« Fizika - 10. razred"
Zakon održanja energije je temeljni zakon prirode koji nam omogućava da opišemo većinu pojava.
Opis kretanja tijela također je moguć korištenjem pojmova dinamike kao što su rad i energija.
Zapamtite šta su rad i snaga u fizici.
Poklapaju li se ovi koncepti sa svakodnevnim idejama o njima?
Sve naše svakodnevne radnje svode se na to da mi, uz pomoć mišića, ili pokrećemo okolna tijela i održavamo to kretanje, ili zaustavljamo tijela koja se kreću.
Ova tijela su alati (čekić, olovka, pila), u igrama - lopte, pakovi, šahovske figure. U proizvodnji i poljoprivredi ljudi također pokreću alate.
Upotreba mašina višestruko povećava produktivnost rada zbog upotrebe motora u njima.
Svrha svakog motora je da pokreće tijela i održava to kretanje, uprkos kočenju i uobičajenim trenjem i „radnim“ otporom (rezač ne treba samo da klizi po metalu, već, urezujući u njega, uklanja strugotine; plug bi trebao popustiti zemlju, itd.). U tom slučaju na tijelo koje se kreće mora djelovati sila sa strane motora.
Rad se u prirodi obavlja kad god sila (ili više sila) iz drugog tijela (drugih tijela) djeluje na tijelo u smjeru njegovog kretanja ili protiv njega.
Sila gravitacije djeluje kada kapi kiše ili kamenje padaju sa litice. Istovremeno, rad obavlja i sila otpora koja djeluje na padajuće kapi ili na kamen iz zraka. Sila elastičnosti takođe obavlja rad kada se drvo savijeno vetrom ispravi.
Definicija posla.
Drugi Newtonov zakon u obliku impulsa Δ = Δt omogućava vam da odredite kako se brzina tijela mijenja u veličini i smjeru ako na njega djeluje sila tokom vremena Δt.
Utjecaj sila na tijela koje dovode do promjene modula njihove brzine karakterizira vrijednost koja ovisi i o silama i o kretanjima tijela. U mehanici se ova veličina naziva rad sile.
Promjena brzine u apsolutnoj vrijednosti moguća je samo u slučaju kada je projekcija sile F r na smjer kretanja tijela različita od nule. Upravo ova projekcija određuje djelovanje sile koja mijenja brzinu tijela po modulu. Ona radi posao. Stoga se rad može smatrati proizvodom projekcije sile F r na modul pomaka |Δ| (Slika 5.1):
A = F r |Δ|. (5.1)
Ako je ugao između sile i pomaka označen sa α, onda Fr = Fcosα.
Dakle, rad je jednak:
A = |Δ|cosα. (5.2)
Naša svakodnevna ideja rada razlikuje se od definicije rada u fizici. Držite težak kofer i čini vam se da radite posao. Međutim, sa fizičke tačke gledišta, vaš rad je nula.
Rad konstantne sile jednak je proizvodu modula sile i pomaka tačke primjene sile i kosinusa ugla između njih.
U opštem slučaju, kada se kruto tijelo kreće, pomaci njegovih različitih tačaka su različiti, ali kada se određuje rad sile, mi smo pod Δ razumijemo kretanje njegove tačke primjene. Prilikom translacionog kretanja krutog tijela, kretanje svih njegovih tačaka poklapa se sa kretanjem tačke primjene sile.
Rad, za razliku od sile i pomaka, nije vektorska veličina, već skalarna veličina. Može biti pozitivan, negativan ili nula.
Predznak rada je određen predznakom kosinusa ugla između sile i pomaka. Ako je α< 90°, то А >0, pošto je kosinus oštrih uglova pozitivan. Za α > 90°, rad je negativan, jer je kosinus tupih uglova negativan. Pri α = 90° (sila okomita na pomak) ne radi se.
Ako na tijelo djeluje više sila, tada je projekcija rezultantne sile na pomak jednaka zbroju projekcija pojedinačnih sila:
F r = F 1r + F 2r + ... .
Dakle, za rad rezultantne sile dobijamo
A = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + ... = A 1 + A 2 + .... (5.3)
Ako na tijelo djeluje više sila, tada je ukupan rad (algebarski zbir rada svih sila) jednak radu rezultantne sile.
Rad koji vrši sila može se grafički prikazati. Objasnimo to tako što ćemo na slici prikazati ovisnost projekcije sile o koordinatama tijela kada se kreće pravolinijski.
Neka se tijelo onda kreće duž ose OX (slika 5.2).
Fcosα = F x , |Δ| = Δ x.
Za rad sile dobijamo
A = F|Δ|cosα = F x Δx.
Očigledno je da je površina pravokutnika zasjenjenog na slici (5.3, a) brojčano jednaka radu pri pomicanju tijela iz tačke s koordinatom x1 u tačku s koordinatom x2.
Formula (5.1) vrijedi u slučaju kada je projekcija sile na pomak konstantna. U slučaju krivolinijske putanje, konstantne ili promjenjive sile, putanju dijelimo na male segmente, koji se mogu smatrati pravolinijskim, a projekciju sile pri malom pomaku Δ - konstantno.
Zatim, izračunavanje rada na svakom pokretu Δ
a zatim sumirajući ove radove odredimo rad sile na konačnom pomaku (slika 5.3, b). Jedinica rada.
Jedinica rada se može odrediti pomoću osnovne formule (5.2). Ako pri pomicanju tijela za jediničnu dužinu na njega djeluje sila čiji je modul jednak jedan, a smjer sile se poklapa sa smjerom kretanja njene tačke primjene (α = 0), tada rad će biti jednak jedinici. Jedinica rada Međunarodnog sistema (SI) je džul (označen sa J):
1 J = 1 N 1 m = 1 N m.
Joule- ovo je rad koji izvrši sila od 1 N na pomaku 1 ako se pravci sile i pomaka poklapaju.
Često se koristi više jedinica rada: kilodžul i megadžul:
1 kJ = 1000 J,
1 MJ = 1000000 J.
Radovi se mogu završiti u dužem vremenskom periodu ili u vrlo kratkom roku. U praksi, međutim, nije svejedno da li se posao može obaviti brzo ili sporo. Vrijeme u kojem se obavlja rad određuje performanse svakog motora. Mali električni motor može obaviti mnogo posla, ali će mu trebati dosta vremena. Stoga se uz rad uvodi i količina koja karakterizira brzinu kojom se proizvodi - snaga.
Snaga je odnos rada A i vremenskog intervala Δt tokom kojeg se ovaj rad obavlja, odnosno snaga je brzina rada:
Zamjenjujući u formulu (5.4) umjesto rada A njen izraz (5.2), dobijamo
Dakle, ako su sila i brzina tijela konstantne, tada je snaga jednaka proizvodu veličine vektora sile sa veličinom vektora brzine i kosinusom ugla između smjerova ovih vektora. Ako su ove veličine promjenjive, onda se pomoću formule (5.4) može odrediti prosječna snaga na sličan način kao i prosječna brzina tijela.
Koncept snage se uvodi za procjenu rada u jedinici vremena koji obavlja bilo koji mehanizam (pumpa, dizalica, motor mašine itd.). Stoga se u formulama (5.4) i (5.5) uvijek misli na vučnu silu.
U SI, snaga je izražena u vati (W).
Snaga je jednaka 1 W ako se rad od 1 J izvrši za 1 s.
Uz vat, koriste se veće (više) jedinice snage:
1 kW (kilovat) = 1000 W,
1 MW (megavat) = 1.000.000 W.
Svi znaju. Čak i djeca rade, u vrtiću - kao mališani. Međutim, općeprihvaćena, svakodnevna ideja daleko je od iste kao koncept mehaničkog rada u fizici. Na primjer, muškarac stoji i drži torbu u rukama. U uobičajenom smislu, radi tako što drži teret. Međutim, sa stanovišta fizike, to ne čini ništa slično. Sta je bilo?
Budući da se postavljaju takva pitanja, vrijeme je da se prisjetimo definicije. Kada se na predmet primeni sila i telo se pomera pod njenim dejstvom, vrši se mehanički rad. Ova vrijednost je proporcionalna putanji koju pređe tijelo i primijenjenoj sili. Postoji i dodatna ovisnost o smjeru primjene sile i smjeru kretanja tijela.
Tako smo uveli takav koncept kao što je mehanički rad. Fizika ga definira kao proizvod veličine sile i pomaka, pomnoženog sa vrijednošću kosinusa ugla, koji postoji u najopštijem slučaju između njih. Kao primjer možemo razmotriti nekoliko slučajeva koji će nam omogućiti da bolje razumijemo šta se pod tim podrazumijeva.
Kada se mehanički rad ne izvodi? Kamion stoji tu, guramo ga, ali se ne miče. Sila je primijenjena, ali nema kretanja. Obavljeni posao je nula. Evo još jednog primjera - majka nosi dijete u kolicima, u ovom slučaju posao je obavljen, sila se primjenjuje, kolica se kreću. Razlika u dva opisana slučaja je prisustvo pokreta. I prema tome, posao je obavljen (primjer s kolicima) ili nije obavljen (primjer s kamionom).
Još jedan slučaj - dječak na biciklu je ubrzao i mirno se kotrlja po stazi, ne okrećući pedale. Da li se posao obavlja? Ne, iako postoji kretanje, nema primijenjene sile, kretanje se vrši po inerciji.
Drugi primjer je konj koji vuče kola, a vozač sjedi na njima. Da li radi? Postoji kretanje, postoji primijenjena sila (težina vozača djeluje na kolica), ali se rad ne obavlja. Ugao između pravca kretanja i pravca sile je 90 stepeni, a kosinus ugla od 90° je nula.
Gore navedeni primjeri jasno pokazuju da mehanički rad nije samo proizvod dvije veličine. Takođe mora uzeti u obzir kako su te količine usmjerene. Ako se smjer kretanja i smjer djelovanja sile poklapaju, tada će rezultat biti pozitivan, ako se smjer kretanja odvija suprotno smjeru primjene sile, tada će rezultat biti negativan (na primjer, obavljeni rad silom trenja pri pomicanju tereta).
