وكل جسم يتحرك يمكن وصفه بأنه عمل. وبعبارة أخرى، فهو يميز عمل القوى.

يتم تعريف العمل على النحو التالي:
حاصل ضرب معامل القوة والمسار الذي يقطعه الجسم، مضروبًا في جيب تمام الزاوية المحصورة بين اتجاه القوة والحركة.

يتم قياس العمل بالجول:
1 [ي] = = [كجم* م2/ث2]

على سبيل المثال، قطع الجسم A مسافة 10 m تحت تأثير قوة مقدارها 5 N، حدد الشغل الذي بذله الجسم.

بما أن اتجاه الحركة وعمل القوة متساويان، فإن الزاوية بين متجه القوة ومتجه الإزاحة ستكون 0 درجة. تم تبسيط الصيغة لأن جيب تمام الزاوية عند 0 درجة هو 1.

بالتعويض عن المعلمات الأولية في الصيغة نجد:
أ= 15 ي.

خذ بعين الاعتبار مثال آخر، جسم كتلته 2 كجم، يتحرك بتسارع 6 م / ث 2، قطع مسافة 10 م، أوجد الشغل الذي يبذله الجسم إذا تحرك لأعلى على طول مستوى مائل بزاوية 60 درجة.

في البداية، نحسب القوة التي يجب تطبيقها لإعلام الجسم بتسارع قدره 6 م/ث2.

F = 2 كجم * 6 م/ث2 = 12 ارتفاع.
تحت تأثير قوة مقدارها 12H، تحرك الجسم مسافة 10 أمتار، ويمكن حساب الشغل باستخدام الصيغة المعروفة بالفعل:

حيث تساوي 30 درجة. باستبدال البيانات الأولية في الصيغة نحصل على:
أ= 103.2 ي.

قوة

تؤدي العديد من الآلات الآلية نفس العمل لفترة زمنية مختلفة. ولمقارنتها، تم تقديم مفهوم القوة.
القوة هي القيمة التي توضح مقدار العمل المنجز لكل وحدة زمنية.

وتقاس القوة بالواط، نسبة إلى المهندس الاسكتلندي جيمس وات.
1 [واط] = 1 [جول/ثانية].

على سبيل المثال، رفعت رافعة كبيرة حمولة تزن 10 أطنان إلى ارتفاع 30 مترًا في دقيقة واحدة. رفعت رافعة صغيرة طنين من الطوب إلى نفس الارتفاع في دقيقة واحدة. قارن قدرات الرافعة.
تحديد العمل الذي تقوم به الرافعات. يرتفع الحمل بمقدار 30 مترًا، مع التغلب على قوة الجاذبية، وبالتالي فإن القوة المبذولة في رفع الحمل ستكون مساوية لقوة التفاعل بين الأرض والحمل (F = m * g). والشغل هو حاصل ضرب القوى والمسافة التي تقطعها السلعة، أي الارتفاع.

للرافعة الكبيرة A1 = 10.000 كجم * 30 م * 10 م / ث2 = 3.000.000 ج، وللرافعة الصغيرة A2 = 2.000 كجم * 30 م * 10 م / ث2 = 600.000 ج.
يمكن حساب القدرة بتقسيم الشغل على الزمن. قامت كلا الرافعتين برفع الحمولة خلال دقيقة واحدة (60 ثانية).

من هنا:
N1 = 3,000,000 جول/60 ثانية = 50,000 واط = 50 كيلوواط.
N2 = 600000 جول / 60 ثانية = 10000 وات = 10 كيلووات.
من البيانات المذكورة أعلاه، يتبين بوضوح أن الرافعة الأولى أقوى بخمس مرات من الثانية.

يواجه الإنسان المعاصر الكهرباء باستمرار في الحياة اليومية وفي العمل، ويستخدم الأجهزة التي تستهلك التيار الكهربائي والأجهزة التي تولدها. عند العمل معهم، من الضروري دائمًا مراعاة قدراتهم المضمنة في المواصفات الفنية.

أحد المؤشرات الرئيسية لأي جهاز كهربائي هو الكمية المادية مثل الطاقة الكهربائية . ومن المعتاد أن نسميها شدة أو سرعة توليد أو نقل أو تحويل الكهرباء إلى أنواع أخرى من الطاقة، على سبيل المثال، الحرارية والخفيفة والميكانيكية.

يتم نقل أو نقل القوى الكهربائية الكبيرة للأغراض الصناعية.

يتم التحويل في محطات المحولات الفرعية.

يحدث استهلاك الكهرباء في الأجهزة المنزلية والصناعية لأغراض مختلفة. أحد أنواعها الشائعة هي.

