روی جسمی وارد شود، آنگاه برآمدگی نیروی حاصل بر جابجایی برابر است با مجموع برآمدگی نیروهای منفرد:

F r = F 1r + F 2r + ... .

بنابراین، برای کار نیروی حاصل به دست می آوریم

A = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + ... = A 1 + A 2 + .... (5.3)

اگر چندین نیرو بر روی جسمی وارد شوند، آنگاه کل کار (مجموع جبری کار همه نیروها) برابر با کار نیروی حاصل است.

کار انجام شده توسط یک نیرو را می توان به صورت گرافیکی نشان داد. اجازه دهید این را با نشان دادن وابستگی پیش بینی نیرو به مختصات جسم در هنگام حرکت در یک خط مستقیم توضیح دهیم.

اجازه دهید بدن در امتداد محور OX حرکت کند (شکل 5.2)، سپس

Fcosα = F x , |Δ| = Δ x.

برای کار زور می گیریم

A = F|Δ|cosα = F x Δx.

بدیهی است که مساحت مستطیل سایه دار در شکل (5.3، a) از نظر عددی برابر با کاری است که هنگام حرکت یک جسم از نقطه ای با مختصات x1 به نقطه ای با مختصات x2 انجام می شود.

فرمول (5.1) در مواردی معتبر است که پیش بینی نیرو بر روی جابجایی ثابت باشد. در مورد یک مسیر منحنی، نیروی ثابت یا متغیر، ما مسیر را به بخش‌های کوچکی تقسیم می‌کنیم که می‌توان آن‌ها را مستطیل در نظر گرفت، و نیرو را در یک جابجایی کوچک در نظر گرفت. Δ - ثابت.

سپس، محاسبه کار در هر حرکت Δ و سپس با جمع بندی این کارها، کار نیروی روی جابجایی نهایی را تعیین می کنیم (شکل 5.3، ب).

واحد کار.

واحد کار را می توان با استفاده از فرمول اصلی (5.2) ایجاد کرد. اگر هنگام حرکت جسمی در واحد طول، نیرویی که مدول آن بر آن اثر می گذارد برابر با یک، و جهت نیرو با جهت حرکت نقطه اعمال آن منطبق است (α = 0) ، سپس کار برابر با وحدت خواهد بود. که در سیستم بین المللیواحد کار (SI) ژول است (با J نشان داده می شود):

1 J = 1 N 1 m = 1 N m.

ژول- این کاری است که نیروی 1 N روی جابجایی 1 انجام می شود اگر جهت نیرو و جابجایی منطبق باشد.

اغلب از چندین واحد کار استفاده می شود: کیلوژول و مگاژول:

1 کیلوژول = 1000 ژول,
1 MJ = 1000000 J.

کار را می توان در مدت زمان طولانی و یا در مدت زمان بسیار کوتاه به پایان رساند. با این حال، در عمل، به دور از بی تفاوتی است که آیا می توان کار را سریع یا آهسته انجام داد. مدت زمانی که کار انجام می شود عملکرد هر موتور را تعیین می کند. یک موتور الکتریکی کوچک می تواند کارهای زیادی انجام دهد، اما زمان زیادی را می طلبد. بنابراین، همراه با کار، کمیتی معرفی می شود که سرعت تولید آن را مشخص می کند - قدرت.

توان نسبت کار A به بازه زمانی Δt است که در طی آن این کار انجام می شود، یعنی توان سرعت کار است:

با جایگزین کردن فرمول (5.4) به جای کار A عبارت (5.2) آن را بدست می آوریم

بنابراین، اگر نیرو و سرعت یک جسم ثابت باشد، توان برابر است با حاصل ضرب بزرگی بردار نیرو در بزرگی بردار سرعت و کسینوس زاویه بین جهات این بردارها. اگر این کمیت ها متغیر باشند، با استفاده از فرمول (5.4) می توان میانگین توان را به روشی مشابه با تعیین سرعت متوسط یک جسم تعیین کرد.

مفهوم قدرت برای ارزیابی کار در واحد زمان انجام شده توسط هر مکانیزم (پمپ، جرثقیل، موتور ماشین و غیره) معرفی شده است. بنابراین در فرمول های (5.4) و (5.5) همیشه منظور نیروی کششی است.

در SI قدرت بر حسب بیان می شود وات (W).

اگر کار برابر با 1 ژول در 1 ثانیه انجام شود، توان برابر با 1 وات است.

همراه با وات، واحدهای بزرگتر (چندین) توان استفاده می شود:

1 کیلووات (کیلووات) = 1000 وات,
1 مگاوات (مگاوات) = 1000000 وات.

اسب با مقداری گاری را می کشد، بیایید آن را نشان دهیم افکشش پدربزرگ که روی گاری نشسته با مقداری زور روی آن فشار می آورد. بیایید آن را نشان دهیم اففشار گاری در راستای نیروی کشش اسب (به سمت راست) حرکت می کند، اما در جهت نیروی فشار پدربزرگ (به سمت پایین) گاری حرکت نمی کند. برای همین در فیزیک می گویند افکشش روی گاری کار می کند و اففشار روی چرخ دستی کار نمی کند.

بنابراین، کار زور روی بدن یا کارهای مکانیکی- کمیت فیزیکی که مدول آن برابر است با حاصل ضرب نیرو و مسیر طی شده توسط جسم در جهت عمل این نیرو. s:

به افتخار دانشمند انگلیسی D. Joule، واحد کار مکانیکی نامگذاری شد 1 ژول(طبق فرمول، 1 J = 1 N متر).

اگر نیروی خاصی بر جسم مورد نظر وارد شود، جسمی نیز بر آن اثر می گذارد. از همین رو کار نیرو بر بدن و کار بدن بر بدن مترادف کامل هستند.با این حال، کار بدن اول روی دوم و کار بدن دوم روی اول مترادف جزئی هستند، زیرا مدول های این آثار همیشه با هم برابرند و علائم آنها همیشه مخالف است. به همین دلیل است که علامت "±" در فرمول وجود دارد. بیایید در مورد علائم کار با جزئیات بیشتری صحبت کنیم.