Osim toga, mora se uzeti u obzir da sila koja djeluje na tijelo može biti rezultat više sila. Ako je to tako, onda je rad svih sila primijenjenih na tijelo jednak radu rezultujuće sile. Rad se mjeri u džulovima. Jedan džul jednak je radu koji izvrši sila od jednog njutna kada se tijelo pomjeri za jedan metar.
Iz razmotrenih primjera može se izvući izuzetno zanimljiv zaključak. Kada smo pogledali vozača na kolicima, utvrdili smo da ne radi. Rad se obavlja u horizontalnoj ravni jer se tu dešava kretanje. Ali situacija se malo mijenja kada uzmemo u obzir pješaka.
Kada hoda, čovjekovo težište ne ostaje nepomično, on se kreće u okomitoj ravni i stoga radi. A budući da je pokret usmjeren protiv, rad će se odvijati u suprotnom smjeru čak i ako je pokret mali, ali tokom dugog hoda tijelo će morati dodatno raditi. Dakle, pravilan hod smanjuje ovaj dodatni rad i smanjuje umor.
Analizirajući nekoliko jednostavnih životnih situacija, odabranih kao primjere, i koristeći znanje o tome šta je mehanički rad, ispitali smo glavne situacije njegovog ispoljavanja, kao i kada i kakav posao se izvodi. Utvrdili smo da pojam rada u svakodnevnom životu i fizici ima drugačiju prirodu. A primjenom fizičkih zakona utvrdili su da nepravilan hod uzrokuje dodatni zamor.
Mehanički rad. Jedinice rada.
U svakodnevnom životu sve shvatamo pod pojmom „rad“.
U fizici, koncept Posao donekle drugačije. To je određena fizička veličina, što znači da se može izmjeriti. U fizici se prvenstveno proučava mehanički rad .
Pogledajmo primjere mehaničkog rada.
Voz se kreće pod vučnom silom električne lokomotive, a izvodi se mehanički rad. Kada se puca iz pištolja, sila pritiska barutnih plinova radi - pomiče metak duž cijevi, a brzina metka se povećava.
Iz ovih primjera je jasno da se mehanički rad vrši kada se tijelo kreće pod djelovanjem sile. Mehanički rad se izvodi i u slučaju kada sila koja djeluje na tijelo (na primjer, sila trenja) smanjuje brzinu njegovog kretanja.
U želji da pomjerimo ormar, snažno ga pritisnemo, ali ako se ne pomjera, onda ne izvodimo mehanički rad. Može se zamisliti slučaj kada se tijelo kreće bez sudjelovanja sila (po inerciji se također ne vrši mehanički rad).
dakle, mehanički rad se vrši samo kada na tijelo djeluje sila i ono se kreće .
Nije teško shvatiti da što veća sila djeluje na tijelo i što je duži put koji tijelo prolazi pod uticajem te sile, to je veći rad koji se obavlja.
Mehanički rad je direktno proporcionalan primijenjenoj sili i direktno proporcionalan prijeđenoj udaljenosti .
Stoga smo se dogovorili da mehanički rad mjerimo umnoškom sile i putanje koju pređe u ovom smjeru ove sile:
rad = sila × putanja
Gdje A- posao, F- snaga i s- pređena udaljenost.
Jedinicom rada se smatra rad koji izvrši sila od 1N na putu od 1 m.
Jedinica rada - joule (J ) nazvan po engleskom naučniku Jouleu. dakle,
1 J = 1N m.
Također se koristi kilodžula (kJ) .
1 kJ = 1000 J.
Formula A = Fs primjenjivo kada je sila F konstantan i poklapa se sa smjerom kretanja tijela.
Ako se smjer sile poklapa sa smjerom kretanja tijela, tada ova sila vrši pozitivan rad.
Ako se tijelo kreće u smjeru suprotnom od smjera primijenjene sile, na primjer, sila trenja klizanja, tada ova sila vrši negativan rad.
Ako je smjer sile koja djeluje na tijelo okomit na smjer kretanja, tada ta sila ne radi nikakav rad, rad je jednak nuli:
Ubuduće, govoreći o mehaničkom radu, ukratko ćemo ga zvati jednom riječju - rad.
Primjer. Izračunajte urađeni rad pri podizanju granitne ploče zapremine 0,5 m3 na visinu od 20 m. Gustoća granita je 2500 kg/m3.
Dato:
ρ = 2500 kg/m 3
Rješenje:
gdje je F sila koja se mora primijeniti da bi se ploča ravnomjerno podigla. Ova sila je po modulu jednaka sili Fstrand koja djeluje na ploču, tj. F = Fstrand. A sila gravitacije može se odrediti masom ploče: Fweight = gm. Izračunajmo masu ploče, znajući njenu zapreminu i gustinu granita: m = ρV; s = h, tj. putanja je jednaka visini dizanja.
Dakle, m = 2500 kg/m3 · 0,5 m3 = 1250 kg.
F = 9,8 N/kg · 1250 kg ≈ 12 250 N.
A = 12.250 N · 20 m = 245.000 J = 245 kJ.
Odgovori: A =245 kJ.
Poluge.Snaga.Energija
Različitim motorima je potrebno različito vrijeme da završe isti posao. Na primjer, dizalica na gradilištu podiže stotine cigli na gornji kat zgrade za nekoliko minuta. Ako bi ove cigle pomjerao radnik, za to bi mu trebalo nekoliko sati. Još jedan primjer. Konj može preorati hektar zemlje za 10-12 sati, dok traktor sa višestrukim plugom ( ralo- dio pluga koji siječe sloj zemlje odozdo i prenosi ga na deponiju; višeramenica - mnogo raonika), ovaj posao će biti završen za 40-50 minuta.
Jasno je da kran radi isti posao brže od radnika, a traktor isti posao brže od konja. Brzinu rada karakteriše posebna veličina koja se zove snaga.
Snaga je jednaka odnosu rada i vremena tokom kojeg je obavljen.
Da biste izračunali snagu, morate podijeliti rad s vremenom u kojem je ovaj rad obavljen. snaga = rad/vrijeme.
Gdje N- moć, A- posao, t- vrijeme obavljenog posla.
Snaga je konstantna veličina kada se isti rad obavlja svake sekunde, u drugim slučajevima omjer A/t određuje prosječnu snagu:
N avg = A/t . Jedinicom snage se uzima snaga pri kojoj se rad J obavlja u 1 s.
Ova jedinica se zove vat ( W) u čast još jednog engleskog naučnika, Watta.
1 vat = 1 džul/1 sekunda, ili 1 W = 1 J/s.
Watt (džul po sekundi) - W (1 J/s).
Veće jedinice snage se široko koriste u tehnologiji - kilovat (kW), megavat (MW) .
1 MW = 1.000.000 W
1 kW = 1000 W
1 mW = 0,001 W
1 W = 0,000001 MW
1 W = 0,001 kW
1 W = 1000 mW
Primjer. Odrediti snagu protoka vode koja teče kroz branu ako je visina pada 25 m, a protok 120 m3 u minuti.
Dato:
ρ = 1000 kg/m3
Rješenje:
Masa vode koja pada: m = ρV,
m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120 000 kg (12 104 kg).
Gravitacija koja djeluje na vodu:
F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)
Rad po protoku u minuti:
A - 1.200.000 N · 25 m = 30.000.000 J (3 · 107 J).
Snaga protoka: N = A/t,
N = 30.000.000 J / 60 s = 500.000 W = 0,5 MW.
Odgovori: N = 0,5 MW.
Razni motori imaju snage u rasponu od stotinki i desetinki kilovata (motor električnog brijača, šivaće mašine) do stotina hiljada kilovata (vodene i parne turbine).
Tabela 5.
Snaga pojedinih motora, kW.
Svaki motor ima pločicu (pasoš motora), koja označava neke podatke o motoru, uključujući njegovu snagu.
Ljudska snaga u normalnim uslovima rada je u prosjeku 70-80 W. Prilikom skakanja ili trčanja uz stepenice, osoba može razviti snagu do 730 W, au nekim slučajevima i više.
Iz formule N = A/t slijedi da
Da bi se izračunao rad, potrebno je snagu pomnožiti sa vremenom tokom kojeg je ovaj rad obavljen.
Primjer. Motor sobnog ventilatora ima snagu od 35 vati. Koliko posla on uradi za 10 minuta?
Zapišimo uslove zadatka i riješimo ga.
Dato:
Rješenje:
A = 35 W * 600s = 21.000 W * s = 21.000 J = 21 kJ.
Odgovori A= 21 kJ.
Jednostavni mehanizmi.
Čovjek je od pamtivijeka koristio razne uređaje za obavljanje mehaničkih radova.
|
|
Svima je poznato da se težak predmet (kamen, ormarić, alatna mašina), koji se ne može pomicati rukom, može pomjeriti uz pomoć dovoljno dugačkog štapa - poluge.
Trenutno se vjeruje da su uz pomoć poluga prije tri hiljade godina, tokom izgradnje piramida u starom Egiptu, teške kamene ploče pomjerene i podignute na velike visine.
U mnogim slučajevima, umjesto podizanja teškog tereta na određenu visinu, može se kotrljati ili povući na istu visinu duž nagnute ravni ili podići pomoću blokova.
Uređaji koji se koriste za pretvaranje sile se nazivaju mehanizama .
Jednostavni mehanizmi uključuju: poluge i njegove vrste - blok, kapija; nagnuta ravnina i njene vrste - klin, vijak. U većini slučajeva, jednostavni mehanizmi se koriste za dobijanje snage, odnosno za višestruko povećanje sile koja djeluje na tijelo.
