Механическая мощность. Механическая мощность формула и определение
Мгновенной мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.
Мощность постоянного тока
Так как значения силы тока и напряжения постоянны и равны мгновенным значениям в любой момент времени, то мощность можно вычислить по формуле:
P
=
I
⋅
U
{\displaystyle P=I\cdot U}
.
Для пассивной линейной цепи, в которой соблюдается закон Ома , можно записать:
P
=
I
2
⋅
R
=
U
2
R
{\displaystyle P=I^{2}\cdot R={\frac {U^{2}}{R}}}
, где
R
{\displaystyle R}
- электрическое сопротивление .
Если цепь содержит источник ЭДС , то отдаваемая им или поглощаемая на нём электрическая мощность равна:
P
=
I
⋅
E
{\displaystyle P=I\cdot {\mathcal {E}}}
, где
E
{\displaystyle {\mathcal {E}}}
- ЭДС.
Если ток внутри ЭДС противонаправлен градиенту потенциала (течёт внутри ЭДС от плюса к минусу), то мощность поглощается источником ЭДС из сети (например, при работе электродвигателя или заряде аккумулятора), если сонаправлен (течёт внутри ЭДС от минуса к плюсу), то отдаётся источником в сеть (скажем, при работе гальванической батареи или генератора). При учёте внутреннего сопротивления источника ЭДС выделяемая на нём мощность
p
=
I
2
⋅
r
{\displaystyle p=I^{2}\cdot r}
прибавляется к поглощаемой или вычитается из отдаваемой.
Мощность переменного тока
В цепях переменного тока формула для мощности постоянного тока может быть применена лишь для расчёта мгновенной мощности, которая сильно изменяется во времени и для большинства простых практических расчётов не слишком полезна непосредственно. Прямой расчёт среднего значения мощности требует интегрирования по времени. Для вычисления мощности в цепях, где напряжение и ток изменяются периодически, среднюю мощность можно вычислить, интегрируя мгновенную мощность в течение периода. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.
Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности , удобно обратиться к теории комплексных чисел . Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность - мнимой частью, полная мощность - модулем, а угол (сдвиг фаз) - аргументом. Для такой модели оказываются справедливыми все выписанные ниже соотношения.
Активная мощность
Единица измерения в СИ - ватт .
Среднее за период
T
{\displaystyle T}
значение мгновенной мощности называется активной электрической мощностью или электрической мощностью:
P
=
1
T
∫
0
T
p
(t)
d
t
{\displaystyle P={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}p(t)dt}
. В цепях однофазного синусоидального тока
P
=
U
⋅
I
⋅
cos
φ
{\displaystyle P=U\cdot I\cdot \cos \varphi }
, где
U
{\displaystyle U}
и
I
{\displaystyle I}
- среднеквадратичные значения напряжения и тока ,
φ
{\displaystyle \varphi }
- угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи
r
{\displaystyle r}
или её проводимость
g
{\displaystyle g}
по формуле
P
=
I
2
⋅
r
=
U
2
⋅
g
{\displaystyle P=I^{2}\cdot r=U^{2}\cdot g}
. В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью
S
{\displaystyle S}
активная связана соотношением
P
=
S
⋅
cos
φ
{\displaystyle P=S\cdot \cos \varphi }
.
.
Вар определяется как реактивная мощность цепи с синусоидальным переменным током при действующих значениях напряжения 1 В и тока 1 А, если сдвиг фазы между током и напряжением
π
2
{\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}
.
Реактивная мощность - величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения
U
{\displaystyle U}
и тока
I
{\displaystyle I}
, умноженному на синус угла сдвига фаз
φ
{\displaystyle \varphi }
между ними:
Q
=
U
⋅
I
⋅
sin
φ
{\displaystyle Q=U\cdot I\cdot \sin \varphi }
(если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает - отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью
S
{\displaystyle S}
и активной мощностью
P
{\displaystyle P}
соотношением:
|
Q
|
=
S
2
−
P
2
{\displaystyle |Q|={\sqrt {S^{2}-P^{2}}}}
.
Физический смысл реактивной мощности - это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.
Необходимо отметить, что величина для значений
φ
{\displaystyle \varphi }
от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина
sin
φ
{\displaystyle \sin \varphi }
для значений
φ
{\displaystyle \varphi }
от 0 до −90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой
Q
=
U
I
sin
φ
{\displaystyle Q=UI\sin \varphi }
, реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную - то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например, асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор , являются активно-индуктивными.
Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности .
Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии, возвращаемой от индуктивной и ёмкостной нагрузки в источник переменного напряжения.
Полная мощность
Единица измерения в СИ - ватт. Кроме того, используется внесистемная единица вольт-ампер
(русское обозначение: В·А
; международное: V·A
). В Российской Федерации эта единица допущена к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «электротехника» .