الطاقة الكهربائية للمولدات وخطوط الكهرباء والمستهلكين في العاصمة و التيار المتناوبله نفس المعنى المادي، والذي يتم التعبير عنه في نفس الوقت بنسب مختلفة حسب شكل الإشارات المركبة. من أجل تحديد الأنماط العامة المقدمة مفاهيم القيم اللحظية. ويؤكدون مرة أخرى على اعتماد معدل تحويل الكهرباء في الوقت المحدد.

تحديد الطاقة الكهربائية لحظية

في الهندسة الكهربائية النظرية، لاشتقاق العلاقات الأساسية بين التيار والجهد والقدرة، يتم استخدام تمثيلاتها على شكل قيم لحظية يتم تثبيتها في لحظة زمنية معينة.

إذا تحركت شحنة أولية لوحدة ما، خلال فترة زمنية قصيرة جدًا، من النقطة "1" إلى النقطة "2" تحت تأثير الجهد U، فإنها تعمل بشكل مساوٍ لفرق الجهد بين هذه النقاط. بتقسيمها على الفاصل الزمني ∆t، نحصل على التعبير عن القدرة اللحظية لوحدة الشحنة Pe(1-2).

نظرًا لأنه تحت تأثير الجهد المطبق، لا تتحرك شحنة واحدة فحسب، بل جميع الشحنات المجاورة التي تقع تحت تأثير هذه القوة، والتي يتم تمثيل عددها بسهولة بالرقم Q، ثم بالنسبة لهم قيمة الطاقة اللحظية PQ ( 1-2) يمكن كتابتها.

بعد إجراء تحويلات بسيطة، نحصل على تعبير عن القدرة P واعتماد قيمتها اللحظية p(t) على مكونات منتج التيار اللحظي i(t) والجهد u(t).

تحديد الطاقة الكهربائية DC

لا يتغير حجم انخفاض الجهد في قسم الدائرة والتيار المتدفق من خلاله ويظل ثابتًا مساويًا للقيم اللحظية. لذلك يمكنك تحديد القدرة في هذه الدائرة عن طريق ضرب هذه القيم أو قسمة العمل التام أ على المدة الزمنية لتنفيذه كما هو موضح في الصورة التوضيحية.

تحديد الطاقة الكهربائية للتيار المتردد

تفرض قوانين التغيير الجيبي للتيارات والفولتية المنقولة عبر الشبكات الكهربائية تأثيرها على التعبير عن الطاقة في مثل هذه الدوائر. هنا تعمل القوة الكاملة، والتي يوصفها مثلث القوة وتتكون من مكونات نشطة ومتفاعلة.

التيار الكهربائي الجيبي عند مروره عبر خطوط الكهرباء ذات الأحمال المختلطة في جميع أقسامها لا يغير شكل توافقه. وينزاح انخفاض الجهد على الأحمال التفاعلية في الطور في اتجاه معين. تساعد تعبيرات القيم اللحظية على فهم تأثير الأحمال المطبقة على تغير الطاقة في الدائرة واتجاهها.

في الوقت نفسه، انتبه على الفور إلى حقيقة أن اتجاه تدفق التيار من المولد إلى المستهلك والطاقة المنقولة عبر الدائرة التي تم إنشاؤها هما شيئان مختلفان تمامًا، وقد لا يتطابقان في بعض الحالات فحسب، بل يتم توجيههما أيضًا في اتجاهين متعاكسين.

النظر في هذه العلاقات في مظهرها المثالي النقي أنواع مختلفةالأحمال:

نشيط؛

بالسعة.

استقرائية.

تبديد الطاقة على حمل مقاوم

نحن نفترض أن المولد يولد موجة جيبية مثالية للجهد u، والتي يتم تطبيقها على المقاومة النشطة البحتة للدائرة. مقياس التيار الكهربائي A والفولتميتر V يقيسان التيار I والجهد U في كل مرة t.

يوضح الرسم البياني أن الجيوب الأنفية للتيار وانخفاض الجهد عبر المقاومة النشطة تتطابق في التردد والطور، مما يؤدي إلى نفس التذبذبات. تتقلب القوة التي يعبر عنها منتجهم بتردد مزدوج وتبقى دائمًا إيجابية.

p=u∙i=Um∙sinωt∙Um/R∙sinωt=Um 2 /R∙sin 2 ωt=Um 2 /2R∙(1-cos2ωt).

إذا انتقلنا إلى التعبير، فسنحصل على: p=P∙(1-cos2ωt).

بعد ذلك، ندمج القدرة خلال فترة الاهتزازة الواحدة T ونلاحظ أن زيادة الطاقة ∆W خلال هذه الفترة تزداد. مع مرور الوقت، تستمر المقاومة النشطة في استهلاك أجزاء جديدة من الكهرباء، كما هو موضح في الرسم البياني.

في الأحمال التفاعلية، تختلف خصائص استهلاك الطاقة، ولها شكل مختلف.

