Теория:
При использовании механизмов мы совершаем работу. Различают два вида работы: затраченная и полезная. Затраченная работа — это вся энергия, которую мы потратили на выполнение задачи, она так и обозначается — . Полезная работа — это та работа, которую мы хотим получить, — .
Пример:
1. При подъёме груза с помощью рычага. Затраченная работа — это энергия, которую ты приложил к рычагу, включая энергию, потерянную из-за трения, а полезная работа — это работа, выполненная для подъёма груза на определённую высоту.
2. Велосипед. Затраченная работа — это вся сила, с которой ты крутишь педали, включая потери на трение в цепи и нагрев шин, а полезная работа — это энергия, потраченная на движение колёс, чтобы велосипед ехал вперёд.
2. Велосипед. Затраченная работа — это вся сила, с которой ты крутишь педали, включая потери на трение в цепи и нагрев шин, а полезная работа — это энергия, потраченная на движение колёс, чтобы велосипед ехал вперёд.
Обрати внимание!
Как их различить?
Полезная работа связана только с результатом. Это работа, которая уходит на выполнение нужной нам задачи (поднятие груза, передвижение предмета).
Затраченная работа включает всё: и результат, и потери энергии на трение, нагрев, сопротивление.
Полезная работа связана только с результатом. Это работа, которая уходит на выполнение нужной нам задачи (поднятие груза, передвижение предмета).
Затраченная работа включает всё: и результат, и потери энергии на трение, нагрев, сопротивление.
Коэффициент полезного действия (КПД) показывает, насколько эффективно работает механизм или устройство. Он говорит о том, какую часть энергии мы используем по назначению, а какая часть теряется. КПД измеряется в процентах и рассчитывается по формуле:
, где
- — буквенное обозначение КПД (читается как эта);
- — полезная работа (то, что нужно сделать);
- — вся энергия, которую мы потратили.
Пример:
1. Электрическая лампочка использует энергию, чтобы светить. Но не вся энергия идёт на свет, часть превращается в тепло. Если КПД лампочки — \(60\) \(\%\), это значит, что \(60\) \(\%\) энергии превращается в свет, а \(40\) \(\%\) теряется в виде тепла.
2. Когда ты крутишь педали, часть твоей силы идёт на движение велосипеда, а часть теряется из-за трения в цепи и шин о дорогу. Если КПД велосипеда — \(90\) \(\%\), то \(90\) \(\%\) твоей энергии идёт на движение, а \(10\) \(\%\) — на преодоление трения.
2. Когда ты крутишь педали, часть твоей силы идёт на движение велосипеда, а часть теряется из-за трения в цепи и шин о дорогу. Если КПД велосипеда — \(90\) \(\%\), то \(90\) \(\%\) твоей энергии идёт на движение, а \(10\) \(\%\) — на преодоление трения.
Рис. \(1\). КПД показывает эффективность работы
КПД никогда не равен \(100\) \(\%\)!
Часть энергии всегда теряется, чаще всего из-за трения (шины велосипеда трутся о дорогу), нагрева (механизмы нагреваются при работе и теряют энергию в виде тепла), сопротивления (в электрических цепях энергия теряется из-за сопротивления проводов) и прочего.
Рассмотрим подъём груза массой \(m\) на высоту \(h\).
Полезная работа заключается в подъёме груза на высоту, а для этого необходимо преодолеть силу тяжести. Если движение равномерное, то полезная работа равна:
, где
- \(F\) — сила,
- \(s\) — путь,
- \(m\) — масса,
- \(g\) — ускорение свободного падения,
- \(h\) — высота.
При разработке двигателей и механизмов инженеры стремятся уменьшить затраты энергии и повысить коэффициент полезного действия. В процессе научно-технического развития коэффициент полезного действия изменялся. Современные технологии позволяют достичь высокого КПД. Это необходимо для сохранения природы.
- КПД парового двигателя — \(1\)–\(8~\%\).
- КПД бензинового двигателя — \(20\)–\(25~\%\).
- КПД электрического двигателя — \(90\)–\(95~\%\).
Источники:
Рис. 1. Иллюстрация КПД. Лицензия Shutterstock. (Дата обращения: 28.01.2025.)