Полная мощность - величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока
I
{\displaystyle I}
в цепи и напряжения
U
{\displaystyle U}
на её зажимах:
S
=
U
⋅
I
{\displaystyle S=U\cdot I}
; связана с активной и реактивной мощностями соотношением:
S
=
P
2
+
Q
2
,
{\displaystyle S={\sqrt {P^{2}+Q^{2}}},}
где
P
{\displaystyle P}
- активная мощность,
Q
{\displaystyle Q}
- реактивная мощность (при индуктивной нагрузке
Q
>
0
{\displaystyle Q>0}
, а при ёмкостной
Q
<
0
{\displaystyle Q<0}
).
Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой:
S
⟶
=
P
⟶
+
Q
⟶
.
{\displaystyle {\stackrel {\longrightarrow }{S}}={\stackrel {\longrightarrow }{P}}+{\stackrel {\longrightarrow }{Q}}.}
Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, можно записать в комплексном виде:
S
˙
=
U
˙
I
˙
∗
=
I
2
Z
=
U
2
Z
∗
,
{\displaystyle {\dot {S}}={\dot {U}}{\dot {I}}^{*}=I^{2}\mathbb {Z} ={\frac {U^{2}}{\mathbb {Z} ^{*}}},}
где
U
˙
{\displaystyle {\dot {U}}}
- комплексное напряжение,
I
˙
{\displaystyle {\dot {I}}}
- комплексный ток,
Z
{\displaystyle \mathbb {Z} }
- импеданс, * - оператор комплексного сопряжения .
Модуль комплексной мощности
|
S
˙
|
{\displaystyle \left|{\dot {S}}\right|}
равен полной мощности
S
{\displaystyle S}
. Действительная часть
R
e
(S
˙)
{\displaystyle \mathrm {Re} ({\dot {S}})}
равна активной мощности
P
{\displaystyle P}
, а мнимая
I
m
(S
˙)
{\displaystyle \mathrm {Im} ({\dot {S}})}
В таблице указаны значения мощности некоторых потребителей электрического тока:
Электрический прибор
Мощность,Вт
Лампочка фонарика
1
Сетевой роутер, хаб
10…20
Системный блок ПК
100…1700
Системный блок сервера
200…1500
Монитор для ПК ЭЛТ
15…200
Монитор для ПК ЖК
2…40
Лампа люминесцентная бытовая
5…30
Лампа накаливания бытовая
25…150
Холодильник бытовой
15…700
Электропылесос
100… 3000
Электрический утюг
300…2 000
Стиральная машина
350…2 000
Электрическая плитка
1 000…2 000
Сварочный аппарат бытовой
1 000…5 500
Двигатель лифта невысокого дома
3 000…15 000
Двигатель трамвая
45 000…50 000
Двигатель электровоза
650 000
Электродвигатель шахтной подъёмной машины
1 000 000…5 000 000
Содержание:
Прежде чем рассматривать электрическую мощность, следует определиться, что же представляет собой мощность вообще, как физическое понятие. Обычно, говоря об этой величине, подразумевается определенная внутренняя энергия или сила, которой обладает какой-либо объект. Это может быть мощность устройства, например, двигателя или действия (взрыв). Ее не следует путать с силой, поскольку это различные понятия, хотя и находящиеся в определенной зависимости между собой. Любые физические действия совершаются под влиянием силы. С ее помощью проделывается определенный путь, то есть выполняется работа. В свою очередь, работа А, проделанная в течение определенного времени t, составит значение мощности, выраженное формулой: N = A/t (Вт = Дж/с).
Другое понятие мощности связано со скоростью преобразования энергии той или иной системы. Одним из таких преобразований является мощность электрического тока, с помощью которой также выполняется множество различных работ. В первую очередь она связана с электродвигателями и другими устройствами, выполняющими полезные действия.
Что такое мощность электрического тока
Мощность тока связана сразу с несколькими физическими величинами. Напряжение (U) представляет собой работу, затрачиваемую на перемещение 1 кулона. Сила тока (I) соответствует количеству кулонов, проходящих за 1 секунду. Таким образом, ток, умноженный на напряжение (I x U), соответствует полной работе, выполненной за 1 секунду. Полученное значение и будет мощностью электрического тока.
Приведенная формула мощности тока показывает, что мощность находится в одинаковой зависимости от силы тока и напряжения. Отсюда следует, что одно и то же значение этого параметра можно получить за счет большого тока и малого напряжения и, наоборот, при высоком напряжении и малом токе. Это свойство позволяет передавать электроэнергию на дальние расстояния от источника к потребителям. В процессе передачи ток преобразуется с помощью трансформаторов, установленных на повышающих и понижающих подстанциях.