Jednostavni mehanizmi se nalaze kako u domaćinstvu tako i u svim složenim industrijskim i industrijskim mašinama koje režu, uvijaju i štancaju velike čelične limove ili izvlače najfinije niti od kojih se potom prave tkanine. Isti mehanizmi se mogu naći u savremenim složenim automatskim mašinama, mašinama za štampanje i brojanje.
Ruka poluge. Odnos sila na poluzi.
Razmotrimo najjednostavniji i najčešći mehanizam - polugu.
Poluga je kruto tijelo koje se može okretati oko fiksnog oslonca.
Slike pokazuju kako radnik koristi pajser kao polugu za podizanje tereta. U prvom slučaju, radnik na silu F pritisne kraj poluge B, u drugom - podiže kraj B.
Radnik treba da savlada težinu tereta P- sila usmjerena okomito prema dolje. Da bi to učinio, on okreće polugu oko ose koja prolazi kroz jedinicu nepomičan tačka preloma je tačka njenog oslonca O. Force F kojom radnik djeluje na polugu je manja sila P, tako radnik prima dobiti na snazi. Pomoću poluge možete podići tako težak teret da ga ne možete sami podići.
Na slici je prikazana poluga čija je osa rotacije O(uporište) se nalazi između tačaka primjene sila A I IN. Druga slika prikazuje dijagram ove poluge. Obe sile F 1 i F 2 koji djeluju na polugu usmjereni su u jednom smjeru.
Najkraća udaljenost između uporišta i prave linije duž koje sila djeluje na polugu naziva se krak sile.
Da biste pronašli krak sile, trebate spustiti okomicu od uporišta do linije djelovanja sile.Dužina ove okomice će biti krak ove sile. Slika to pokazuje OA- snaga ramena F 1; OB- snaga ramena F 2. Sile koje djeluju na polugu mogu je rotirati oko svoje ose u dva smjera: u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu. Da, snaga F 1 rotira polugu u smjeru kazaljke na satu, a sila F 2 rotira u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.
Uvjet pod kojim je poluga u ravnoteži pod utjecajem sila koje se na nju primjenjuju može se ustanoviti eksperimentalno. Mora se imati na umu da rezultat sile ne zavisi samo od njene numeričke vrednosti (modula), već i od tačke u kojoj je primenjena na telo, ili kako je usmerena.
Različiti utezi su okačeni na polugu (vidi sliku) sa obe strane oslonca tako da svaki put poluga ostaje u ravnoteži. Sile koje djeluju na polugu jednake su težinama ovih opterećenja. Za svaki slučaj mjere se moduli sile i njihova ramena. Iz iskustva prikazanog na slici 154, jasno je da je sila 2 N balansira silu 4 N. U ovom slučaju, kao što se može vidjeti sa slike, rame manje snage je 2 puta veće od ramena veće snage.
Na osnovu ovakvih eksperimenata ustanovljen je uslov (pravilo) ravnoteže poluge.
Poluga je u ravnoteži kada su sile koje djeluju na nju obrnuto proporcionalne krakovima tih sila.
Ovo pravilo se može napisati kao formula:
F 1/F 2 = l 2/ l 1 ,
Gdje F 1I F 2 - sile koje deluju na polugu, l 1I l 2 , - ramena ovih sila (vidi sliku).
Pravilo ravnoteže poluge uspostavio je Arhimed oko 287-212. BC e. (ali u posljednjem pasusu je rečeno da su poluge koristili Egipćani? Ili riječ „uspostavljena“ ovdje igra važnu ulogu?)
Iz ovog pravila slijedi da se manja sila može koristiti za balansiranje veće sile pomoću poluge. Neka jedan krak poluge bude 3 puta veći od drugog (vidi sliku). Zatim, primjenom sile od, na primjer, 400 N u tački B, možete podići kamen težine 1200 N. Da biste podigli još veći teret, potrebno je povećati dužinu kraka poluge na koju radnik djeluje.
Primjer. Pomoću poluge radnik podiže ploču tešku 240 kg (vidi sl. 149). Koju silu on primjenjuje na veći krak poluge od 2,4 m ako je manji krak 0,6 m?
Zapišimo uslove zadatka i riješimo ga.
Dato:
Rješenje:
Prema pravilu ravnoteže poluge, F1/F2 = l2/l1, odakle je F1 = F2 l2/l1, gdje je F2 = P težina kamena. Težina kamena asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N
Tada je F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.
Odgovori: F1 = 600 N.
U našem primjeru, radnik savladava silu od 2400 N, primjenjujući na polugu silu od 600 N, ali u ovom slučaju, ruka na koju radnik djeluje je 4 puta duža od one na koju djeluje težina kamena. ( l 1 : l 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).
Primjenom pravila poluge, manja sila može uravnotežiti veću silu. U tom slučaju, rame manje sile treba da bude duže od ramena veće snage.
Trenutak snage.
Već znate pravilo ravnoteže poluge:
F 1 / F 2 = l 2 / l 1 ,
Koristeći svojstvo proporcije (proizvod njegovih ekstremnih članova jednak je proizvodu njegovih srednjih članova), zapisujemo ga u ovom obliku:
F 1l 1 = F 2 l 2 .
Na lijevoj strani jednakosti je proizvod sile F 1 na njenom ramenu l 1, a desno - proizvod sile F 2 na njenom ramenu l 2 .
Zove se proizvod modula sile koja rotira tijelo i njegovo rame moment sile; označeno je slovom M. To znači
Poluga je u ravnoteži pod djelovanjem dvije sile ako je moment sile koja je rotira u smjeru kazaljke na satu jednak momentu sile koja je rotira u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.
Ovo pravilo se zove pravilo trenutaka , može se napisati kao formula:
M1 = M2
Zaista, u eksperimentu koji smo razmatrali (§ 56), sile koje djeluju bile su jednake 2 N i 4 N, njihova ramena su iznosila 4 odnosno 2 pritiska poluge, tj. momenti ovih sila su isti kada je poluga u ravnoteži .
Moment sile, kao i svaka fizička veličina, može se izmjeriti. Jedinicom momenta sile uzima se moment sile od 1 N, čiji je krak tačno 1 m.
Ova jedinica se zove njutn metar (N m).
Moment sile karakterizira djelovanje sile i pokazuje da ono istovremeno zavisi i od modula sile i od njene poluge. Zaista, već znamo, na primjer, da djelovanje sile na vrata ovisi i o veličini sile i o tome gdje se sila primjenjuje. Što je lakše okretati vrata, sila koja djeluje na njih se primjenjuje dalje od ose rotacije. Bolje je odvrnuti maticu dugim ključem nego kratkim. Što je lakše podići kantu iz bunara, to je duža ručka kapije, itd.
Poluge u tehnologiji, svakodnevnom životu i prirodi.
Pravilo poluge (ili pravilo momenata) leži u osnovi djelovanja raznih vrsta alata i uređaja koji se koriste u tehnologiji i svakodnevnom životu gdje je potrebno povećanje snage ili putovanja.
Dobijamo snagu kada radimo sa makazama. Makaze - ovo je poluga(sl.), čija se os rotacije odvija kroz vijak koji povezuje obje polovice makaza. Djelujuća sila F 1 je mišićna snaga ruke osobe koja drži makaze. Counterforce F 2 je sila otpora materijala koji se reže makazama. Ovisno o namjeni škara, njihov dizajn varira. Kancelarijske makaze, dizajnirane za rezanje papira, imaju dugačka sečiva i ručke skoro iste dužine. Rezanje papira ne zahtijeva mnogo sile, a duga oštrica olakšava rezanje u pravoj liniji. Makaze za rezanje lima (sl.) imaju drške znatno duže od oštrica, budući da je sila otpora metala velika i da bi se ona izbalansirala potrebno je značajno povećati krak sile djelovanja. Razlika između dužine ručki i udaljenosti reznog dijela i ose rotacije je još veća rezači žice(Sl.), dizajniran za rezanje žice.
Mnoge mašine imaju različite tipove poluga. Drška šivaće mašine, pedale ili ručna kočnica bicikla, pedale automobila i traktora i tasteri klavira su sve primeri poluga koje se koriste u ovim mašinama i alatima.
Primjeri upotrebe poluga su ručke škripca i radnih stolova, poluga mašine za bušenje itd.
Djelovanje polužnih vaga zasniva se na principu poluge (sl.). Vage za obuku prikazane na slici 48 (str. 42) djeluju kao poluga jednake ruke . IN decimalne skale Rame za koje je okačena šolja sa utezima je 10 puta duže od ramena koje nosi teret. To znatno olakšava vaganje velikih tereta. Prilikom vaganja tereta na decimalnoj skali, trebali biste masu utega pomnožiti sa 10.
|
|
|
Uređaj vage za vaganje teretnih vagona automobila također se zasniva na pravilu poluge.
Poluge se također nalaze u različitim dijelovima tijela životinja i ljudi. To su, na primjer, ruke, noge, vilice. Mnoge poluge se mogu naći u tijelu insekata (čitanjem knjige o insektima i građi njihovog tijela), ptica i u strukturi biljaka.
Primjena zakona ravnoteže poluge na blok.
Blokiraj To je točak sa žljebom, montiran u držač. Uže, kabel ili lanac se provlači kroz žljeb bloka.
|
|
Fiksni blok To se naziva blok čija je osa fiksirana i ne diže se i ne spušta pri podizanju tereta (Sl.).
Fiksni blok se može smatrati polugom jednake ruke, u kojoj su krakovi sila jednaki poluprečniku točka (sl.): OA = OB = r. Takav blok ne daje dobit u snazi. ( F 1 = F 2), ali vam omogućava da promijenite smjer sile. Pokretni blok - ovo je blok. čija se os diže i spušta zajedno sa opterećenjem (sl.). Na slici je prikazana odgovarajuća poluga: O- uporište poluge, OA- snaga ramena R I OB- snaga ramena F. Od ramena OB 2 puta rame OA, zatim snagu F 2 puta manja sila R:
F = P/2 .
dakle, pokretni blok daje 2 puta povećanje snage .