مقادیر عددی نیرو و مسیر همیشه کمیت های غیر منفی هستند. در مقابل، کار مکانیکی می تواند هم مثبت و هم داشته باشد علائم منفی. اگر جهت نیرو با جهت حرکت جسم منطبق باشد، پس کار انجام شده توسط نیرو مثبت تلقی می شود.اگر جهت نیرو مخالف جهت حرکت جسم باشد، کار انجام شده توسط یک نیرو منفی تلقی می شود(از فرمول "±" "-" را می گیریم). اگر جهت حرکت جسم عمود بر جهت نیرو باشد، پس چنین نیرویی هیچ کاری انجام نمی دهد، یعنی A = 0.

سه تصویر از سه جنبه کار مکانیکی را در نظر بگیرید.

انجام کار به زور ممکن است از دیدگاه ناظران مختلف متفاوت به نظر برسد.بیایید یک مثال را در نظر بگیریم: یک دختر در آسانسور سوار می شود. آیا کار مکانیکی انجام می دهد؟ یک دختر فقط روی بدن هایی می تواند کار کند که به زور به آنها عمل می شود. تنها یک چنین بدنه وجود دارد - کابین آسانسور، زیرا دختر با وزن خود روی کف آن فشار می آورد. اکنون باید دریابیم که آیا کابین مسیر خاصی را طی می کند یا خیر. بیایید دو گزینه را در نظر بگیریم: با یک ناظر ثابت و متحرک.

بگذارید پسر ناظر ابتدا روی زمین بنشیند. در رابطه با آن کابین آسانسور به سمت بالا حرکت می کند و مسافت مشخصی را طی می کند. وزن دختر در جهت مخالف هدایت می شود - پایین، بنابراین، دختر کارهای مکانیکی منفی را روی کابین انجام می دهد: آتوسعه دهنده< 0. Вообразим, что мальчик-наблюдатель пересел внутрь кабины движущегося лифта. Как и ранее, вес девочки действует на пол кабины. Но теперь по отношению к такому наблюдателю кабина лифта не движется. Поэтому с точки зрения наблюдателя в кабине лифта девочка не совершает механическую работу: آ dev = 0.

کارهای مکانیکی. واحدهای کار

در زندگی روزمره، ما همه چیز را با مفهوم "کار" درک می کنیم.

در فیزیک، مفهوم کارتا حدودی متفاوت این یک کمیت فیزیکی مشخص است، یعنی می توان آن را اندازه گیری کرد. در فیزیک در درجه اول مطالعه می شود کارهای مکانیکی .

بیایید به نمونه هایی از کارهای مکانیکی نگاه کنیم.

قطار تحت نیروی کشش یک لوکوموتیو الکتریکی حرکت می کند و کارهای مکانیکی انجام می شود. هنگام شلیک تفنگ، نیروی فشار گازهای پودریکار می کند - گلوله را در امتداد لوله حرکت می دهد و سرعت گلوله افزایش می یابد.

از این مثال ها مشخص می شود که کار مکانیکی زمانی انجام می شود که جسم تحت تأثیر نیرو حرکت کند. کار مکانیکی نیز در مواردی انجام می شود که نیرویی که بر جسم وارد می شود (مثلاً نیروی اصطکاک) سرعت حرکت آن را کاهش می دهد.

می خواهیم کابینت را جابجا کنیم، آن را به شدت فشار می دهیم، اما اگر حرکت نکرد، کار مکانیکی انجام نمی دهیم. می توان موردی را تصور کرد که یک جسم بدون مشارکت نیروها (با اینرسی) حرکت می کند؛ در این حالت، کار مکانیکی نیز انجام نمی شود.

بنابراین، کار مکانیکی تنها زمانی انجام می شود که نیرویی بر جسمی وارد شود و آن حرکت کند .

درک این نکته دشوار نیست که هر چه نیروی بیشتری بر بدن وارد شود و مسیری که بدن تحت تأثیر این نیرو طی می کند طولانی تر باشد، کار انجام شده بیشتر می شود.

کار مکانیکی با نیروی وارده نسبت مستقیم و با مسافت طی شده نسبت مستقیم دارد .

بنابراین، ما موافقت کردیم که کار مکانیکی را با حاصل ضرب نیرو و مسیر طی شده در این جهت این نیرو اندازه گیری کنیم:

کار = نیرو × مسیر

جایی که آ- کار، اف- قدرت و س- مسافت طی شده

واحد کار، کاری است که توسط نیروی 1N در مسیری به طول 1 متر انجام می شود.

واحد کار - ژول (جی ) به نام دانشمند انگلیسی ژول. بدین ترتیب،

1 J = 1N متر.

نیز استفاده می شود کیلوژول (kJ) .

1 کیلوژول = 1000 ژول

فرمول A = Fsقابل اجرا زمانی که نیرو افثابت و منطبق با جهت حرکت بدن است.

اگر جهت نیرو با جهت حرکت جسم منطبق باشد، این نیرو کار مثبت انجام می دهد.

اگر جسم در جهت مخالف جهت نیروی وارد شده حرکت کند، مثلاً نیروی اصطکاک لغزشی، آنگاه این نیرو کار منفی انجام می دهد.

اگر جهت نیروی وارد بر جسم عمود بر جهت حرکت باشد، این نیرو هیچ اثری ندارد، کار صفر است:

در آینده، در مورد کار مکانیکی، به طور خلاصه در یک کلمه آن را کار می نامیم.

مثال. محاسبه کار انجام شده هنگام بلند کردن دال گرانیتی با حجم 0.5 متر مکعب به ارتفاع 20 متر چگالی گرانیت 2500 کیلوگرم بر متر مکعب است.

داده شده:

ρ = 2500 کیلوگرم بر متر 3

راه حل:

که در آن F نیرویی است که باید برای بلند کردن یکنواخت دال به بالا اعمال شود. این نیرو از نظر مدول برابر با نیروی Fstrand وارد بر دال است، یعنی F = Fstrand. و نیروی گرانش را می توان با جرم دال تعیین کرد: Fweight = گرم. بیایید جرم دال را با دانستن حجم آن و چگالی گرانیت محاسبه کنیم: m = ρV; s = h، یعنی مسیر برابر با ارتفاع بالابر است.

بنابراین، m = 2500 کیلوگرم بر متر مکعب · 0.5 متر مکعب = 1250 کیلوگرم.