Существует два основных вида электрической мощности - . В первом случае происходит безвозвратное превращение мощности электрического тока в механическую, световую, тепловую и другие виды энергии. Для нее применяется единица измерения - ватт. 1Вт = 1В х 1А. На производстве и в быту используются более крупные значения - киловатты и мегаватты.
К реактивной мощности относится такая электрическая нагрузка, которая создается в устройствах за счет индуктивных и емкостных колебаний энергии электромагнитного поля. В переменном токе эта величина представляет собой произведение, выраженное следующей формулой: Q = U х I х sin(угла). Синус угла означает сдвиг фаз между рабочим током и падением напряжения. Q является реактивной мощностью, измеряемой в Вар - вольт-ампер реактивный. Данные расчеты помогают эффективно решить вопрос, как найти мощность электрического тока, а формула, существующая для этого, позволяет быстро выполнить вычисления.
Обе мощности можно наглядно рассмотреть на простом примере. Какое-либо электротехническое устройство оборудовано нагревательными элементами - ТЭНами и электродвигателем. Для изготовления ТЭНов используется материал, обладающий высоким сопротивлением, поэтому при прохождении по нему тока, вся электрическая энергия преобразуется в тепловую. Данный пример очень точно характеризует активную электрическую мощность.
Что касается электродвигателя, то внутри него расположена медная обмотка, обладающая индуктивностью, которая, в свою очередь, обладает эффектом самоиндукции. Благодаря этому эффекту, происходит частичный возврат электричества обратно в сеть. Возвращаемая энергия характеризуется небольшим смещением в параметрах напряжения и тока, оказывая негативное влияние на электрическую сеть в виде дополнительных перегрузок.
Такие же свойства имеют и конденсаторы из-за своей электрической емкости, когда накопленный заряд отдается обратно. Здесь также смещаются значения тока и напряжения, только в противоположном направлении. Данная энергия индуктивности и емкости, со смещением по фазе относительно значений действующей электросети, как раз и есть реактивная электрическая мощность. Благодаря противоположному эффекту индуктивности и емкости в отношении сдвига фазы, становится возможным выполнить компенсацию реактивной мощности, повышая, тем самым, эффективность и качество электроснабжения.
По какой формуле вычисляется мощность электрического тока
Правильное и точное решение вопроса чему равна мощность электрического тока, играет решающую роль в деле обеспечения безопасной эксплуатации электропроводки, предупреждения возгораний из-за неправильно выбранного сечения проводов и кабелей. Мощность тока в активной цепи зависит от силы тока и напряжения. Для измерения силы тока существует прибор - амперметр. Однако не всегда возможно воспользоваться этим прибором, особенно когда проект здания еще только составляется, а электрической цепи просто не существует. Для таких случаев предусмотрена специальная методика проведения расчетов. Силу тока можно определить по формуле при наличии значений мощности, напряжения сети и характера нагрузки.
Существует формула мощности тока, применительно к постоянным значениям силы тока и напряжения: P = U x I. При наличии сдвига фаз между силой тока и напряжением, для расчетов используется уже другая формула: P = U x I х cos φ. Кроме того, мощность можно определить заранее путем суммирования мощности всех приборов, которые запланированы к вводу в эксплуатацию и подключению к сети. Эти данные имеются в технических паспортах и руководствах по эксплуатации устройств и оборудования.
Таким образом, формула определения мощности электрического тока позволяет вычислить силу тока для однофазной сети: I = P/(U x cos φ), где cos φ представляет собой коэффициент мощности. При наличии трехфазной электрической сети сила тока вычисляется по такой же формуле, только к ней добавляется фазный коэффициент 1,73: I = P/(1,73 х U x cos φ). Коэффициент мощности полностью зависит от характера планируемой нагрузки. Если предполагается использовать лишь лампы освещения или нагревательные приборы, то он будет составлять единицу.
При наличии реактивных составляющих в активных нагрузках, коэффициент мощности уже считается как 0,95. Данный фактор обязательно учитывается в зависимости от того, какой тип электропроводки используется. Если приборы и оборудование обладают достаточно высокой мощностью, то коэффициент составит 0,8. Это касается сварочных аппаратов, электродвигателей и других аналогичных устройств.
Для расчетов при наличии однофазного тока значение напряжения принимается 220 вольт. Если присутствует , расчетное напряжение составит 380 вольт. Однако с целью получения максимально точных результатов, необходимо использовать в расчетах фактическое значение напряжения, измеренное специальными приборами.
От чего зависит мощность тока
Мощность тока, различных приборов и оборудования зависит сразу от двух основных величин - и . Чем выше ток, тем больше значение мощности, соответственно, при повышении напряжения, мощность также возрастает. Если напряжение и сила тока увеличиваются одновременно, то мощность электрического тока будет возрастать как произведение той и другой величины: N = I x U.