To se može dokazati korištenjem koncepta momenta sile. Kada je blok u ravnoteži, momenti sila F I R jednake jedna drugoj. Ali rame snage F 2 puta veća poluga R, a samim tim i sama moć F 2 puta manja sila R.
Obično se u praksi koristi kombinacija fiksnog i pokretnog bloka (sl.). Fiksni blok se koristi samo radi praktičnosti. Ne daje pojačanje na snazi, ali mijenja smjer sile. Na primjer, omogućava vam da podignete teret dok stojite na tlu. Ovo je korisno za mnoge ljude ili radnike. Međutim, daje 2 puta veći dobitak u snazi nego inače!
Jednakost rada pri korištenju jednostavnih mehanizama. "Zlatno pravilo" mehanike.
Jednostavni mehanizmi koje smo razmatrali koriste se pri izvođenju radova u slučajevima kada je potrebno uravnotežiti drugu silu djelovanjem jedne sile.
Naravno, postavlja se pitanje: iako daju dobitak u moći ili putu, zar jednostavni mehanizmi ne daju dobit u radu? Odgovor na ovo pitanje može se dobiti iz iskustva.
Balansiranjem dvije sile različite veličine na poluzi F 1 i F 2 (sl.), pokrenite ručicu. Ispada da je u isto vrijeme tačka primjene manje sile F 2 ide dalje s 2, i mjesto primjene veće sile F 1 - kraći put s 1. Izmjerivši ove putanje i module sila, nalazimo da su putanje koje prelaze tačke primjene sila na polugu obrnuto proporcionalne silama:
s 1 / s 2 = F 2 / F 1.
Tako, djelujući na dugu ruku poluge, dobivamo na snazi, ali istovremeno gubimo za isti iznos na putu.
Proizvod sile F na putu s ima posla. Naši eksperimenti pokazuju da je rad koji vrše sile primijenjene na polugu jednak jedni drugima:
F 1 s 1 = F 2 s 2, tj. A 1 = A 2.
dakle, Kada koristite polugu, nećete moći pobijediti na poslu.
Koristeći polugu, možemo dobiti ili moć ili udaljenost. Primjenom sile na kratak krak poluge dobijamo na udaljenosti, ali gubimo isto toliko na snazi.
Postoji legenda da je Arhimed, oduševljen otkrićem pravila poluge, uzviknuo: „Daj mi uporište i prevrnuti ću Zemlju!“
Naravno, Arhimed se ne bi mogao nositi s takvim zadatkom čak i da mu je data tačka oslonca (koja je trebala biti izvan Zemlje) i poluga potrebne dužine.
Da bi se zemlja podigla za samo 1 cm, duga ruka poluge bi morala da opiše luk ogromne dužine. Bili bi potrebni milioni godina da se duži kraj poluge pomeri duž ovog puta, na primer, brzinom od 1 m/s!
Stacionarni blok ne daje nikakav dobitak u radu,što je lako eksperimentalno provjeriti (vidi sliku). Putevi koje prolaze tačke primjene sila F I F, su iste, sile su iste, a samim tim i rad je isti.
Možete mjeriti i upoređivati obavljeni rad uz pomoć pokretnog bloka. Za podizanje tereta na visinu h pomoću pokretnog bloka potrebno je kraj užeta na koji je pričvršćen dinamometar pomaknuti, kako iskustvo pokazuje (sl.), na visinu od 2h.
dakle, dobivši 2 puta na snazi, gube 2 puta na putu, stoga pokretni blok ne daje dobit u radu.
Stoljetna praksa je to pokazala Nijedan od mehanizama ne daje dobit u performansama. Koriste različite mehanizme za osvajanje snage ili putovanja, ovisno o uvjetima rada.
Već su drevni naučnici poznavali pravilo primjenjivo na sve mehanizme: bez obzira koliko puta pobijedimo u snazi, isto toliko puta izgubimo na udaljenosti. Ovo pravilo je nazvano "zlatnim pravilom" mehanike.
Efikasnost mehanizma.
Prilikom razmatranja dizajna i djelovanja poluge, nismo uzeli u obzir trenje, kao ni težinu poluge. pod ovim idealnim uslovima, rad koji vrši primenjena sila (ovaj rad ćemo nazvati pun), jednako je korisno rad na podizanju tereta ili savladavanju bilo kakvog otpora.
U praksi, ukupan rad koji je izvršio mehanizam je uvijek nešto veći od korisnog rada.
Dio rada se obavlja protiv sile trenja u mehanizmu i pomicanjem njegovih pojedinih dijelova. Dakle, kada koristite pokretni blok, morate dodatno obaviti posao da podignete sam blok, uže i odredite silu trenja u osi bloka.
Koji god mehanizam da uzmemo, koristan posao obavljen uz njegovu pomoć uvijek čini samo dio ukupnog posla. To znači, označavajući koristan rad slovom Ap, ukupan (utrošeni) rad slovom Az, možemo napisati:
Gore< Аз или Ап / Аз < 1.
Odnos korisnog rada i ukupnog rada naziva se efikasnost mehanizma.
Faktor efikasnosti je skraćeno kao efikasnost.
Efikasnost = Ap / Az.
Efikasnost se obično izražava u postocima i označava se grčkim slovom η, koje se čita kao "eta":
η = Ap / Az · 100%.
Primjer: Teret težine 100 kg visi na kratkom kraku poluge. Za podizanje se na dugu ruku primjenjuje sila od 250 N. Opterećenje se podiže na visinu od h1 = 0,08 m, dok tačka primjene pogonske sile pada na visinu od h2 = 0,4 m efikasnost poluge.
Zapišimo uslove zadatka i riješimo ga.
Dato :
Rješenje :
η = Ap / Az · 100%.
Ukupan (utrošeni) rad Az = Fh2.
Korisno djelo Ap = Rh1
P = 9,8 100 kg ≈ 1000 N.
Ap = 1000 N · 0,08 = 80 J.
Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.
η = 80 J/100 J 100% = 80%.
Odgovori : η = 80%.
Ali i u ovom slučaju vrijedi „zlatno pravilo“. Dio korisnog rada - od toga 20% - troši se na savladavanje trenja u osi poluge i otpora zraka, kao i na kretanje same poluge.
Efikasnost bilo kog mehanizma je uvek manja od 100%. Prilikom dizajniranja mehanizama ljudi nastoje povećati njihovu efikasnost. Da bi se to postiglo, trenje u osovinama mehanizama i njihova težina se smanjuju.
Energija.
U fabrikama i fabrikama mašine i mašine pokreću elektromotori, koji troše električnu energiju (otuda i naziv).
|
Sabijena opruga (Sl.), kada je ispravljena, radi, podiže teret na visinu ili pokreće kolica. Stacionarni teret podignut iznad tla ne radi, ali ako ovaj teret padne, može raditi (na primjer, može zabiti gomilu u zemlju). Svako tijelo u pokretu ima sposobnost obavljanja posla. Dakle, čelična kugla A (skva) koja se kotrlja iz nagnute ravni, udarivši o drveni blok B, pomiče ga na određenu udaljenost. Istovremeno, posao je obavljen. Ako tijelo ili nekoliko tijela u interakciji (sistem tijela) mogu obavljati rad, za njih se kaže da imaju energiju. Energija - fizička veličina koja pokazuje koliki rad jedno tijelo (ili nekoliko tijela) može obaviti. Energija se u SI sistemu izražava u istim jedinicama kao i rad, tj džula. Što više posla tijelo može obaviti, to ima više energije. Kada se rad obavi, energija tijela se mijenja. Obavljeni rad jednak je promjeni energije. Potencijalna i kinetička energija.Potencijal (od lat. potentnost - mogućnost) energija je energija koja je određena relativnim položajem tijela u interakciji i dijelova istog tijela. Na primjer, tijelo podignuto u odnosu na površinu Zemlje ima potencijalnu energiju, jer energija ovisi o relativnom položaju njega i Zemlje. i njihovu međusobnu privlačnost. Ako smatramo da je potencijalna energija tijela koje leži na Zemlji jednaka nuli, tada će potencijalna energija tijela podignutog na određenu visinu biti određena radom gravitacije kada tijelo padne na Zemlju. Označimo potencijalnu energiju tijela E n, jer E = A, a rad je, kao što znamo, onda jednak proizvodu sile i puta A = Fh, Gdje F- gravitacija. To znači da je potencijalna energija En jednaka: E = Fh, ili E = gmh, Gdje g- ubrzanje gravitacije, m- tjelesna masa, h- visina na koju je tijelo podignuto. Voda u rijekama koje drže brane ima ogromnu potencijalnu energiju. Padajući, voda radi, pokreće snažne turbine elektrana. Potencijalna energija kopra čekića (sl.) se koristi u građevinarstvu za obavljanje posla zabijanja šipova. Prilikom otvaranja vrata oprugom radi se na istezanju (ili sabijanju) opruge. Zbog stečene energije opruga, skupljajući se (ili ispravljajući), radi, zatvarajući vrata. Energija sabijenih i neupletenih opruga koristi se, na primjer, u satovima, raznim igračkama na navijanje itd. Svako elastično deformirano tijelo ima potencijalnu energiju. Potencijalna energija komprimovanog gasa koristi se u radu toplotnih motora, u udarnim čekićima, koji se široko koriste u rudarskoj industriji, u izgradnji puteva, iskopavanju tvrdog tla itd. Energija koju tijelo posjeduje kao rezultat svog kretanja naziva se kinetička (od grčkog. kinema - energija kretanja. Kinetička energija tijela označena je slovom E To. Voda koja se kreće, pokreće turbine hidroelektrana, troši svoju kinetičku energiju i radi. Pokretni vazduh, vetar, takođe ima kinetičku energiju. Od čega zavisi kinetička energija? Okrenimo se iskustvu (vidi sliku). Ako kotrljate lopticu A sa različitih visina, primijetit ćete da što je veća visina s koje se lopta kotrlja, to je njena brzina veća i što dalje pomiče blok, tj. radi