F = 9.8 نیوتن بر کیلوگرم · 1250 کیلوگرم ≈ 12250 نیوتن.

A = 12250 نیوتن · 20 متر = 245000 J = 245 کیلوژول.

پاسخ: A = 245 کیلوژول.

اهرم.قدرت.انرژی

موتورهای مختلف برای انجام یک کار به زمان های متفاوتی نیاز دارند. به عنوان مثال، جرثقیل در یک محل ساخت و ساز صدها آجر را در چند دقیقه به طبقه بالای یک ساختمان می برد. اگر این آجرها توسط کارگر جابه جا می شد، چندین ساعت طول می کشید تا این کار را انجام دهد. مثالی دیگر. یک اسب می تواند یک هکتار زمین را در 10-12 ساعت شخم بزند، در حالی که یک تراکتور با یک گاوآهن چند سهمی ( گاوآهن- قسمتی از گاوآهن که لایه زمین را از زیر بریده و به زباله دان منتقل می کند. چند شخم گاوآهن - گاوآهن های زیاد)، این کار در 40-50 دقیقه به پایان می رسد.

واضح است که جرثقیل همان کار را سریعتر از کارگر انجام می دهد و تراکتور همان کار را سریعتر از اسب انجام می دهد. سرعت کار با کمیت خاصی به نام توان مشخص می شود.

قدرت برابر است با نسبت کار به زمانی که در طی آن انجام شده است.

برای محاسبه توان، باید کار را بر زمان انجام این کار تقسیم کنید.قدرت = کار/زمان

جایی که ن- قدرت، آ- کار، تی- زمان انجام کار

زمانی که کار یکسانی در هر ثانیه انجام شود، قدرت یک کمیت ثابت است؛ در موارد دیگر نسبت A/tتوان متوسط را تعیین می کند:

نمیانگین = A/t . واحد توان، توانی است که J کار در 1 ثانیه انجام می شود.

این واحد وات ( دبلیو) به افتخار دانشمند انگلیسی دیگر به نام وات.

1 وات = 1 ژول / 1 ثانیه، یا 1 W = 1 J/s.

وات (ژول در ثانیه) - W (1 ژول در ثانیه).

واحدهای بزرگتر قدرت به طور گسترده در فناوری استفاده می شوند - کیلووات (کیلووات), مگاوات (مگاوات) .

1 مگاوات = 1000000 وات

1 کیلو وات = 1000 وات

1 میلی وات = 0.001 وات

1 وات = 0.000001 مگاوات

1 W = 0.001 کیلو وات

1 وات = 1000 میلی وات

مثال. اگر ارتفاع آب ریزش 25 متر و دبی آن 120 متر مکعب در دقیقه باشد، قدرت جریان آبی را که از سد می گذرد، بیابید.

داده شده:

ρ = 1000 کیلوگرم بر متر مکعب

راه حل:

توده آب در حال سقوط: m = ρV,

m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120000 kg (12 104 kg).

گرانش بر روی آب:

F = 9.8 m/s2 120,000 kg ≈ 1,200,000 N (12 105 N

کار انجام شده توسط جریان در دقیقه:

A - 1,200,000 N · 25 m = 30,000,000 J (3 · 107 J).

توان جریان: N = A/t،

N = 30,000,000 J / 60 s = 500,000 W = 0.5 مگاوات.

پاسخ: N = 0.5 مگاوات.

موتورهای مختلف از صدم و دهم کیلووات (موتور یک تیغ برقی، چرخ خیاطی) تا صدها هزار کیلووات (توربین های آب و بخار) قدرت دارند.

جدول 5.

قدرت برخی از موتورها، کیلووات.

هر موتور دارای یک پلاک (گذرنامه موتور) است که برخی از اطلاعات موتور از جمله قدرت آن را نشان می دهد.

نیروی انسانی در شرایط عادیکار به طور متوسط 70-80 وات است. هنگام پریدن یا دویدن از پله ها، یک فرد می تواند تا 730 وات و در برخی موارد حتی بیشتر از آن قدرت تولید کند.

از فرمول N = A/t نتیجه می شود که

برای محاسبه کار باید توان را در زمانی که این کار انجام شده ضرب کرد.

مثال. موتور فن اتاقی دارای توان 35 وات می باشد. او در 10 دقیقه چقدر کار می کند؟

بیایید شرایط مشکل را بنویسیم و آن را حل کنیم.

داده شده:

راه حل:

A = 35 W * 600s = 21,000 W * s = 21,000 J = 21 kJ.

پاسخ آ= 21 کیلوژول

مکانیسم های ساده

از زمان های بسیار قدیم بشر از وسایل مختلفی برای انجام کارهای مکانیکی استفاده می کرده است.

همه می دانند که یک جسم سنگین (سنگ، کابینت، ماشین ابزار) را که نمی توان با دست حرکت داد، می توان با کمک یک چوب به اندازه کافی بلند - یک اهرم حرکت داد.

بر این لحظهاعتقاد بر این است که با کمک اهرم ها در سه هزار سال پیش در هنگام ساخت اهرام در مصر باستانتخته های سنگی سنگین را جابجا کرد و به ارتفاعات زیادی رساند.

در بسیاری از موارد، به جای بلند کردن یک بار سنگین به ارتفاع معین، می توان آن را در امتداد یک صفحه شیبدار به همان ارتفاع غلت داد یا کشید یا با استفاده از بلوک ها را بلند کرد.

دستگاه هایی که برای تبدیل نیرو استفاده می شوند نامیده می شوند مکانیسم ها .

مکانیسم های ساده عبارتند از: اهرم ها و انواع آن - بلوک، دروازه؛ هواپیمای شیبدار و انواع آن - گوه، پیچ. در بیشتر موارد، مکانیسم های ساده ای برای افزایش قدرت، یعنی افزایش چندین برابری نیروی وارد بر بدن استفاده می شود.

مکانیزم های ساده هم در ماشین آلات خانگی و هم در تمام ماشین های پیچیده صنعتی و کارخانه ای که برش، پیچ و تاب و مهر می زنند، یافت می شود ورق های بزرگفولاد یا کشش بهترین نخ ها، که سپس از آن پارچه ها ساخته می شود. همین مکانیسم ها را می توان در ماشین های مدرن پیچیده اتوماتیک، ماشین های چاپ و شمارش یافت.