Очень часто возникает вопрос, в чем измеряется мощность тока? Основной единицей измерения этой величины является (Вт). Таким образом, 1 ватт является мощностью устройства, потребляющего ток силой в 1 ампер, при напряжении 1 вольт. Подобной мощностью обладает, например, лампочка от обычного карманного фонарика.
Расчетное значение мощности позволяет точно определить расход электрической энергии. Для этого необходимо взять произведение мощности и времени. Сама формула выглядит так: W = IUt где W является расходом электроэнергии, произведение IU - мощностью, а t - количеством отработанного времени. Например, чем больше продолжается работа электрического двигателя, тем большая работа им совершается. Соответственно возрастает и потребление электроэнергии.
Что такое сила и мощность? В чем измеряется данный показатель, какие при этом используются приборы, и как названные применяются на практике, мы рассмотрим далее в статье.
Сила
В мире все тела физической природы начинают движение благодаря силе. При ее воздействии, с попутным или противоположным направлением движения тела, совершается работа. Таким образом, на тело воздействует какая-либо сила.
Так, велосипед трогается с места благодаря силе ног человека, а на поезд действует сила тяги электровоза. Подобное воздействие случается при любом движении. Работа силы - это величина, в которой умножается модуль силы, модуль перемещения точки ее приложения и косинус угла между векторами этих показателей. Формула в этом случае выглядит следующим образом:
A = F · s · cos (F, s)
Если угол между этими векторами не равен нулю, то работа производится всегда. При этом она может иметь как положительное, так и отрицательное значение. На тело не будет действовать сила при угле, равном 90°.
Рассмотрим для примера телегу, которую тянет мускульная сила лошади. Другими словами, работу совершает сила тяги в направлении движения телеги. А вот направленная вниз или перпендикулярно, работы не совершает (кстати, лошадиные силы — это то, в чем измеряется мощность двигателя).
Работа силы является скалярной величиной и измеряется в джоулях. Она может быть:
равнодействующей (при воздействии нескольких сил);
непостоянной (тогда вычисление производится с интегралом).
Мощность
В чем измеряется эта величина? Для начала разберем, что она из себя представляет. Понятно, что движение тело начинает за счет силы, совершающей Однако на практике, помимо этого, необходимо знать, как именно она совершается.
Работа может быть завершена в разные сроки. Например, одно и то же действие может совершить маленький моторчик или большой электрический двигатель. Вопрос только в том, за какое время оно будет произведено. Величина, отвечающая за такую задачу, — это мощность. В чем измеряется она, становится понятным из определения - это отношение работы за конкретное время к его величине:
Путем логических действий приходим к следующей формуле:
то есть произведение векторов силы на скорость движения - и есть мощность. В чем измеряется она? По международной системе СИ, единицей измерения данной величины является 1 Ватт.
Ватт и другие единицы измерения мощности
Ватт означает мощность, где за одну секунду производится работа в один джоуль. Последнюю единицу назвали так в честь англичанина Дж.Уатта, который изобрел и соорудил первую паровую машину. Но он при этом использовал другую величину - лошадиную силу, каковая применяется и по сей день. приблизительно равна 735,5 Ватт.
Таким образом, кроме Ватта, мощность измеряют в метрической лошадиной силе. А при очень малом значении также используют Эрг, равный десяти в минус седьмой степени Ватт. Возможно и измерение в одной единице массы/силы/метров в секунду, что равно 9,81 Ватт.
Мощность в двигателе
Названная величина является одной из самых важных в любом моторе, который бывает самой разной мощности. Например, электрическая бритва имеет сотые доли киловатта, а ракета космического корабля насчитывает миллионы.
Для разной нагрузки необходима различная мощность для сохранения определенной скорости. Например, машина станет тяжелее, если в нее поместить больше груза. Тогда о дорогу увеличится. Поэтому, чтобы поддерживать ту же скорость, что и в ненагруженном состоянии, потребуется большая мощность. Соответственно, мотор будет съедать больше топлива. Об этом факте известно всем водителям.
Но при большой скорости важна и инерция машины, которая прямо пропорциональна ее массе. Бывалые водители, знающие об этом факте, находят при езде лучшее сочетание топлива и скорости, чтобы бензина уходило меньше.
Мощность тока
В чем измеряется мощность тока? В той же самой единице по системе СИ. Она может быть измерена прямым или косвенным методом.
Первый способ реализуется при помощи ваттметра, потребляющего существенную энергию и сильно нагружающего источник тока. С его помощью измеряется от десяти Ватт и более. Косвенный метод используют при необходимости измерить малые значения. Приборами для этого служат амперметр и вольтметр, подсоединенные к потребителю. Формула в данном случае будет иметь такой вид:
При известном сопротивлении нагрузки, измеряем протекающую через нее величину тока и находим мощность так:
P = I 2 ∙ R н.