više posla. To znači da kinetička energija tijela ovisi o njegovoj brzini. Zbog svoje brzine, leteći metak ima visoku kinetičku energiju. Kinetička energija tijela također zavisi od njegove mase. Ponovimo naš eksperiment, ali ćemo iz nagnute ravni zakotrljati još jednu loptu veće mase. Bar B će se kretati dalje, odnosno radiće se više. To znači da je kinetička energija druge lopte veća od prve. Što je veća masa tijela i brzina kojom se kreće, veća je i njegova kinetička energija. Za određivanje kinetičke energije tijela koristi se formula: Ek = mv^2 /2, Gdje m- tjelesna masa, v- brzina kretanja tela. Kinetička energija tijela se koristi u tehnici. Voda koju brana zadržava ima, kao što je već rečeno, veliku potencijalnu energiju. Kada voda pada sa brane, ona se kreće i ima istu visoku kinetičku energiju. Pokreće turbinu spojenu na generator električne struje. Zbog kinetičke energije vode nastaje električna energija. Energija kretanja vode je od velikog značaja u nacionalnoj ekonomiji. Ova energija se koristi u moćnim hidroelektranama. Energija padajuće vode je ekološki prihvatljiv izvor energije, za razliku od energije goriva. Sva tijela u prirodi, u odnosu na konvencionalnu nultu vrijednost, imaju ili potencijalnu ili kinetičku energiju, a ponekad i obje zajedno. Na primjer, leteći avion ima i kinetičku i potencijalnu energiju u odnosu na Zemlju. Upoznali smo dvije vrste mehaničke energije. O drugim vrstama energije (električna, unutrašnja, itd.) biće reči u drugim delovima kursa fizike. Pretvaranje jedne vrste mehaničke energije u drugu. Fenomen transformacije jedne vrste mehaničke energije u drugu vrlo je zgodno promatrati na uređaju prikazanom na slici. Namotavanjem navoja na osu, disk uređaja se podiže. Disk podignut prema gore ima određenu potencijalnu energiju. Ako ga pustite, okrenut će se i početi padati. Kako pada, potencijalna energija diska se smanjuje, ali se u isto vrijeme povećava njegova kinetička energija. Na kraju pada, disk ima toliku rezervu kinetičke energije da može ponovo da se podigne na skoro svoju prethodnu visinu. (Deo energije se troši radeći protiv sile trenja, tako da disk ne dostiže svoju prvobitnu visinu.) Podigavši se, disk ponovo pada, a zatim se ponovo diže. U ovom eksperimentu, kada se disk kreće naniže, njegova potencijalna energija se pretvara u kinetičku energiju, a kada se kreće gore, kinetička energija se pretvara u potencijalnu energiju. Transformacija energije iz jedne vrste u drugu također se događa kada se dva elastična tijela sudare, na primjer, gumena lopta na podu ili čelična lopta na čeličnoj ploči. Ako podignete čeličnu kuglu (pirinač) iznad čelične ploče i oslobodite je iz ruku, ona će pasti. Kako lopta pada, njena potencijalna energija se smanjuje, a kinetička energija raste, kako se brzina lopte povećava. Kada lopta udari u ploču, i lopta i ploča će biti komprimirani. Kinetička energija koju je lopta posjedovala pretvorit će se u potencijalnu energiju komprimirane ploče i komprimirane lopte. Tada će, zahvaljujući djelovanju elastičnih sila, ploča i lopta poprimiti svoj izvorni oblik. Lopta će se odbiti od ploče, a njihova potencijalna energija će se ponovo pretvoriti u kinetičku energiju lopte: lopta će se odbiti brzinom skoro jednakom brzini koju je imala u trenutku kada je udarila o ploču. Kako se lopta diže prema gore, brzina lopte, a time i njena kinetička energija, opada, dok potencijalna energija raste. Nakon što se odbila od ploče, lopta se podiže na gotovo istu visinu sa koje je počela padati. Na najvišoj tački uspona, sva njegova kinetička energija će se ponovo pretvoriti u potencijal. Prirodne pojave obično su praćene transformacijom jedne vrste energije u drugu. Energija se može prenositi s jednog tijela na drugo. Tako se, na primjer, prilikom gađanja lukom, potencijalna energija nategnute tetive pretvara u kinetičku energiju leteće strijele. |
Mehanički rad. Jedinice rada.
U svakodnevnom životu sve shvatamo pod pojmom „rad“.
U fizici, koncept Posao donekle drugačije. To je određena fizička veličina, što znači da se može izmjeriti. U fizici se prvenstveno proučava mehanički rad .
Pogledajmo primjere mehaničkog rada.
Voz se kreće pod vučnom silom električne lokomotive, a izvodi se mehanički rad. Kada se puca iz pištolja, sila pritiska barutnih plinova radi - pomiče metak duž cijevi, a brzina metka se povećava.
Iz ovih primjera je jasno da se mehanički rad vrši kada se tijelo kreće pod djelovanjem sile. Mehanički rad se izvodi i u slučaju kada sila koja djeluje na tijelo (na primjer, sila trenja) smanjuje brzinu njegovog kretanja.
U želji da pomjerimo ormar, snažno ga pritisnemo, ali ako se ne pomjera, onda ne izvodimo mehanički rad. Može se zamisliti slučaj kada se tijelo kreće bez sudjelovanja sila (po inerciji se također ne vrši mehanički rad).
dakle, mehanički rad se vrši samo kada na tijelo djeluje sila i ono se kreće .
Nije teško shvatiti da što veća sila djeluje na tijelo i što je duži put koji tijelo prolazi pod uticajem te sile, to je veći rad koji se obavlja.
Mehanički rad je direktno proporcionalan primijenjenoj sili i direktno proporcionalan prijeđenoj udaljenosti .
Stoga smo se dogovorili da mehanički rad mjerimo umnoškom sile i putanje koju pređe u ovom smjeru ove sile:
rad = sila × putanja
Gdje A- posao, F- snaga i s- pređena udaljenost.
Jedinicom rada se smatra rad koji izvrši sila od 1N na putu od 1 m.
Jedinica rada - joule (J ) nazvan po engleskom naučniku Jouleu. dakle,
1 J = 1N m.
Također se koristi kilodžula (kJ) .
1 kJ = 1000 J.
Formula A = Fs primjenjivo kada je sila F konstantan i poklapa se sa smjerom kretanja tijela.
Ako se smjer sile poklapa sa smjerom kretanja tijela, tada ova sila vrši pozitivan rad.
Ako se tijelo kreće u smjeru suprotnom od smjera primijenjene sile, na primjer, sila trenja klizanja, tada ova sila vrši negativan rad.
Ako je smjer sile koja djeluje na tijelo okomit na smjer kretanja, tada ta sila ne radi nikakav rad, rad je jednak nuli:
Ubuduće, govoreći o mehaničkom radu, ukratko ćemo ga zvati jednom riječju - rad.
Primjer. Izračunajte urađeni rad pri podizanju granitne ploče zapremine 0,5 m3 na visinu od 20 m. Gustoća granita je 2500 kg/m3.
Dato:
ρ = 2500 kg/m 3
Rješenje:
gdje je F sila koja se mora primijeniti da bi se ploča ravnomjerno podigla. Ova sila je po modulu jednaka sili Fstrand koja djeluje na ploču, tj. F = Fstrand. A sila gravitacije može se odrediti masom ploče: Fweight = gm. Izračunajmo masu ploče, znajući njenu zapreminu i gustinu granita: m = ρV; s = h, tj. putanja je jednaka visini dizanja.
Dakle, m = 2500 kg/m3 · 0,5 m3 = 1250 kg.
F = 9,8 N/kg · 1250 kg ≈ 12 250 N.
A = 12.250 N · 20 m = 245.000 J = 245 kJ.
Odgovori: A =245 kJ.
Poluge.Snaga.Energija
Različitim motorima je potrebno različito vrijeme da završe isti posao. Na primjer, dizalica na gradilištu podiže stotine cigli na gornji kat zgrade za nekoliko minuta. Ako bi ove cigle pomjerao radnik, za to bi mu trebalo nekoliko sati. Još jedan primjer. Konj može preorati hektar zemlje za 10-12 sati, dok traktor sa višestrukim plugom ( ralo- dio pluga koji siječe sloj zemlje odozdo i prenosi ga na deponiju; višeramenica - mnogo raonika), ovaj posao će biti završen za 40-50 minuta.
Jasno je da kran radi isti posao brže od radnika, a traktor isti posao brže od konja. Brzinu rada karakteriše posebna veličina koja se zove snaga.
Snaga je jednaka odnosu rada i vremena tokom kojeg je obavljen.
Da biste izračunali snagu, morate podijeliti rad s vremenom u kojem je ovaj rad obavljen. snaga = rad/vrijeme.
Gdje N- moć, A- posao, t- vrijeme obavljenog posla.
Snaga je konstantna veličina kada se isti rad obavlja svake sekunde, u drugim slučajevima omjer A/t određuje prosječnu snagu:
N avg = A/t . Jedinicom snage se uzima snaga pri kojoj se rad J obavlja u 1 s.
Ova jedinica se zove vat ( W) u čast još jednog engleskog naučnika, Watta.
1 vat = 1 džul/1 sekunda, ili 1 W = 1 J/s.
Watt (džul po sekundi) - W (1 J/s).
Veće jedinice snage se široko koriste u tehnologiji - kilovat (kW), megavat (MW) .
1 MW = 1.000.000 W
1 kW = 1000 W
1 mW = 0,001 W
1 W = 0,000001 MW
1 W = 0,001 kW
1 W = 1000 mW
Primjer. Odrediti snagu protoka vode koja teče kroz branu ako je visina pada 25 m, a protok 120 m3 u minuti.
Dato:
ρ = 1000 kg/m3
Rješenje:
Masa vode koja pada: m = ρV,
m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120 000 kg (12 104 kg).