تبديد الطاقة على الحمل بالسعة

في دائرة إمداد الطاقة للمولد، نستبدل عنصر المقاومة بمكثف بسعة C.

يتم التعبير عن العلاقة بين انخفاض التيار والجهد عبر السعة بالعلاقة: I=C∙dU/dt=ω∙C ∙Um∙cosωt.

نضرب قيم التعبيرات اللحظية للتيار بالجهد ونحصل على قيمة الطاقة التي يستهلكها الحمل السعوي.

p=u∙i=Um∙sinωt∙ωC ∙Um∙cosωt=ω∙C ∙Um 2 ∙sinωt∙cosωt=Um 2 /(2X c)∙sin2ωt=U 2 /(2X c)∙sin2ωt.

هنا يمكنك أن ترى أن الطاقة تتأرجح حول الصفر مع ضعف تردد الجهد المطبق. وقيمتها الإجمالية للدورة التوافقية، وكذلك زيادة الطاقة، تساوي صفرًا.

وهذا يعني أن الطاقة تتحرك على طول الدائرة المغلقة للدائرة في كلا الاتجاهين، لكنها لا تبذل أي شغل. يتم تفسير هذه الحقيقة من خلال حقيقة أنه مع زيادة جهد المصدر على طول قيمه مطلقهتكون الطاقة موجبة، ويتم توجيه تدفق الطاقة عبر الدائرة إلى الخزان، حيث يتم تخزين الطاقة.

بعد مرور الجهد إلى القسم الهابط من التوافقي، تبدأ الطاقة بالعودة من السعة إلى الدائرة إلى المصدر. في كلتا العمليتين، لم يتم إنجاز أي عمل مفيد.

تبديد الطاقة على الحمل الاستقرائي

الآن، في دائرة الطاقة، نستبدل المكثف بالمحاثة L.

هنا، يتم التعبير عن التيار من خلال الحث بالعلاقة:

I=1/L∫udt=-أم/ωL∙cos ωt.

ثم نحصل

p=u∙i=Um∙sinωt∙ωC ∙(-أم/ωL∙cosωt)=-أم 2 /ωL∙sinωt∙cosωt=-أم 2 /(2X L)∙sin2ωt=-U 2 /(2X L) sin2ωt.

تسمح لنا التعبيرات الناتجة برؤية طبيعة التغير في اتجاه القوة وزيادة الطاقة على الحث، الذي يؤدي نفس التذبذبات غير المفيدة للقيام بالشغل، كما هو الحال في السعة.

تسمى الطاقة المتحررة من الأحمال التفاعلية بالمكون التفاعلي. في ظل الظروف المثالية، عندما لا تتمتع أسلاك التوصيل بمقاومة نشطة، فإنها تبدو غير ضارة ولا تسبب أي ضرر. ولكن في ظروف إمداد الطاقة الحقيقية، تؤدي الممرات والتقلبات الدورية للطاقة التفاعلية إلى تسخين جميع العناصر النشطة، بما في ذلك توصيل الأسلاك، والتي يتم من خلالها إنفاق طاقة معينة وانخفاض حجم الطاقة الإجمالية المطبقة للمصدر.

والفرق الرئيسي بين المكون التفاعلي للطاقة هو أنه لا يفعل ذلك عمل مفيدولكنه يؤدي إلى فقدان الطاقة الكهربائية والأحمال الزائدة على المعدات، وهو أمر خطير بشكل خاص في المواقف الحرجة.

لهذه الأسباب، يتم استخدام أدوات خاصة للقضاء على تأثير القوة التفاعلية.

توزيع الطاقة لحمل مختلط

على سبيل المثال، نستخدم الحمل على مولد ذو خاصية سعوية نشطة.

في الرسم البياني أعلاه، لتبسيط الصورة، لا تظهر الجيوب الأنفية للتيارات والفولتية، ولكن تجدر الإشارة إلى أنه مع طبيعة الحمل ذات السعة النشطة، فإن المتجه الحالي يقود الجهد.

p=u∙i=Um∙sinωt∙ωC ∙Im∙sin(ωt+φ).

بعد التحويلات نحصل على: p=P∙(1- cos 2ωt)+Q ∙sin2ωt.

وهذان الحدان في العبارة الأخيرة هما العنصران الفاعل والمتفاعل للقوة الظاهرة اللحظية. فقط الأول منهم يقوم بعمل مفيد.

أدوات قياس القدرة

لتحليل استهلاك الكهرباء ودفع ثمنها، يتم استخدام أجهزة القياس، والتي كانت تسمى منذ فترة طويلة. يعتمد عملهم على قياس القيم الفعالة للتيار والجهد وضربها تلقائيًا مع مخرجات المعلومات.