По формуле P = I 2 /R н также может быть вычеслена мощность тока.
В чем измеряется она в сети трехфазного тока, тоже не секрет. Для этого применяют уже знакомый прибор - ваттметр. Причем решить задачу, чем измеряется можно с помощью одного, двух или даже трех приборов. Например, для четырехпроводной установки потребуется три устройства. А для трехпроводной при несимметричной нагрузке — два.
Кто быстрее человек или подъемный кран поднимет весь груз на высоту?
Для того, чтобы перетащить 5 мешков картошки с огорода, расположенного в паре километров от дома, вам потребуется целый день носиться с ведром туда-обратно. А если взять тележку, то справитесь за два-три часа. В чем разница? Разница в быстроте выполнения работы.
Мощность характеризует быстроту совершения работы.
Мощность (N) – физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа.
мощность= работа/время,
или
где N – мощность,
A – работа,
t – время.
Мощность показывает, какая работа совершается за единицу времени.
В Международной системе (СИ) единица мощности называется Ватт (Вт) в честь английскогоизобретателя Джеймса Ватта (Уатта), построившего первую паровую машину.
[ N ] = Вт = Дж / c
1 Вт = 1 Дж / 1с
1 Ватт равен мощности силы, совершающей работу в 1 Дж за 1 секунду
или, когда груз массой 100г поднимают на высоту 1м за 1 секунду
Сам Джеймс Уатт (1736 - 1819) пользовался другой единицей мощности - лошадиной силой (1 л.с.), которую он ввел с целью возможности сравнения работоспособности паровой машины и лошади. 1л.с. = 735Вт.
Измерение мощности в лошадиных силах используют и сегодня, например, когда говорят о мощности легкового автомобиля или грузовика
Применение мощности в физике
Мощность является важнейшей характеристикой любого двигателя. Различные двигатели развивают совершенно разную мощность. Это могут быть как сотые доли киловатта, например, двигатель электробритвы, так и миллионы киловатт, например, двигатель ракеты-носителя космического корабля.
При различной нагрузке двигатель автомобиля вырабатывает разную мощность, чтобы продолжать движение с одинаковой скоростью. Например, при увеличении массы груза, вес машины увеличивается, соответственно, возрастает сила трения о поверхность дороги, и для поддержания такой же скорости, как и без груза, двигатель должен будет совершать большую работу. Соответственно, возрастет вырабатываемая двигателем мощность. Двигатель будет потреблять больше топлива. Это хорошо известно всем шоферам. Однако, на большой скорости свою немалую роль играет и инерция движущегося транспортного средства, которая тем больше, чем больше его масса. Опытные водители грузовиков находят оптимальное сочетание скорости с потребляемым бензином, чтобы машина сжигала меньше топлива.
Оказывается, самым мощным источником механической энергии является огнестрельное оружие!
С помощью пушки можно бросить ядро массой 900кг со скоростью 500м/с, развивая за 0,01 секунды около 110 000 000 Дж работы. Эта работа равнозначна работе по подъему 75 т груза на вершину пирамиды Хеопса (высота 150м)
Мощность выстрела пушки будет составлять 11 000 000 000Вт = 15 000 000 л.с.
Основные теоретические сведения
Механическая работа
Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы
. Работой, совершаемой постоянной силой F
, называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла между векторами силы F
и перемещения S
:
Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна (0° ≤ α
< 90°), так и отрицательна (90° < α
≤ 180°). При α
= 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 ньютон на перемещении 1 метр в направлении действия силы.
Если же сила изменяется с течением времени, то для нахождения работы строят график зависимости силы от перемещения и находят площадь фигуры под графиком – это и есть работа:
Примером силы, модуль которой зависит от координаты (перемещения), может служить сила упругости пружины, подчиняющаяся закону Гука (F
упр = kx
).
Мощность
Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью
. Мощность P
(иногда обозначают буквой N
) – физическая величина, равная отношению работы A
к промежутку времени t
, в течение которого совершена эта работа:
По этой формуле рассчитывается средняя мощность
, т.е. мощность обобщенно характеризующая процесс. Итак, работу можно выражать и через мощность: A
= Pt
(если конечно известна мощность и время совершения работы). Единица мощности называется ватт (Вт) или 1 джоуль за 1 секунду. Если движение равномерное, то:
По этой формуле мы можем рассчитать мгновенную мощность
(мощность в данный момент времени), если вместо скорости подставим в формулу значение мгновенной скорости. Как узнать, какую мощность считать? Если в задаче спрашивают мощность в момент времени или в какой-то точке пространства, то считается мгновенная. Если спрашивают про мощность за какой-то промежуток времени или участок пути, то ищите среднюю мощность.