بازوی اهرمی. تعادل نیروها روی اهرم.

بیایید ساده ترین و رایج ترین مکانیسم - اهرم را در نظر بگیریم.

اهرم است جامد، که می تواند حول یک تکیه گاه ثابت بچرخد.

تصاویر نشان می دهد که چگونه یک کارگر از یک اهرم به عنوان اهرم برای بلند کردن بار استفاده می کند. در حالت اول، کارگر با زور افانتهای کلنگ را فشار می دهد ب، در دوم - پایان را بالا می برد ب.

کارگر باید بر وزن بار غلبه کند پ- نیرویی که به صورت عمودی به سمت پایین هدایت می شود. برای انجام این کار، او میله کلاغ را حول محوری می چرخاند که از آن تنها می گذرد بی حرکتنقطه شکست نقطه حمایت آن است در باره. زور افکه با آن کارگر روی اهرم عمل می کند نیروی کمتری دارد پ، بنابراین کارگر دریافت می کند افزایش قدرت. با استفاده از یک اهرم می توانید بار سنگینی را بلند کنید که به تنهایی قادر به بلند کردن آن نباشید.

شکل اهرمی را نشان می دهد که محور چرخش آن است در باره(تکیه گاه) بین نقاط اعمال نیروها قرار دارد آو که در. تصویر دیگری نمودار این اهرم را نشان می دهد. هر دو نیرو اف 1 و اف 2 اثر بر روی اهرم در یک جهت هدایت می شوند.

کوتاه ترین فاصله بین تکیه گاه و خط مستقیمی که نیرو بر روی اهرم وارد می شود بازوی نیرو نامیده می شود.

برای پیدا کردن بازوی نیرو، باید عمود را از نقطه تکیه به خط عمل نیرو پایین بیاورید.

طول این عمود بر بازوی این نیرو خواهد بود. شکل نشان می دهد که OA- قدرت شانه اف 1; OB- قدرت شانه اف 2. نیروهای وارد بر اهرم می توانند آن را حول محور خود در دو جهت بچرخانند: در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت. بله، قدرت اف 1 اهرم را در جهت عقربه های ساعت می چرخاند و نیرو اف 2 آن را در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخاند.

شرایطی که در آن اهرم تحت تأثیر نیروهایی که به آن وارد می شود در حالت تعادل قرار می گیرد، می توان به صورت تجربی تعیین کرد. باید به خاطر داشت که نتیجه عمل یک نیرو نه تنها به مقدار عددی آن (مدول)، بلکه به نقطه ای که در آن به بدن اعمال می شود یا نحوه هدایت آن بستگی دارد.

وزنه های مختلفی از اهرم (شکل را ببینید) در دو طرف تکیه گاه آویزان می شوند تا هر بار اهرم در تعادل باقی بماند. نیروهای وارد بر اهرم برابر با وزن این بارها است. برای هر مورد، ماژول های نیرو و شانه های آنها اندازه گیری می شود. با توجه به تجربه نشان داده شده در شکل 154، مشخص است که نیروی 2 ننیرو را متعادل می کند 4 ن. در این حالت، همانطور که از شکل مشخص است، شانه با استحکام کمتر 2 برابر بزرگتر از شانه با قدرت بیشتر است.

بر اساس چنین آزمایشاتی، شرط (قاعده) تعادل اهرمی برقرار شد.

یک اهرم زمانی در حالت تعادل است که نیروهای وارد بر آن با بازوهای این نیروها نسبت معکوس داشته باشند.

این قانون را می توان به صورت فرمول نوشت:

اف 1/اف 2 = ل 2/ ل 1 ,

جایی که اف 1واف 2 - نیروهای وارد بر اهرم، ل 1ول 2 ، - شانه های این نیروها (نگاه کنید به شکل).

قانون تعادل اهرمی توسط ارشمیدس در حدود 287-212 ایجاد شد. قبل از میلاد مسیح ه. (اما در پاراگراف آخر گفته شد که مصری ها از اهرم استفاده می کردند؟ یا اینجا نقش مهمبا کلمه "نصب شده" بازی می کند؟)

از این قاعده نتیجه می شود که می توان از نیروی کمتری برای متعادل کردن نیروی بزرگتر با استفاده از یک اهرم استفاده کرد. بگذارید یک بازوی اهرم 3 برابر بزرگتر از دیگری باشد (شکل را ببینید). سپس با اعمال نیروی مثلاً 400 نیوتن در نقطه B، می توانید سنگی به وزن 1200 نیوتن را بلند کنید. برای بلند کردن بار سنگین تر، باید طول بازوی اهرمی را که کارگر روی آن عمل می کند، افزایش دهید.

مثال. یک کارگر با استفاده از یک اهرم، تخته ای به وزن 240 کیلوگرم را بلند می کند (شکل 149 را ببینید). اگر بازوی کوچکتر 0.6 متر باشد چه نیرویی به بازوی اهرمی بزرگتر 2.4 متری وارد می کند؟

بیایید شرایط مشکل را بنویسیم و آن را حل کنیم.

داده شده:

راه حل:

طبق قانون تعادل اهرم، F1/F2 = l2/l1، از آنجا F1 = F2 l2/l1، که در آن F2 = P وزن سنگ است. وزن سنگ asd = گرم، F = 9.8 N 240 کیلوگرم ≈ 2400 N

سپس، F1 = 2400 نیوتن · 0.6/2.4 = 600 نیوتن.

پاسخ: F1 = 600 نیوتن.

در مثال ما کارگر بر نیروی 2400 نیوتن غلبه می کند و نیروی 600 نیوتن را به اهرم وارد می کند اما در این حالت بازویی که کارگر روی آن عمل می کند 4 برابر بلندتر از بازویی است که وزن سنگ روی آن وارد می شود. ( ل 1 : ل 2 = 2.4 متر: 0.6 متر = 4).

با اعمال قانون اهرم، نیروی کوچکتر می تواند نیروی بزرگتر را متعادل کند. در این حالت، شانه با نیروی کمتر باید بلندتر از شانه با قدرت بیشتر باشد.

لحظه قدرت.

