§ 75. Коефіцієнт корисної дії
Поміркуйте
Пригадайте
Корисна та повна робота
Для того, щоб виконувати роботу було легше, використовують прості механізми. Вони дають або виграш у силі, або змінюють напрямок дії сили на зручний.
Під час підйому важких тіл за допомогою простих механізмів людина виконує певну роботу. Ця робота отримала назву повна робота. Під час виконання роботи над тілом його енергія зростає: у вантажа, що піднімають над землею, зростає потенціальна енергія. Збільшення енергії переміщеного тіла отримала назву корисна робота.
Завдання 1
«Золоте правило» механіки
Яким є співвідношення між повною та корисною роботою? Корисна робота не може бути більшою за повну — це «забороняє» закон збереження та перетворення енергії.
«Золоте правило» механіки: жодний простий механізм не дає виграшу в роботі. У скільки разів ми виграємо в силі, у стільки ж разів ми програємо у відстані.
Завдання 2
Програш у роботі
На практиці корисна робота завжди менша за повну: програшу в роботі позбутися неможливо. І причина цього — той самий закон збереження та перетворення енергії. Чому?
По-перше, під час використання простого механізму неможливо повністю усунути тертя ковзання або кочення. А внаслідок такого тертя, як ми вже знаємо, механічна енергія завжди зменшується, перетворюючись на тепло.
По-друге, самі механізми або їхні частини мають певну масу, тому під час їх піднімання доводиться виконувати «додаткову» роботу, яка стає ще однією з причин «програшу в роботі». Коли ми піднімаємо вантаж за допомогою, наприклад, блока, то ми також піднімаємо тару, у якій цей вантаж міститься.
Завдання 3
Коефіцієнт корисної дії
Кожний простий механізм має особливу характеристику його ефективності — коефіцієнт корисної дії (скорочено ККД).
Коефіцієнт корисної дії визначають як відношення корисної роботи до повної:
[latex]ККД=\frac{корисна\enspace робота}{повна\enspace робота}[/latex]
Розгляньмо на прикладі, як обчислити ККД простого механізму.
Припустімо, що під час підйому за допомогою важеля важкого ящика чверть виконаної вантажником повної роботи було втрачено. Яким є ККД цього важеля?
Оскільки втрачено чверть повної роботи, то три чверті її перетворюються на корисну роботу. Тому ККД важеля дорівнює три чверті:
ККД = [latex]\frac{3}{4}[/latex]
Завдання 4
Дізнайтеся більше
Людство здавна хотіло створити машину, яка після запуску працювала б постійно й не вимагала додаткової енергії. У науці ця машина отримала назву вічний двигун, що латиною звучить perpetuum mobile («перпетум мобіле»).
За всю історію науки було запропоновано сотні конструкцій вічного двигуна. Але, незважаючи на всі зусилля, нічого не вийшло: жодний вічний двигун так і не запрацював. У чому проблема?
Усе пояснюється законом збереження та перетворення енергії. Не може працювати машина, беручи енергію нізвідки. Тому створити вічний двигун неможливо.
Підсумуємо
Завдання 5
Завдання 6
Ключова ідея
Під час використання простих механізмів неможливо отримати виграш у роботі — це «золоте правило» механіки.
У реальних механізмах корисна робота менша за повну.
Ефективність простих механізмів характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД).
Запитання для повторення й засвоєння
1. Що таке повна робота?
2. Що таке корисна робота?
3. Сформулюйте «золоте правило» механіки.
4. Чому в реальних механізмах корисна робота завжди менша за повну?
5. Як називається характеристика ефективності простого механізму?
6. Як можна отримати числове значення цієї величини?
7. У Львівській області є руїни середньовічного кам’яного міста-фортеці Тустань. Поміркуйте, які прості механізми могли використовувати його будівники та мешканці для полегшення своєї праці