КПД – коэффициент полезного действия
, равен отношению полезной работы к затраченной, либо же полезной мощности к затраченной:
Какая работа полезная, а какая затраченная определяется из условия конкретной задачи путем логического рассуждения. К примеру, если подъемный кран совершает работу по подъему груза на некоторую высоту, то полезной будет работа по поднятию груза (так как именно ради нее создан кран), а затраченной – работа, совершенная электродвигателем крана.
Итак, полезная и затраченная мощность не имеют строгого определения, и находятся логическим рассуждением. В каждой задаче мы сами должны определить, что в этой задаче было целью совершения работы (полезная работа или мощность), а что было механизмом или способом совершения всей работы (затраченная мощность или работа).
В общем случае КПД показывает, как эффективно механизм преобразует один вид энергии в другой. Если мощность со временем изменяется, то работу находят как площадь фигуры под графиком зависимости мощности от времени:
Кинетическая энергия
Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела (энергией движения)
:
То есть если автомобиль массой 2000 кг движется со скоростью 10 м/с, то он обладает кинетической энергией равной Е
к = 100 кДж и способен совершить работу в 100 кДж. Эта энергия может превратиться в тепловую (при торможении автомобиля нагревается резина колес, дорога и тормозные диски) или может быть потрачена на деформацию автомобиля и тела, с которым автомобиль столкнулся (при аварии). При вычислении кинетической энергии не имеет значения куда движется автомобиль, так как энергия, как и работа, величина скалярная.
Тело обладает энергией, если способно совершить работу.
Например, движущееся тело обладает кинетической энергией, т.е. энергией движения, и способно совершать работу по деформации тел или придания ускорения телам, с которыми произойдёт столкновение.
Физический смысл кинетической энергии: для того чтобы покоящееся тело массой m
стало двигаться со скоростью v
необходимо совершить работу равную полученному значению кинетической энергии. Если тело массой m
движется со скоростью v
, то для его остановки необходимо совершить работу равную его первоначальной кинетической энергии. При торможении кинетическая энергия в основном (кроме случаев соударения, когда энергия идет на деформации) «забирается» силой трения.
Теорема о кинетической энергии: работа равнодействующей силы равна изменению кинетической энергии тела:
Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения. Применять данную теорему удобно в задачах на разгон и торможение тела.
Потенциальная энергия
Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел
.
Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями (так называемые консервативные силы
). Работа таких сил на замкнутой траектории равна нулю. Таким свойством обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.
Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести Земли
рассчитывается по формуле:
Физический смысл потенциальной энергии тела: потенциальная энергия равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень (h
– расстояние от центра тяжести тела до нулевого уровня). Если тело обладает потенциальной энергией, значит оно способно совершить работу при падении этого тела с высоты h
до нулевого уровня. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:
Часто в задачах на энергию приходится находить работу по поднятию (переворачиванию, доставанию из ямы) тела. Во всех этих случаях нужно рассматривать перемещение не самого тела, а только его центра тяжести.
Потенциальная энергия Ep зависит от выбора нулевого уровня, то есть от выбора начала координат оси OY. В каждой задаче нулевой уровень выбирается из соображения удобства. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.
Потенциальная энергия растянутой пружины
рассчитывается по формуле:
где: k
– жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Растяжение или сжатие х
надо рассчитывать от недеформированного состояния тела.
Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией. Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x
1 , тогда при переходе в новое состояние с удлинением x
2 сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком (так как сила упругости всегда направлена против деформации тела):
Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.
Работа силы трения зависит от пройденного пути (такой вид сил, чья работа зависит от траектории и пройденного пути называется: диссипативные силы
). Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.
Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия (КПД)
– характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой (формула уже приведена выше).
КПД можно рассчитывать как через работу, так и через мощность. Полезная и затраченная работа (мощность) всегда определяются путем простых логических рассуждений.
В электрических двигателях КПД – отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника. В тепловых двигателях – отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты. В электрических трансформаторах – отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.
В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т.д.
Из–за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т.п. КПД всегда меньше единицы.
Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД характеризует как эффективно работает машина или механизм. КПД тепловых электростанций достигает 35–40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением – 40–50%, динамомашин и генераторов большой мощности – 95%, трансформаторов – 98%.
Задачу, в которой нужно найти КПД или он известен, надо начать с логического рассуждения – какая работа является полезной, а какая затраченной.