Gravitacija koja djeluje na vodu:
F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)
Rad po protoku u minuti:
A - 1.200.000 N · 25 m = 30.000.000 J (3 · 107 J).
Snaga protoka: N = A/t,
N = 30.000.000 J / 60 s = 500.000 W = 0,5 MW.
Odgovori: N = 0,5 MW.
Razni motori imaju snage u rasponu od stotinki i desetinki kilovata (motor električnog brijača, šivaće mašine) do stotina hiljada kilovata (vodene i parne turbine).
Tabela 5.
Snaga pojedinih motora, kW.
Svaki motor ima pločicu (pasoš motora), koja označava neke podatke o motoru, uključujući njegovu snagu.
Ljudska snaga u normalnim uslovima rada je u prosjeku 70-80 W. Prilikom skakanja ili trčanja uz stepenice, osoba može razviti snagu do 730 W, au nekim slučajevima i više.
Iz formule N = A/t slijedi da
Da bi se izračunao rad, potrebno je snagu pomnožiti sa vremenom tokom kojeg je ovaj rad obavljen.
Primjer. Motor sobnog ventilatora ima snagu od 35 vati. Koliko posla on uradi za 10 minuta?
Zapišimo uslove zadatka i riješimo ga.
Dato:
Rješenje:
A = 35 W * 600s = 21.000 W * s = 21.000 J = 21 kJ.
Odgovori A= 21 kJ.
Jednostavni mehanizmi.
Čovjek je od pamtivijeka koristio razne uređaje za obavljanje mehaničkih radova.
|
|
Svima je poznato da se težak predmet (kamen, ormarić, alatna mašina), koji se ne može pomicati rukom, može pomjeriti uz pomoć dovoljno dugačkog štapa - poluge.
Trenutno se vjeruje da su uz pomoć poluga prije tri hiljade godina, tokom izgradnje piramida u starom Egiptu, teške kamene ploče pomjerene i podignute na velike visine.
U mnogim slučajevima, umjesto podizanja teškog tereta na određenu visinu, može se kotrljati ili povući na istu visinu duž nagnute ravni ili podići pomoću blokova.
Uređaji koji se koriste za pretvaranje sile se nazivaju mehanizama .
Jednostavni mehanizmi uključuju: poluge i njegove vrste - blok, kapija; nagnuta ravnina i njene vrste - klin, vijak. U većini slučajeva, jednostavni mehanizmi se koriste za dobijanje snage, odnosno za višestruko povećanje sile koja djeluje na tijelo.
Jednostavni mehanizmi se nalaze kako u domaćinstvu tako i u svim složenim industrijskim i industrijskim mašinama koje režu, uvijaju i štancaju velike čelične limove ili izvlače najfinije niti od kojih se potom prave tkanine. Isti mehanizmi se mogu naći u savremenim složenim automatskim mašinama, mašinama za štampanje i brojanje.
Ruka poluge. Odnos sila na poluzi.
Razmotrimo najjednostavniji i najčešći mehanizam - polugu.
Poluga je kruto tijelo koje se može okretati oko fiksnog oslonca.
Slike pokazuju kako radnik koristi pajser kao polugu za podizanje tereta. U prvom slučaju, radnik na silu F pritisne kraj poluge B, u drugom - podiže kraj B.
Radnik treba da savlada težinu tereta P- sila usmjerena okomito prema dolje. Da bi to učinio, on okreće polugu oko ose koja prolazi kroz jedinicu nepomičan tačka preloma je tačka njenog oslonca O. Force F kojom radnik djeluje na polugu je manja sila P, tako radnik prima dobiti na snazi. Pomoću poluge možete podići tako težak teret da ga ne možete sami podići.
Na slici je prikazana poluga čija je osa rotacije O(uporište) se nalazi između tačaka primjene sila A I IN. Druga slika prikazuje dijagram ove poluge. Obe sile F 1 i F 2 koji djeluju na polugu usmjereni su u jednom smjeru.
Najkraća udaljenost između uporišta i prave linije duž koje sila djeluje na polugu naziva se krak sile.
Da biste pronašli krak sile, trebate spustiti okomicu od uporišta do linije djelovanja sile.Dužina ove okomice će biti krak ove sile. Slika to pokazuje OA- snaga ramena F 1; OB- snaga ramena F 2. Sile koje djeluju na polugu mogu je rotirati oko svoje ose u dva smjera: u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu. Da, snaga F 1 rotira polugu u smjeru kazaljke na satu, a sila F 2 rotira u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.
Uvjet pod kojim je poluga u ravnoteži pod utjecajem sila koje se na nju primjenjuju može se ustanoviti eksperimentalno. Mora se imati na umu da rezultat sile ne zavisi samo od njene numeričke vrednosti (modula), već i od tačke u kojoj je primenjena na telo, ili kako je usmerena.
Različiti utezi su okačeni na polugu (vidi sliku) sa obe strane oslonca tako da svaki put poluga ostaje u ravnoteži. Sile koje djeluju na polugu jednake su težinama ovih opterećenja. Za svaki slučaj mjere se moduli sile i njihova ramena. Iz iskustva prikazanog na slici 154, jasno je da je sila 2 N balansira silu 4 N. U ovom slučaju, kao što se može vidjeti sa slike, rame manje snage je 2 puta veće od ramena veće snage.
Na osnovu ovakvih eksperimenata ustanovljen je uslov (pravilo) ravnoteže poluge.
Poluga je u ravnoteži kada su sile koje djeluju na nju obrnuto proporcionalne krakovima tih sila.
Ovo pravilo se može napisati kao formula:
F 1/F 2 = l 2/ l 1 ,
Gdje F 1I F 2 - sile koje deluju na polugu, l 1I l 2 , - ramena ovih sila (vidi sliku).
Pravilo ravnoteže poluge uspostavio je Arhimed oko 287-212. BC e. (ali u posljednjem pasusu je rečeno da su poluge koristili Egipćani? Ili riječ „uspostavljena“ ovdje igra važnu ulogu?)
Iz ovog pravila slijedi da se manja sila može koristiti za balansiranje veće sile pomoću poluge. Neka jedan krak poluge bude 3 puta veći od drugog (vidi sliku). Zatim, primjenom sile od, na primjer, 400 N u tački B, možete podići kamen težine 1200 N. Da biste podigli još veći teret, potrebno je povećati dužinu kraka poluge na koju radnik djeluje.
Primjer. Pomoću poluge radnik podiže ploču tešku 240 kg (vidi sl. 149). Koju silu on primjenjuje na veći krak poluge od 2,4 m ako je manji krak 0,6 m?
Zapišimo uslove zadatka i riješimo ga.
Dato:
Rješenje:
Prema pravilu ravnoteže poluge, F1/F2 = l2/l1, odakle je F1 = F2 l2/l1, gdje je F2 = P težina kamena. Težina kamena asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N
Tada je F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.
Odgovori: F1 = 600 N.
U našem primjeru, radnik savladava silu od 2400 N, primjenjujući na polugu silu od 600 N, ali u ovom slučaju, ruka na koju radnik djeluje je 4 puta duža od one na koju djeluje težina kamena. ( l 1 : l 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).
Primjenom pravila poluge, manja sila može uravnotežiti veću silu. U tom slučaju, rame manje sile treba da bude duže od ramena veće snage.
Trenutak snage.
Već znate pravilo ravnoteže poluge:
F 1 / F 2 = l 2 / l 1 ,
Koristeći svojstvo proporcije (proizvod njegovih ekstremnih članova jednak je proizvodu njegovih srednjih članova), zapisujemo ga u ovom obliku:
F 1l 1 = F 2 l 2 .
Na lijevoj strani jednakosti je proizvod sile F 1 na njenom ramenu l 1, a desno - proizvod sile F 2 na njenom ramenu l 2 .
Zove se proizvod modula sile koja rotira tijelo i njegovo rame moment sile; označeno je slovom M. To znači
Poluga je u ravnoteži pod djelovanjem dvije sile ako je moment sile koja je rotira u smjeru kazaljke na satu jednak momentu sile koja je rotira u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.
Ovo pravilo se zove pravilo trenutaka , može se napisati kao formula:
M1 = M2
Zaista, u eksperimentu koji smo razmatrali (§ 56), sile koje djeluju bile su jednake 2 N i 4 N, njihova ramena su iznosila 4 odnosno 2 pritiska poluge, tj. momenti ovih sila su isti kada je poluga u ravnoteži .
Moment sile, kao i svaka fizička veličina, može se izmjeriti. Jedinicom momenta sile uzima se moment sile od 1 N, čiji je krak tačno 1 m.
Ova jedinica se zove njutn metar (N m).
Moment sile karakterizira djelovanje sile i pokazuje da ono istovremeno zavisi i od modula sile i od njene poluge. Zaista, već znamo, na primjer, da djelovanje sile na vrata ovisi i o veličini sile i o tome gdje se sila primjenjuje. Što je lakše okretati vrata, sila koja djeluje na njih se primjenjuje dalje od ose rotacije. Bolje je odvrnuti maticu dugim ključem nego kratkim. Što je lakše podići kantu iz bunara, to je duža ručka kapije, itd.
Poluge u tehnologiji, svakodnevnom životu i prirodi.
Pravilo poluge (ili pravilo momenata) leži u osnovi djelovanja raznih vrsta alata i uređaja koji se koriste u tehnologiji i svakodnevnom životu gdje je potrebno povećanje snage ili putovanja.