شما قبلاً قانون تعادل اهرمی را می دانید:

اف 1 / اف 2 = ل 2 / ل 1 ,

با استفاده از خاصیت تناسب (ضرب اعضای افراطی آن برابر با حاصل ضرب اعضای میانی آن است) آن را به این شکل می نویسیم:

اف 1ل 1 = اف 2 ل 2 .

در سمت چپ برابری حاصل ضرب نیرو است اف 1 روی شانه اش ل 1، و در سمت راست - محصول نیرو اف 2 روی شانه اش ل 2 .

حاصل ضرب مدول نیروی چرخش بدن و شانه آن نامیده می شود لحظه نیرو; با حرف M مشخص شده است

یک اهرم تحت تأثیر دو نیرو در حالت تعادل است اگر گشتاور نیرویی که آن را در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخاند با گشتاور نیرویی که آن را در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخاند برابر باشد.

این قانون نامیده می شود قانون لحظه ها را می توان به صورت فرمول نوشت:

M1 = M2

در واقع، در آزمایشی که در نظر گرفتیم (§ 56)، نیروهای عمل کننده برابر با 2 نیوتن و 4 نیوتن بودند، شانه های آنها به ترتیب برابر با 4 و 2 فشار اهرمی بود، یعنی ممان این نیروها زمانی که اهرم در حالت تعادل است یکسان است. .

لحظه نیرو، مانند هر کمیت فیزیکی، قابل اندازه گیری است. واحد گشتاور نیرو ممان نیروی 1 N در نظر گرفته می شود که بازوی آن دقیقاً 1 متر است.

این واحد نامیده می شود نیوتن متر (N m).

لحظه نیرو مشخص کننده عمل یک نیرو است و نشان می دهد که به طور همزمان به مدول نیرو و اهرم آن بستگی دارد. در واقع، ما قبلاً می دانیم، برای مثال، که عمل یک نیرو بر درب هم به بزرگی نیرو و هم به محل اعمال نیرو بستگی دارد. هرچه چرخاندن درب آسان تر باشد، نیروی وارد بر آن از محور چرخش دورتر می شود. بهتر است مهره را با آچار بلند باز کنید تا با آچار کوتاه. هر چه بلند کردن سطل از چاه راحت تر باشد، دسته دروازه بلندتر است و غیره.

اهرم هایی در فناوری، زندگی روزمره و طبیعت.

قاعده اهرم (یا قانون لحظات) زیربنای عمل است انواع مختلفابزارها و وسایلی که در تکنولوژی و زندگی روزمره مورد استفاده قرار می گیرند، جایی که به افزایش قدرت یا سفر نیاز است.

ما هنگام کار با قیچی قدرت بیشتری داریم. قیچی - این یک اهرم است(انجیر) که محور چرخش آن از طریق پیچی که هر دو نیمه قیچی را به هم وصل می کند انجام می شود. نیروی بازیگر اف 1 قدرت عضلانی دست فردی است که قیچی را گرفته است. نیروی متقابل اف 2 نیروی مقاومت ماده ای است که با قیچی بریده می شود. بسته به هدف قیچی، طراحی آنها متفاوت است. قیچی های اداری که برای برش کاغذ طراحی شده اند، دارای تیغه ها و دسته های بلندی هستند که طول آنها تقریبا یکسان است. برش کاغذ نیازی به نیروی زیادی ندارد و تیغه بلند آن را در یک خط مستقیم آسان تر می کند. قیچی برای برش ورق فلز (شکل) دارای دسته های بسیار بلندتر از تیغه ها است، زیرا نیروی مقاومت فلز زیاد است و برای متعادل کردن آن، بازوی نیروی عامل باید به میزان قابل توجهی افزایش یابد. تفاوت بین طول دسته ها و فاصله قسمت برش و محور چرخش بیشتر است. سیم بر، دم باریک(شکل)، طراحی شده برای برش سیم.

اهرم ها انواع مختلفدر بسیاری از خودروها موجود است. دسته چرخ خیاطی، پدال یا ترمز دستی دوچرخه، پدال ماشین و تراکتور و کلیدهای پیانو همگی نمونه هایی از اهرم های مورد استفاده در این ماشین ها و ابزارها هستند.

نمونه هایی از استفاده از اهرم ها عبارتند از دستگیره های گیره و میز کار، اهرم دستگاه حفاری و غیره.

عمل ترازوهای اهرمی بر اساس اصل اهرم است (شکل). مقیاس های آموزشی نشان داده شده در شکل 48 (ص 42) به عنوان عمل می کنند اهرم هم بازو . که در مقیاس های اعشاریشانه ای که لیوان وزنه دار از آن آویزان است 10 برابر بیشتر از شانه حمل بار است. این کار وزن کردن بارهای بزرگ را بسیار آسان می کند. هنگام وزن کردن بار در مقیاس اعشاری، باید جرم وزنه ها را در 10 ضرب کنید.

دستگاه ترازو برای توزین واگن های باری واگن ها نیز بر اساس قاعده اهرم است.

اهرم ها نیز در قسمت های مختلف بدن حیوانات و انسان یافت می شود. اینها، به عنوان مثال، بازوها، پاها، فک ها هستند. اهرم های زیادی را می توان در بدن حشرات (با مطالعه کتابی در مورد حشرات و ساختار بدن آنها)، پرندگان و در ساختار گیاهان یافت.

کاربرد قانون تعادل یک اهرم در یک بلوک.

مسدود کردناین یک چرخ با شیار است که در یک نگهدارنده نصب شده است. یک طناب، کابل یا زنجیره از شیار بلوک عبور داده می شود.

بلوک ثابت به این بلوک می گویند که محور آن ثابت است و هنگام بلند کردن بار بالا یا پایین نمی رود (شکل).

یک بلوک ثابت را می توان به عنوان یک اهرم با بازو مساوی در نظر گرفت که در آن بازوهای نیروها برابر با شعاع چرخ هستند (شکل): OA = OB = r. چنین بلوکی باعث افزایش قدرت نمی شود. ( اف 1 = اف 2)، اما به شما امکان می دهد جهت نیرو را تغییر دهید. بلوک متحرک - این یک بلوک است. که محور آن همراه با بار بالا و پایین می رود (شکل). شکل اهرم مربوطه را نشان می دهد: در باره- نقطه تکیه اهرم، OA- قدرت شانه آرو OB- قدرت شانه اف. از شانه OB 2 برابر شانه OA، سپس قدرت اف 2 برابر نیروی کمتر آر:

F = P/2 .