Закон сохранения механической энергии
Полной механической энергией
называется сумма кинетической энергии (т.е. энергии движения) и потенциальной (т.е. энергии взаимодействия тел силами тяготения и упругости):
Если механическая энергия не переходит в другие формы, например, во внутреннюю (тепловую) энергию, то сумма кинетической и потенциальной энергии остаётся неизменной. Если же механическая энергия переходит в тепловую, то изменение механической энергии равно работе силы трения или потерям энергии, или количеству выделившегося тепла и так далее, другими словами изменение полной механической энергии равно работе внешних сил:
Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему (т.е. такую в которой не действует внешних сил, и их работа соответственно равна нолю) и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной:
Это утверждение выражает закон сохранения энергии (ЗСЭ) в механических процессах
. Он является следствием законов Ньютона. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой силами упругости и тяготения. Во всех задачах на закон сохранения энергии всегда будет как минимум два состояния системы тел. Закон гласит, что суммарная энергия первого состояния будет равна суммарной энергии второго состояния.
Алгоритм решения задач на закон сохранения энергии:
Найти точки начального и конечного положения тела.
Записать какой или какими энергиями обладает тело в данных точках.
Приравнять начальную и конечную энергию тела.
Добавить другие необходимые уравнения из предыдущих тем по физике.
Решить полученное уравнение или систему уравнений математическими методами.
Важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.
В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими силами действуют силы трения или силы сопротивления среды. Работа силы трения зависит от длины пути.
Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание). Таким образом энергия в целом (т.е. не только механическая) в любом случае сохраняется.
При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую.
Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии
.
Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии.
Разные задачи на работу
Если в задаче требуется найти механическую работу, то сначала выберите способ её нахождения:
Работу можно найти по формуле: A
= FS
∙cosα
. Найдите силу, совершающую работу, и величину перемещения тела под действием этой силы в выбранной системе отсчёта. Обратите внимание, что угол должен быть выбран между векторами силы и перемещения.
Работу внешней силы можно найти, как разность механической энергии в конечной и начальной ситуациях. Механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела.
Работу по подъёму тела с постоянной скоростью можно найти по формуле: A
= mgh
, где h
– высота, на которую поднимается центр тяжести тела
.
Работу можно найти как произведение мощности на время, т.е. по формуле: A
= Pt
.
Работу можно найти, как площадь фигуры под графиком зависимости силы от перемещения или мощности от времени.
Закон сохранения энергии и динамика вращательного движения
Задачи этой темы являются достаточно сложными математически, но при знании подхода решаются по совершенно стандартному алгоритму. Во всех задачах Вам придется рассматривать вращение тела в вертикальной плоскости. Решение будет сводиться к следующей последовательности действий:
Надо определить интересующую Вас точку (ту точку, в которой необходимо определить скорость тела, силу натяжения нити, вес и так далее).
Записать в этой точке второй закон Ньютона, учитывая, что тело вращается, то есть у него есть центростремительное ускорение.
Записать закон сохранения механической энергии так, чтобы в нем присутствовала скорость тела в той самой интересной точке, а также характеристики состояния тела в каком-нибудь состоянии про которое что-то известно.
В зависимости от условия выразить скорость в квадрате из одного уравнения и подставить в другое.
Провести остальные необходимые математические операции для получения окончательного результата.
При решении задач надо помнить, что:
Условие прохождения верхней точки при вращении на нити с минимальной скоростью – сила реакции опоры N
в верхней точке равна 0. Такое же условие выполняется при прохождении верхней точки мертвой петли.
При вращении на стержне условие прохождения всей окружности: минимальная скорость в верхней точке равна 0.
Условие отрыва тела от поверхности сферы – сила реакции опоры в точке отрыва равна нулю.
Неупругие соударения
Закон сохранения механической энергии и закон сохранения импульса позволяют находить решения механических задач в тех случаях, когда неизвестны действующие силы. Примером такого рода задач является ударное взаимодействие тел.
Ударом (или столкновением)
принято называть кратковременное взаимодействие тел, в результате которого их скорости испытывают значительные изменения. Во время столкновения тел между ними действуют кратковременные ударные силы, величина которых, как правило, неизвестна. Поэтому нельзя рассматривать ударное взаимодействие непосредственно с помощью законов Ньютона. Применение законов сохранения энергии и импульса во многих случаях позволяет исключить из рассмотрения сам процесс столкновения и получить связь между скоростями тел до и после столкновения, минуя все промежуточные значения этих величин.
С ударным взаимодействием тел нередко приходится иметь дело в обыденной жизни, в технике и в физике (особенно в физике атома и элементарных частиц). В механике часто используются две модели ударного взаимодействия – абсолютно упругий и абсолютно неупругий удары
.
Абсолютно неупругим ударом
называют такое ударное взаимодействие, при котором тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело.
При абсолютно неупругом ударе механическая энергия не сохраняется. Она частично или полностью переходит во внутреннюю энергию тел (нагревание). Для описания любых ударов Вам нужно записать и закон сохранения импульса, и закон сохранения механической энергии с учетом выделяющейся теплоты (предварительно крайне желательно сделать рисунок).