Dobijamo snagu kada radimo sa makazama. Makaze - ovo je poluga(sl.), čija se os rotacije odvija kroz vijak koji povezuje obje polovice makaza. Djelujuća sila F 1 je mišićna snaga ruke osobe koja drži makaze. Counterforce F 2 je sila otpora materijala koji se reže makazama. Ovisno o namjeni škara, njihov dizajn varira. Kancelarijske makaze, dizajnirane za rezanje papira, imaju dugačka sečiva i ručke skoro iste dužine. Rezanje papira ne zahtijeva mnogo sile, a duga oštrica olakšava rezanje u pravoj liniji. Makaze za rezanje lima (sl.) imaju drške znatno duže od oštrica, budući da je sila otpora metala velika i da bi se ona izbalansirala potrebno je značajno povećati krak sile djelovanja. Razlika između dužine ručki i udaljenosti reznog dijela i ose rotacije je još veća rezači žice(Sl.), dizajniran za rezanje žice.
Mnoge mašine imaju različite tipove poluga. Drška šivaće mašine, pedale ili ručna kočnica bicikla, pedale automobila i traktora i tasteri klavira su sve primeri poluga koje se koriste u ovim mašinama i alatima.
Primjeri upotrebe poluga su ručke škripca i radnih stolova, poluga mašine za bušenje itd.
Djelovanje polužnih vaga zasniva se na principu poluge (sl.). Vage za obuku prikazane na slici 48 (str. 42) djeluju kao poluga jednake ruke . IN decimalne skale Rame za koje je okačena šolja sa utezima je 10 puta duže od ramena koje nosi teret. To znatno olakšava vaganje velikih tereta. Prilikom vaganja tereta na decimalnoj skali, trebali biste masu utega pomnožiti sa 10.
|
|
|
Uređaj vage za vaganje teretnih vagona automobila također se zasniva na pravilu poluge.
Poluge se također nalaze u različitim dijelovima tijela životinja i ljudi. To su, na primjer, ruke, noge, vilice. Mnoge poluge se mogu naći u tijelu insekata (čitanjem knjige o insektima i građi njihovog tijela), ptica i u strukturi biljaka.
Primjena zakona ravnoteže poluge na blok.
Blokiraj To je točak sa žljebom, montiran u držač. Uže, kabel ili lanac se provlači kroz žljeb bloka.
|
|
Fiksni blok To se naziva blok čija je osa fiksirana i ne diže se i ne spušta pri podizanju tereta (Sl.).
Fiksni blok se može smatrati polugom jednake ruke, u kojoj su krakovi sila jednaki poluprečniku točka (sl.): OA = OB = r. Takav blok ne daje dobit u snazi. ( F 1 = F 2), ali vam omogućava da promijenite smjer sile. Pokretni blok - ovo je blok. čija se os diže i spušta zajedno sa opterećenjem (sl.). Na slici je prikazana odgovarajuća poluga: O- uporište poluge, OA- snaga ramena R I OB- snaga ramena F. Od ramena OB 2 puta rame OA, zatim snagu F 2 puta manja sila R:
F = P/2 .
dakle, pokretni blok daje 2 puta povećanje snage .
To se može dokazati korištenjem koncepta momenta sile. Kada je blok u ravnoteži, momenti sila F I R jednake jedna drugoj. Ali rame snage F 2 puta veća poluga R, a samim tim i sama moć F 2 puta manja sila R.
Obično se u praksi koristi kombinacija fiksnog i pokretnog bloka (sl.). Fiksni blok se koristi samo radi praktičnosti. Ne daje pojačanje na snazi, ali mijenja smjer sile. Na primjer, omogućava vam da podignete teret dok stojite na tlu. Ovo je korisno za mnoge ljude ili radnike. Međutim, daje 2 puta veći dobitak u snazi nego inače!
Jednakost rada pri korištenju jednostavnih mehanizama. "Zlatno pravilo" mehanike.
Jednostavni mehanizmi koje smo razmatrali koriste se pri izvođenju radova u slučajevima kada je potrebno uravnotežiti drugu silu djelovanjem jedne sile.
Naravno, postavlja se pitanje: iako daju dobitak u moći ili putu, zar jednostavni mehanizmi ne daju dobit u radu? Odgovor na ovo pitanje može se dobiti iz iskustva.
Balansiranjem dvije sile različite veličine na poluzi F 1 i F 2 (sl.), pokrenite ručicu. Ispada da je u isto vrijeme tačka primjene manje sile F 2 ide dalje s 2, i mjesto primjene veće sile F 1 - kraći put s 1. Izmjerivši ove putanje i module sila, nalazimo da su putanje koje prelaze tačke primjene sila na polugu obrnuto proporcionalne silama:
s 1 / s 2 = F 2 / F 1.
Tako, djelujući na dugu ruku poluge, dobivamo na snazi, ali istovremeno gubimo za isti iznos na putu.
Proizvod sile F na putu s ima posla. Naši eksperimenti pokazuju da je rad koji vrše sile primijenjene na polugu jednak jedni drugima:
F 1 s 1 = F 2 s 2, tj. A 1 = A 2.
dakle, Kada koristite polugu, nećete moći pobijediti na poslu.
Koristeći polugu, možemo dobiti ili moć ili udaljenost. Primjenom sile na kratak krak poluge dobijamo na udaljenosti, ali gubimo isto toliko na snazi.
Postoji legenda da je Arhimed, oduševljen otkrićem pravila poluge, uzviknuo: „Daj mi uporište i prevrnuti ću Zemlju!“
Naravno, Arhimed se ne bi mogao nositi s takvim zadatkom čak i da mu je data tačka oslonca (koja je trebala biti izvan Zemlje) i poluga potrebne dužine.
Da bi se zemlja podigla za samo 1 cm, duga ruka poluge bi morala da opiše luk ogromne dužine. Bili bi potrebni milioni godina da se duži kraj poluge pomeri duž ovog puta, na primer, brzinom od 1 m/s!
Stacionarni blok ne daje nikakav dobitak u radu,što je lako eksperimentalno provjeriti (vidi sliku). Putevi koje prolaze tačke primjene sila F I F, su iste, sile su iste, a samim tim i rad je isti.
Možete mjeriti i upoređivati obavljeni rad uz pomoć pokretnog bloka. Za podizanje tereta na visinu h pomoću pokretnog bloka potrebno je kraj užeta na koji je pričvršćen dinamometar pomaknuti, kako iskustvo pokazuje (sl.), na visinu od 2h.
dakle, dobivši 2 puta na snazi, gube 2 puta na putu, stoga pokretni blok ne daje dobit u radu.
Stoljetna praksa je to pokazala Nijedan od mehanizama ne daje dobit u performansama. Koriste različite mehanizme za osvajanje snage ili putovanja, ovisno o uvjetima rada.
Već su drevni naučnici poznavali pravilo primjenjivo na sve mehanizme: bez obzira koliko puta pobijedimo u snazi, isto toliko puta izgubimo na udaljenosti. Ovo pravilo je nazvano "zlatnim pravilom" mehanike.
Efikasnost mehanizma.
Prilikom razmatranja dizajna i djelovanja poluge, nismo uzeli u obzir trenje, kao ni težinu poluge. pod ovim idealnim uslovima, rad koji vrši primenjena sila (ovaj rad ćemo nazvati pun), jednako je korisno rad na podizanju tereta ili savladavanju bilo kakvog otpora.
U praksi, ukupan rad koji je izvršio mehanizam je uvijek nešto veći od korisnog rada.
Dio rada se obavlja protiv sile trenja u mehanizmu i pomicanjem njegovih pojedinih dijelova. Dakle, kada koristite pokretni blok, morate dodatno obaviti posao da podignete sam blok, uže i odredite silu trenja u osi bloka.
Koji god mehanizam da uzmemo, koristan posao obavljen uz njegovu pomoć uvijek čini samo dio ukupnog posla. To znači, označavajući koristan rad slovom Ap, ukupan (utrošeni) rad slovom Az, možemo napisati:
Gore< Аз или Ап / Аз < 1.
Odnos korisnog rada i ukupnog rada naziva se efikasnost mehanizma.
Faktor efikasnosti je skraćeno kao efikasnost.
Efikasnost = Ap / Az.
Efikasnost se obično izražava u postocima i označava se grčkim slovom η, koje se čita kao "eta":
η = Ap / Az · 100%.
Primjer: Teret težine 100 kg visi na kratkom kraku poluge. Za podizanje se na dugu ruku primjenjuje sila od 250 N. Opterećenje se podiže na visinu od h1 = 0,08 m, dok tačka primjene pogonske sile pada na visinu od h2 = 0,4 m efikasnost poluge.
Zapišimo uslove zadatka i riješimo ga.
Dato :
Rješenje :
η = Ap / Az · 100%.
Ukupan (utrošeni) rad Az = Fh2.
Korisno djelo Ap = Rh1
P = 9,8 100 kg ≈ 1000 N.
Ap = 1000 N · 0,08 = 80 J.
Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.
η = 80 J/100 J 100% = 80%.
Odgovori : η = 80%.
Ali i u ovom slučaju vrijedi „zlatno pravilo“. Dio korisnog rada - od toga 20% - troši se na savladavanje trenja u osi poluge i otpora zraka, kao i na kretanje same poluge.
Efikasnost bilo kog mehanizma je uvek manja od 100%. Prilikom dizajniranja mehanizama ljudi nastoje povećati njihovu efikasnost. Da bi se to postiglo, trenje u osovinama mehanizama i njihova težina se smanjuju.
Energija.