بدین ترتیب، بلوک متحرک افزایش 2 برابری در استحکام می دهد .

این را می توان با استفاده از مفهوم گشتاور نیرو اثبات کرد. هنگامی که بلوک در تعادل است، گشتاور نیروها افو آربرابر یکدیگر. اما شانه قدرت اف 2 برابر اهرم آرو بنابراین خود قدرت اف 2 برابر نیروی کمتر آر.

معمولاً در عمل از ترکیب یک بلوک ثابت و یک بلوک متحرک استفاده می شود (شکل). بلوک ثابت فقط برای راحتی استفاده می شود. در نیرو افزایشی نمی دهد، اما جهت نیرو را تغییر می دهد. به عنوان مثال، به شما این امکان را می دهد که در حالی که روی زمین ایستاده اید باری را بلند کنید. این برای بسیاری از افراد یا کارگران مفید است. با این حال، افزایش قدرت را 2 برابر بیشتر از حد معمول می دهد!

برابری کار هنگام استفاده از مکانیسم های ساده. "قانون طلایی" مکانیک.

مکانیسم‌های ساده‌ای که در نظر گرفته‌ایم هنگام انجام کار در مواردی استفاده می‌شود که لازم است نیروی دیگری را از طریق عمل یک نیرو متعادل کنیم.

طبیعتاً این سؤال پیش می‌آید: آیا در حالی که قدرت یا مسیر را افزایش می‌دهد، مکانیسم‌های ساده باعث افزایش کار نمی‌شوند؟ پاسخ این سوال را می توان از روی تجربه به دست آورد.

با متعادل کردن دو نیروی قدر متفاوت روی یک اهرم اف 1 و اف 2 (شکل)، اهرم را در حرکت قرار دهید. معلوم می شود که در همان زمان نقطه اعمال نیروی کوچکتر است اف 2 فراتر می رود س 2، و نقطه اعمال نیروی بیشتر اف 1- مسیر کوتاهتر س 1. با اندازه گیری این مسیرها و ماژول های نیرو، متوجه می شویم که مسیرهایی که نقاط اعمال نیرو روی اهرم طی می کنند با نیروها نسبت معکوس دارند:

س 1 / س 2 = اف 2 / اف 1.

بنابراین، با عمل بر روی بازوی بلند اهرم، ما قدرت می گیریم، اما در عین حال به همان میزان در طول راه ضرر می کنیم.

محصول نیرو افدر راه سکار وجود دارد آزمایشات ما نشان می دهد که کار انجام شده توسط نیروهای اعمال شده به اهرم با یکدیگر برابر است:

اف 1 س 1 = اف 2 س 2، یعنی آ 1 = آ 2.

بنابراین، هنگام استفاده از اهرم، نمی توانید در محل کار برنده شوید.

با استفاده از اهرم، می توانیم قدرت یا فاصله را به دست آوریم. با اعمال نیرو به بازوی کوتاه اهرم، در مسافت افزایش می‌دهیم، اما به همان میزان قدرت از دست می‌دهیم.

افسانه ای وجود دارد که ارشمیدس، خوشحال از کشف قانون اهرم، فریاد زد: "به من تکیه گاه بدهید و من زمین را برگردانم!"

البته ارشمیدس حتی اگر به او یک تکیه گاه (که باید خارج از زمین می بود) و اهرمی به طول لازم داده می شد، نمی توانست با چنین وظیفه ای کنار بیاید.

برای بالا بردن زمین فقط 1 سانتی متر، بازوی بلند اهرم باید یک قوس با طول بسیار زیاد را توصیف کند. میلیون ها سال طول می کشد تا انتهای طولانی اهرم در این مسیر مثلاً با سرعت 1 متر بر ثانیه حرکت کند!

یک بلوک ثابت هیچ سودی در کار ایجاد نمی کند،که به راحتی می توان آزمایشی را تأیید کرد (شکل را ببینید). مسیرهایی که نقاط اعمال نیرو طی می کنند افو اف، یکسان هستند، نیروها یکی هستند، یعنی کار یکسان است.

می توانید کار انجام شده را با کمک یک بلوک متحرک اندازه گیری و مقایسه کنید. برای بلند کردن بار به ارتفاع h با استفاده از یک بلوک متحرک، باید انتهای طناب را که دینامومتر به آن متصل شده است، همانطور که تجربه نشان می دهد (شکل.) تا ارتفاع 2 ساعت حرکت داد.

بدین ترتیب، با افزایش قدرت 2 برابری ، آنها در راه 2 برابر از دست می دهند ، بنابراین بلوک متحرک افزایشی در کار ایجاد نمی کند.

رویه قرن ها این را نشان داده است هیچ یک از مکانیسم ها باعث افزایش عملکرد نمی شود.همان را اعمال می کنند مکانیسم های مختلفبه منظور پیروزی در قدرت یا در راه، بسته به شرایط کاری.

قبلاً دانشمندان باستانی قانون قابل اجرا برای همه مکانیسم ها را می دانستند: مهم نیست چند بار در قدرت پیروز می شویم، همان تعداد دفعاتی که در مسافت می باختیم. این قانون را «قاعده طلایی» مکانیک نامیده اند.

کارایی مکانیزم

هنگام در نظر گرفتن طراحی و عملکرد اهرم، اصطکاک و همچنین وزن اهرم را در نظر نگرفتیم. تحت این شرایط ایده آل، کار انجام شده توسط نیروی اعمال شده (ما این کار را می نامیم پر شده)، برابر است با مفیدکار بر روی بلند کردن بارها یا غلبه بر هرگونه مقاومت.

در عمل، کل کار انجام شده با کمک یک مکانیسم همیشه کمی بیشتر است کار مفید.

بخشی از کار در برابر نیروی اصطکاک موجود در مکانیزم و با حرکت دادن تک تک قطعات آن انجام می شود. بنابراین، هنگام استفاده از یک بلوک متحرک، باید علاوه بر این کار را برای بلند کردن خود بلوک، طناب و تعیین نیروی اصطکاک در محور بلوک انجام دهید.