Абсолютно упругий удар
Абсолютно упругим ударом
называется столкновение, при котором сохраняется механическая энергия системы тел. Во многих случаях столкновения атомов, молекул и элементарных частиц подчиняются законам абсолютно упругого удара. При абсолютно упругом ударе наряду с законом сохранения импульса выполняется закон сохранения механической энергии. Простым примером абсолютно упругого столкновения может быть центральный удар двух бильярдных шаров, один из которых до столкновения находился в состоянии покоя.
Центральным ударом
шаров называют соударение, при котором скорости шаров до и после удара направлены по линии центров. Таким образом, пользуясь законами сохранения механической энергии и импульса, можно определить скорости шаров после столкновения, если известны их скорости до столкновения. Центральный удар очень редко реализуется на практике, особенно если речь идет о столкновениях атомов или молекул. При нецентральном упругом соударении скорости частиц (шаров) до и после столкновения не направлены по одной прямой.
Частным случаем нецентрального упругого удара может служить соударения двух бильярдных шаров одинаковой массы, один из которых до соударения был неподвижен, а скорость второго была направлена не по линии центров шаров. В этом случае векторы скоростей шаров после упругого соударения всегда направлены перпендикулярно друг к другу.
Законы сохранения. Сложные задачи
Несколько тел
В некоторых задачах на закон сохранения энергии тросы с помощью которых перемещаются некие объекты могут иметь массу (т.е. не быть невесомыми, как Вы могли уже привыкнуть). В этом случае работу по перемещению таких тросов (а именно их центров тяжести) также нужно учитывать.
Если два тела, соединённые невесомым стержнем, вращаются в вертикальной плоскости, то:
выбирают нулевой уровень для расчёта потенциальной энергии, например на уровне оси вращения или на уровне самой нижней точки нахождения одного из грузов и обязательно делают чертёж;
записывают закон сохранения механической энергии, в котором в левой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в начальной ситуации, а в правой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в конечной ситуации;
учитывают, что угловые скорости тел одинаковы, тогда линейные скорости тел пропорциональны радиусам вращения;
при необходимости записывают второй закон Ньютона для каждого из тел в отдельности.
Разрыв снаряда
В случае разрыва снаряда выделяется энергия взрывчатых веществ. Чтобы найти эту энергию надо от суммы механических энергий осколков после взрыва отнять механическую энергию снаряда до взрыва. Также будем использовать закон сохранения импульса, записанный, в виде теоремы косинусов (векторный метод) или в виде проекций на выбранные оси.
Столкновения с тяжёлой плитой
Пусть навстречу тяжёлой плите, которая движется со скоростью v
, движется лёгкий шарик массой m
со скоростью u
н. Так как импульс шарика много меньше импульса плиты, то после удара скорость плиты не изменится, и она будет продолжать движение с той же скоростью и в том же направлении. В результате упругого удара, шарик отлетит от плиты. Здесь важно понять, что не поменяется скорость шарика относительно плиты
. В таком случае, для конечной скорости шарика получим:
Таким образом, скорость шарика после удара увеличивается на удвоенную скорость стены. Аналогичное рассуждение для случая, когда до удара шарик и плита двигались в одном направлении, приводит к результату согласно которому скорость шарика уменьшается на удвоенную скорость стены:
По физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:
Изучить все темы и выполнить все тесты и задания приведенные в учебных материалах на этом сайте. Для этого нужно всего ничего, а именно: посвящать подготовке к ЦТ по физике и математике, изучению теории и решению задач по три-четыре часа каждый день. Дело в том, что ЦТ это экзамен где мало просто знать физику или математику, нужно еще уметь быстро и без сбоев решать большое количество задач по разным темам и различной сложности. Последнему научиться можно только решив тысячи задач.
Выучить все формулы и законы в физике, и формулы и методы в математике . На самом деле, выполнить это тоже очень просто, необходимых формул по физике всего около 200 штук, а по математике даже чуть меньше. В каждом из этих предметов есть около десятка стандартных методов решения задач базового уровня сложности, которые тоже вполне можно выучить, и таким образом, совершенно на автомате и без затруднений решить в нужный момент большую часть ЦТ. После этого Вам останется подумать только над самыми сложными задачами.
Посетить все три этапа репетиционного тестирования по физике и математике. Каждый РТ можно посещать по два раза, чтобы прорешать оба варианта. Опять же на ЦТ, кроме умения быстро и качественно решать задачи, и знания формул и методов необходимо также уметь правильно спланировать время, распределить силы, а главное правильно заполнить бланк ответов, не перепутав ни номера ответов и задач, ни собственную фамилию. Также в ходе РТ важно привыкнуть к стилю постановки вопросов в задачах, который на ЦТ может показаться неподготовленному человеку очень непривычным.
Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того на что Вы способны.
Нашли ошибку?
Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на почту. Написать об ошибке можно также в социальной сети (). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.
Загрузка...