U fabrikama i fabrikama mašine i mašine pokreću elektromotori, koji troše električnu energiju (otuda i naziv).
|
Sabijena opruga (Sl.), kada je ispravljena, radi, podiže teret na visinu ili pokreće kolica. Stacionarni teret podignut iznad tla ne radi, ali ako ovaj teret padne, može raditi (na primjer, može zabiti gomilu u zemlju). Svako tijelo u pokretu ima sposobnost obavljanja posla. Dakle, čelična kugla A (skva) koja se kotrlja iz nagnute ravni, udarivši o drveni blok B, pomiče ga na određenu udaljenost. Istovremeno, posao je obavljen. Ako tijelo ili nekoliko tijela u interakciji (sistem tijela) mogu obavljati rad, za njih se kaže da imaju energiju. Energija - fizička veličina koja pokazuje koliki rad jedno tijelo (ili nekoliko tijela) može obaviti. Energija se u SI sistemu izražava u istim jedinicama kao i rad, tj džula. Što više posla tijelo može obaviti, to ima više energije. Kada se rad obavi, energija tijela se mijenja. Obavljeni rad jednak je promjeni energije. Potencijalna i kinetička energija.Potencijal (od lat. potentnost - mogućnost) energija je energija koja je određena relativnim položajem tijela u interakciji i dijelova istog tijela. Na primjer, tijelo podignuto u odnosu na površinu Zemlje ima potencijalnu energiju, jer energija ovisi o relativnom položaju njega i Zemlje. i njihovu međusobnu privlačnost. Ako smatramo da je potencijalna energija tijela koje leži na Zemlji jednaka nuli, tada će potencijalna energija tijela podignutog na određenu visinu biti određena radom gravitacije kada tijelo padne na Zemlju. Označimo potencijalnu energiju tijela E n, jer E = A, a rad je, kao što znamo, onda jednak proizvodu sile i puta A = Fh, Gdje F- gravitacija. To znači da je potencijalna energija En jednaka: E = Fh, ili E = gmh, Gdje g- ubrzanje gravitacije, m- tjelesna masa, h- visina na koju je tijelo podignuto. Voda u rijekama koje drže brane ima ogromnu potencijalnu energiju. Padajući, voda radi, pokreće snažne turbine elektrana. Potencijalna energija kopra čekića (sl.) se koristi u građevinarstvu za obavljanje posla zabijanja šipova. Prilikom otvaranja vrata oprugom radi se na istezanju (ili sabijanju) opruge. Zbog stečene energije opruga, skupljajući se (ili ispravljajući), radi, zatvarajući vrata. Energija sabijenih i neupletenih opruga koristi se, na primjer, u satovima, raznim igračkama na navijanje itd. Svako elastično deformirano tijelo ima potencijalnu energiju. Potencijalna energija komprimovanog gasa koristi se u radu toplotnih motora, u udarnim čekićima, koji se široko koriste u rudarskoj industriji, u izgradnji puteva, iskopavanju tvrdog tla itd. Energija koju tijelo posjeduje kao rezultat svog kretanja naziva se kinetička (od grčkog. kinema - energija kretanja. Kinetička energija tijela označena je slovom E To. Voda koja se kreće, pokreće turbine hidroelektrana, troši svoju kinetičku energiju i radi. Pokretni vazduh, vetar, takođe ima kinetičku energiju. Od čega zavisi kinetička energija? Okrenimo se iskustvu (vidi sliku). Ako kotrljate lopticu A sa različitih visina, primijetit ćete da što je veća visina s koje se lopta kotrlja, to je njena brzina veća i što dalje pomiče blok, tj. radi više posla. To znači da kinetička energija tijela ovisi o njegovoj brzini. Zbog svoje brzine, leteći metak ima visoku kinetičku energiju. Kinetička energija tijela također zavisi od njegove mase. Ponovimo naš eksperiment, ali ćemo iz nagnute ravni zakotrljati još jednu loptu veće mase. Bar B će se kretati dalje, odnosno radiće se više. To znači da je kinetička energija druge lopte veća od prve. Što je veća masa tijela i brzina kojom se kreće, veća je i njegova kinetička energija. Za određivanje kinetičke energije tijela koristi se formula: Ek = mv^2 /2, Gdje m- tjelesna masa, v- brzina kretanja tela. Kinetička energija tijela se koristi u tehnici. Voda koju brana zadržava ima, kao što je već rečeno, veliku potencijalnu energiju. Kada voda pada sa brane, ona se kreće i ima istu visoku kinetičku energiju. Pokreće turbinu spojenu na generator električne struje. Zbog kinetičke energije vode nastaje električna energija. Energija kretanja vode je od velikog značaja u nacionalnoj ekonomiji. Ova energija se koristi u moćnim hidroelektranama. Energija padajuće vode je ekološki prihvatljiv izvor energije, za razliku od energije goriva. Sva tijela u prirodi, u odnosu na konvencionalnu nultu vrijednost, imaju ili potencijalnu ili kinetičku energiju, a ponekad i obje zajedno. Na primjer, leteći avion ima i kinetičku i potencijalnu energiju u odnosu na Zemlju. Upoznali smo dvije vrste mehaničke energije. O drugim vrstama energije (električna, unutrašnja, itd.) biće reči u drugim delovima kursa fizike. Pretvaranje jedne vrste mehaničke energije u drugu. Fenomen transformacije jedne vrste mehaničke energije u drugu vrlo je zgodno promatrati na uređaju prikazanom na slici. Namotavanjem navoja na osu, disk uređaja se podiže. Disk podignut prema gore ima određenu potencijalnu energiju. Ako ga pustite, okrenut će se i početi padati. Kako pada, potencijalna energija diska se smanjuje, ali se u isto vrijeme povećava njegova kinetička energija. Na kraju pada, disk ima toliku rezervu kinetičke energije da može ponovo da se podigne na skoro svoju prethodnu visinu. (Deo energije se troši radeći protiv sile trenja, tako da disk ne dostiže svoju prvobitnu visinu.) Podigavši se, disk ponovo pada, a zatim se ponovo diže. U ovom eksperimentu, kada se disk kreće naniže, njegova potencijalna energija se pretvara u kinetičku energiju, a kada se kreće gore, kinetička energija se pretvara u potencijalnu energiju. Transformacija energije iz jedne vrste u drugu također se događa kada se dva elastična tijela sudare, na primjer, gumena lopta na podu ili čelična lopta na čeličnoj ploči. Ako podignete čeličnu kuglu (pirinač) iznad čelične ploče i oslobodite je iz ruku, ona će pasti. Kako lopta pada, njena potencijalna energija se smanjuje, a kinetička energija raste, kako se brzina lopte povećava. Kada lopta udari u ploču, i lopta i ploča će biti komprimirani. Kinetička energija koju je lopta posjedovala pretvorit će se u potencijalnu energiju komprimirane ploče i komprimirane lopte. Tada će, zahvaljujući djelovanju elastičnih sila, ploča i lopta poprimiti svoj izvorni oblik. Lopta će se odbiti od ploče, a njihova potencijalna energija će se ponovo pretvoriti u kinetičku energiju lopte: lopta će se odbiti brzinom skoro jednakom brzini koju je imala u trenutku kada je udarila o ploču. Kako se lopta diže prema gore, brzina lopte, a time i njena kinetička energija, opada, dok potencijalna energija raste. Nakon što se odbila od ploče, lopta se podiže na gotovo istu visinu sa koje je počela padati. Na najvišoj tački uspona, sva njegova kinetička energija će se ponovo pretvoriti u potencijal. Prirodne pojave obično su praćene transformacijom jedne vrste energije u drugu. Energija se može prenositi s jednog tijela na drugo. Tako se, na primjer, prilikom gađanja lukom, potencijalna energija nategnute tetive pretvara u kinetičku energiju leteće strijele. |
Svako tijelo koje čini pokret može se okarakterizirati radom. Drugim riječima, karakterizira djelovanje sila.
Rad je definisan kao:
Proizvod modula sile i putanje koju pređe tijelo, pomnožen kosinusom ugla između smjera sile i kretanja.
Rad se mjeri u džulima:
1 [J] = = [kg* m2/s2]
Na primjer, tijelo A je pod utjecajem sile od 5 N prešlo 10 m. Odrediti rad koji je izvršilo tijelo.
Kako se smjer kretanja i djelovanje sile poklapaju, ugao između vektora sile i vektora pomaka bit će jednak 0°. Formula će biti pojednostavljena jer je kosinus ugla od 0° jednak 1.
Zamjenom početnih parametara u formulu, nalazimo:
A= 15 J.
Razmotrimo još jedan primjer: tijelo težine 2 kg, koje se kreće ubrzanjem od 6 m/s2, prešlo je 10 m. Odrediti rad koji je izvršilo tijelo ako se kretalo prema gore duž nagnute ravni pod uglom od 60°.
Za početak, izračunajmo koliku silu treba primijeniti da se tijelu prenese ubrzanje od 6 m/s2.
F = 2 kg * 6 m/s2 = 12 H.
Pod uticajem sile od 12N, telo se pomerilo za 10 m Rad se može izračunati pomoću već poznate formule:
Gdje je a jednako 30°. Zamjenom početnih podataka u formulu dobijamo:
A= 103,2 J.
Snaga
Mnoge mašine i mehanizmi obavljaju isti posao u različitim vremenskim periodima. Da bismo ih uporedili, uvodi se pojam moći.
Snaga je veličina koja pokazuje količinu obavljenog posla u jedinici vremena.
Snaga se mjeri u vatima, u čast škotskog inženjera Jamesa Watta.
1 [Watt] = 1 [J/s].
Na primjer, velika dizalica je podigla teret težak 10 tona na visinu od 30 m za 1 minutu. Mala dizalica je podigla 2 tone cigli na istu visinu za 1 minut. Uporedite kapacitete dizalica.
Definirajmo radove koje obavljaju dizalice. Teret se podiže za 30m, dok savladava silu gravitacije, pa će sila utrošena na podizanje tereta biti jednaka sili interakcije između Zemlje i tereta (F=m*g). A rad je umnožak sila na pređenu udaljenost tereta, odnosno na visinu.
Za veliku dizalicu A1 = 10.000 kg * 30 m * 10 m/s2 = 3.000.000 J, a za malu dizalicu A2 = 2.000 kg * 30 m * 10 m/s2 = 600.000 J.
Snaga se može izračunati dijeljenjem rada s vremenom. Obje dizalice podigle su teret za 1 minut (60 sekundi).
Odavde:
N1 = 3.000.000 J/60 s = 50.000 W = 50 kW.
N2 = 600.000 J/ 60 s = 10.000 W = 10 kW.
Iz gornjih podataka jasno se vidi da je prva dizalica 5 puta snažnija od druge.
