Материал к уроку физики в 11 классе «Работа силы. Работа и мощность. КПД механизмов и машин»

Пашикова Т.Д.

Преподователь кафедры общей физики

Туркменский государственный университет им. Махтумкули

(г. Ашхабад, Туркменистан)

Работа силы. Работа и мощность. КПД механизмов и машин

Пусть под действием постоянной силы тело совершило перемещение . Для характеристики перемещающего действия силы вводится понятие работы. Работа равна произведению модуля силы, модуля перемещения и косинуса угла между направлениями силы и перемещения (рис.1).

(1)

Рис. 1

Если тело перемещается под действием нескольких сил, то совершаемая ими работа равна сумме работ всех этих сил. Работа – скалярная величина, так как она характеризуется только числовым значением. Единица работы в СИ – джоуль (Дж).

Кратко проанализируем общую формулу работы.

1. Если , , то работа . , .

2. Если , , то работа ., .

3. Если , , , , то сила не совершает работы (рис. 2).

Рис. 2

4. Если , то тело движется по инерции. Т.е. без действия силы на тело не может быть и работы.

5. Если , то тело находится в покое, движения нет, работа .

Для совершения механической работы широко используются те или иные машины и механизмы. Для оценнки эффективности механизма важно знать, как быстро совершает он данную работу. С этой целью вводится понятие мощности.

Мощность – это физическая величина, равная отношению работы ко времени , за которое она совершается:

(2)

Мощность показывает, какая работа совершается в единицу времени.

Поскольку работа и время скалярные величины, то мощность также скалярная физическая величина. Единица мощности в СИ – ватт (Вт)

Часто применяются следующие единицы мощности : 1 л.с.= 736 Вт,

1 гВт = 100 Вт, 1 кВт = 103 Вт, 1МВт = 106 Вт

В случае движения тела с постоянной скоростью под действием силы , мощность может быть выражена формулой

(3)

В случае переменной мощности вводится понятие средней мощности

и мгновенной мощности

Увеличив или уменьшив скорость, можно уменьшить или увеличить силу тяги. Это широко используется в современной технике: шофёр и тракторист, машинист электровоза, токарь и фрезеровщик часто используют коробку передач.

Работа, для выполнения которой созданы или используются механизмы или машина, называют полезной работой.

Коэффициентом полезного действия (КПД) называют отношение полезной работы к полной (затраченной) работе:

(4)

т.к. , то и .

КПД наклонной плоскости равен:

где , . Здесь – масса тела, которое требуется поднять на высоту , перемещая его по наклонной плоскости длиной под действием силы тяги .

КПД можно определить и как отношение полезной мощности к подводимой мощности :

(5)

Если тело участвует в различных процессах, связанных с передачей или превращениями энергии, то общий КПД равен произведению КПД каждого из этих процессов.

(6)