هر مکانیزمی که در نظر بگیریم، کار مفیدی که با کمک آن انجام می شود، همیشه تنها بخشی از کل کار را تشکیل می دهد. یعنی با نشان دادن کار مفید با حرف Ap، کار کل (هزینه شده) با حرف Az، می توانیم بنویسیم:

بالا< Аз или Ап / Аз < 1.

نسبت کار مفید به کل کار را بازده مکانیزم می گویند.

ضریب کارایی به اختصار بازده نامیده می شود.

کارایی = Ap / Az.

کارایی معمولاً به صورت درصد بیان می شود و با حرف یونانی η که به عنوان "eta" خوانده می شود نشان داده می شود:

η = Ap / Az · 100%.

مثال: باری به وزن 100 کیلوگرم بر روی بازوی کوتاه یک اهرم معلق است. برای بلند کردن آن، نیروی 250 نیوتن به بازوی بلند وارد می شود. بار تا ارتفاع h1 = 0.08 متر بالا می رود، در حالی که نقطه اعمال نیروی محرکه به ارتفاع h2 = 0.4 متر کاهش می یابد. کارایی اهرم

بیایید شرایط مشکل را بنویسیم و آن را حل کنیم.

داده شده :

راه حل :

η = Ap / Az · 100%.

کل (صرف شده) کار Az = Fh2.

کار مفید Ap = Рh1

P = 9.8 100 کیلوگرم ≈ 1000 نیوتن.

Ap = 1000 N · 0.08 = 80 J.

Az = 250 نیوتن · 0.4 متر = 100 جی.

η = 80 J/100 J 100% = 80%.

پاسخ : η = 80%.

ولی " قانون طلایی"در این مورد نیز انجام می شود. بخشی از کار مفید - 20٪ از آن - صرف غلبه بر اصطکاک در محور اهرم و مقاومت هوا و همچنین حرکت خود اهرم می شود.

راندمان هر مکانیزم همیشه کمتر از 100٪ است. هنگام طراحی مکانیسم ها، افراد در تلاش هستند تا کارایی خود را افزایش دهند. برای رسیدن به این هدف، اصطکاک در محور مکانیسم ها و وزن آنها کاهش می یابد.

انرژی.

در کارخانه ها و کارخانجات، ماشین ها و ماشین ها توسط موتورهای الکتریکی به حرکت در می آیند که مصرف می کنند انرژی الکتریکی(از این رو نام).

فنر فشرده (شکل)، هنگامی که صاف می شود، کار می کند، بار را تا ارتفاع بالا می برد یا گاری را به حرکت در می آورد.

بار ثابتی که از سطح زمین بلند می شود کار نمی کند، اما اگر این بار بیفتد، می تواند کار را انجام دهد (مثلاً می تواند شمع را به داخل زمین بکشد).

هر جسم متحرکی توانایی انجام کار را دارد. بنابراین، یک توپ فولادی A (انجیر) که از یک صفحه شیبدار به پایین می غلتد و به بلوک چوبی B برخورد می کند، آن را به فاصله معینی حرکت می دهد. در عین حال کار انجام می شود.

اگر یک جسم یا چند جسم متقابل (سیستمی از اجسام) بتوانند کار کنند، می گویند انرژی دارند.

انرژی - یک کمیت فیزیکی که نشان می دهد یک بدن (یا چند بدن) چقدر کار می تواند انجام دهد. انرژی در سیستم SI در همان واحدهای کار بیان می شود، یعنی در ژول.

هر چه بدن بتواند کار بیشتری انجام دهد، انرژی بیشتری دارد.

وقتی کار انجام می شود، انرژی اجسام تغییر می کند. کار انجام شده برابر با تغییر انرژی است.

انرژی بالقوه و جنبشی.

بالقوه (از لات.قدرت - امکان) انرژی انرژی است که با موقعیت نسبی اجسام متقابل و اجزای همان جسم تعیین می شود.

برای مثال، انرژی بالقوه در اختیار جسمی است که نسبت به سطح زمین بلند شده است، زیرا انرژی به موقعیت نسبی آن و زمین بستگی دارد. و جذابیت متقابل آنها اگر انرژی پتانسیل جسمی را که روی زمین قرار دارد را صفر در نظر بگیریم، آنگاه انرژی پتانسیل جسمی که تا ارتفاع معینی بالا رفته است با کار انجام شده توسط گرانش هنگام سقوط جسم به زمین تعیین می شود. اجازه دهید انرژی بالقوه بدن را نشان دهیم E n، زیرا E = Aو کار همانطور که می دانیم برابر است با حاصل ضرب نیرو و مسیر

A = Fh,

جایی که اف- جاذبه زمین.

این بدان معنی است که انرژی پتانسیل En برابر است با:

E = Fh، یا E = gmh،

جایی که g- شتاب سقوط آزاد, متر- جرم بدن، ساعت- ارتفاعی که بدن به آن بلند شده است.

آب رودخانه‌هایی که توسط سدها نگهداری می‌شوند دارای انرژی بالقوه بسیار زیادی هستند. با سقوط، آب کار می کند و توربین های قدرتمند نیروگاه ها را به حرکت در می آورد.

انرژی پتانسیل یک چکش کوپرا (شکل) در ساخت و ساز برای انجام کار شمع های رانده استفاده می شود.

هنگام باز کردن درب با فنر، کار کشش (یا فشرده سازی) فنر انجام می شود. با توجه به انرژی به دست آمده، فنر، منقبض (یا صاف) کار می کند و درب را می بندد.

انرژی فنرهای فشرده و نپیچیده به عنوان مثال در ساعت‌ها، اسباب‌بازی‌های مختلف بادگیر و غیره استفاده می‌شود.

هر جسم تغییر شکل الاستیک دارای انرژی بالقوه است.انرژی پتانسیل گاز فشرده در عملکرد موتورهای حرارتی، در چکش‌های چکش که کاربرد وسیعی در صنعت معدن دارند، در راه‌سازی، حفاری خاک سخت و غیره استفاده می‌شود.

انرژی که جسم در نتیجه حرکت خود دارد جنبشی نامیده می شود (از یونانی.سینما - حرکت) انرژی.

انرژی جنبشی یک جسم با حرف نشان داده می شود Eبه.

حرکت آب، به حرکت درآوردن توربین های نیروگاه های برق آبی، انرژی جنبشی خود را صرف می کند و کار می کند. هوای متحرک، باد نیز دارای انرژی جنبشی است.

انرژی جنبشی به چه چیزی بستگی دارد؟ بیایید به تجربه روی آوریم (شکل را ببینید). اگر توپ A را از ارتفاع‌های مختلف بغلتانید، متوجه می‌شوید که هر چه توپ از ارتفاع بیشتری بغلتد، سرعت آن بیشتر می‌شود و هر چه بلوک را جلوتر می‌برد، یعنی کار بیشتری انجام می‌دهد. این بدان معناست که انرژی جنبشی یک جسم به سرعت آن بستگی دارد.

گلوله پرنده به دلیل سرعتی که دارد انرژی جنبشی بالایی دارد.

انرژی جنبشی یک جسم به جرم آن نیز بستگی دارد. بیایید دوباره آزمایش خود را انجام دهیم، اما یک توپ دیگر با جرم بیشتر را از صفحه شیبدار بغلتانیم. نوار B جلوتر خواهد رفت، یعنی کار بیشتری انجام خواهد شد. این بدان معناست که انرژی جنبشی توپ دوم از توپ اول بیشتر است.

هر چه جرم جسم و سرعت حرکت آن بیشتر باشد، انرژی جنبشی آن بیشتر است.

برای تعیین انرژی جنبشی یک جسم از فرمول استفاده می شود:

Ek = mv^2/2،

جایی که متر- جرم بدن، v- سرعت حرکت بدن

از انرژی جنبشی اجسام در فناوری استفاده می شود. همانطور که قبلا ذکر شد، آب حفظ شده توسط سد دارای انرژی بالقوه زیادی است. وقتی آب از سد می افتد، حرکت می کند و همان انرژی جنبشی بالایی دارد. توربین متصل به ژنراتور را به حرکت در می آورد جریان الکتریسیته. با توجه به انرژی جنبشی آب، انرژی الکتریکی تولید می شود.

انرژی حرکت آب دارد پراهمیت V اقتصاد ملی. این انرژی با استفاده از نیروگاه های برق آبی قدرتمند استفاده می شود.

انرژی آب در حال سقوط برخلاف انرژی سوخت یک منبع انرژی دوستدار محیط زیست است.

تمام اجسام موجود در طبیعت، نسبت به مقدار معمولی صفر، دارای انرژی پتانسیل یا جنبشی و گاهی اوقات هر دو با هم هستند. به عنوان مثال، یک هواپیمای پرنده دارای انرژی جنبشی و پتانسیل نسبت به زمین است.

با دو نوع انرژی مکانیکی آشنا شدیم. انواع دیگر انرژی (الکتریکی، داخلی و ...) در سایر بخش های درس فیزیک مورد بحث قرار خواهد گرفت.

تبدیل یک نوع انرژی مکانیکی به نوع دیگر.

مشاهده پدیده تبدیل یک نوع انرژی مکانیکی به نوع دیگر بر روی دستگاه نشان داده شده در شکل بسیار راحت است. با پیچاندن نخ روی محور، دیسک دستگاه بلند می شود. دیسکی که به سمت بالا بلند شده است مقداری انرژی بالقوه دارد. اگر آن را رها کنید، می چرخد و شروع به سقوط می کند. با سقوط، انرژی پتانسیل دیسک کاهش می یابد، اما در عین حال انرژی جنبشی آن افزایش می یابد. در پایان سقوط، دیسک دارای چنان ذخیره ای از انرژی جنبشی است که می تواند دوباره به ارتفاع قبلی خود برسد. (بخشی از انرژی صرف کار بر خلاف نیروی اصطکاک می شود، بنابراین دیسک به ارتفاع اولیه خود نمی رسد.) پس از بالا آمدن، دیسک دوباره می افتد و سپس دوباره بالا می رود. در این آزمایش وقتی دیسک به سمت پایین حرکت می کند، انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی و زمانی که به سمت بالا حرکت می کند، انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل تبدیل می شود.

تبدیل انرژی از یک نوع به نوع دیگر نیز هنگام برخورد دو جسم اتفاق می افتد. بدنه های الاستیکبه عنوان مثال، یک توپ لاستیکی روی زمین یا یک توپ فولادی روی یک صفحه فولادی.

اگر یک گلوله فولادی (برنج) را بالای یک صفحه فولادی بردارید و آن را از دستان خود رها کنید، می افتد. با سقوط توپ، انرژی پتانسیل آن کاهش می یابد و انرژی جنبشی آن افزایش می یابد، زیرا سرعت توپ افزایش می یابد. وقتی توپ به صفحه برخورد می کند، هم توپ و هم صفحه فشرده می شوند. انرژی جنبشی که توپ داشت به انرژی پتانسیل صفحه فشرده و توپ فشرده تبدیل می شود. سپس به لطف عمل نیروهای کشسان، صفحه و توپ شکل اصلی خود را به خود می گیرند. توپ از روی دال پرش می کند و انرژی پتانسیل آنها دوباره به انرژی جنبشی توپ تبدیل می شود: توپ با سرعتی تقریباً برابر با سرعتی که در لحظه برخورد به دال داشت به سمت بالا می پرد. با بالا رفتن توپ به سمت بالا، سرعت توپ و در نتیجه انرژی جنبشی آن کاهش می یابد، در حالی که انرژی پتانسیل افزایش می یابد. توپ پس از پریدن از صفحه، تقریباً به همان ارتفاعی که از آن شروع به سقوط کرد بالا می رود. که در نقطه بالابا بالا رفتن، تمام انرژی جنبشی آن دوباره به پتانسیل تبدیل می شود.

پدیده های طبیعی معمولاً با تبدیل یک نوع انرژی به نوع دیگر همراه است.

انرژی می تواند از جسمی به جسم دیگر منتقل شود. به عنوان مثال، هنگام تیراندازی با کمان، انرژی پتانسیل یک رشته کمان کشیده شده به انرژی جنبشی یک تیر پرنده تبدیل می شود.