تعرض العدادات استهلاك الطاقة مع مراعاة زمن تشغيل الأجهزة الكهربائية بشكل تزايدي من لحظة تشغيل العداد تحت الحمل.

لقياس المكون النشط للطاقة في دوائر التيار المتردد، يتم استخدام المقاييس، ويتم استخدام المكون التفاعلي. لديهم تسميات وحدة مختلفة:

واط (ث، ث)؛

فار (فار، فار، فار).

لتحديد إجمالي استهلاك الطاقة، من الضروري حساب قيمته باستخدام صيغة مثلث الطاقة بناءً على قراءات مقياس الواط ومقياس الفارميتر. يتم التعبير عنها بوحداتها - فولت أمبير.

تساعد التعيينات المقبولة لكل وحدة كهربائيين على الحكم ليس فقط على حجمها، ولكن أيضًا على طبيعة مكون الطاقة.

إضافة الموقع إلى الإشارات المرجعية

مفهوم القوة التيار الكهربائي

قوة التيار الكهربائي

قبل الحديث عن الطاقة الكهربائية لا بد من تعريف مفهوم القوة بالمعنى العام. عادة، عندما يتحدث الناس عن القوة، فإنهم يقصدون نوعًا من القوة التي يمتلكها هذا الكائن أو ذاك (محرك كهربائي قوي)، أو الفعل (انفجار قوي).

ولكن، كما نعلم من الفيزياء المدرسية، فإن القوة والقوة مفهومان مختلفان، على الرغم من وجود اعتماد بينهما.

في البداية، القوة (N) هي خاصية مرتبطة بحدث (فعل) معين، وإذا كانت مرتبطة بموضوع معين، فإن مفهوم القوة يرتبط أيضًا تقليديًا بها. أي عمل جسدي يعني تأثير القوة. القوة (F) التي تم بها قطع مسار معين (S) ستساوي الشغل المنجز (A). والشغل المنجز في وقت معين (t) سيكون معادلاً للقوة.

القوة هي كمية فيزيائية تساوي نسبة الشغل المبذول في فترة زمنية معينة إلى نفس الفترة الزمنية. وبما أن الشغل هو مقياس لتغير الطاقة، فيمكننا أيضًا أن نقول ما يلي: الطاقة هي معدل تحويل الطاقة في النظام.

بعد أن تناولنا مفهوم القوة الميكانيكية، يمكننا أن ننتقل إلى النظر في الطاقة الكهربائية (قوة التيار الكهربائي). كما تعلم، U هو الشغل المبذول عن طريق تحريك 1 C، والتيار I هو عدد الكولومات التي تمر خلال ثانية واحدة. لذلك، فإن حاصل ضرب التيار والجهد يوضح إجمالي الشغل المنجز في ثانية واحدة، أي الطاقة الكهربائية، أو قوة التيار الكهربائي.

من خلال تحليل الصيغة المذكورة أعلاه، يمكننا استخلاص نتيجة بسيطة للغاية: نظرًا لأن الطاقة الكهربائية P تعتمد بشكل متساوٍ على التيار I وعلى الجهد U، وبالتالي، يمكن الحصول على نفس الطاقة الكهربائية إما عند التيار العالي أو الجهد المنخفض، أو العكس، عند الجهد العالي والتيار المنخفض (يستخدم هذا عند نقل الكهرباء لمسافات طويلة من محطات توليد الطاقة إلى أماكن الاستهلاك عن طريق تحويل المحولات في المحطات الكهربائية الفرعية المتدرجة والمنخفضة).

الطاقة الكهربائية النشطة (هذه هي الطاقة التي يتم تحويلها بشكل لا رجعة فيه إلى أنواع أخرى من الطاقة - الحرارية والخفيفة والميكانيكية وما إلى ذلك) لها وحدة قياس خاصة بها - W (واط). إنه يساوي منتج 1 فولت لكل 1 أ. في الحياة اليومية وفي الإنتاج، يكون قياس الطاقة بالكيلووات (كيلووات، 1 كيلووات = 1000 واط) أكثر ملاءمة. تستخدم محطات الطاقة بالفعل وحدات أكبر - ميجاوات (ميجاوات، 1 ميجاوات = 1000 كيلووات = 1000000 وات).

الطاقة الكهربائية التفاعلية هي القيمة التي تميز نوع الحمل الكهربائي الذي يتم إنشاؤه في الأجهزة (المعدات الكهربائية) عن طريق تقلبات الطاقة (الحثية والسعوية) حقل كهرومغناطيسي. بالنسبة للتيار المتردد التقليدي، فهو يساوي منتج تيار التشغيل I وانخفاض الجهد U مضروبًا في جيب زاوية الطور بينهما: Q = U × I × sin (الزاوية). القدرة التفاعلية لها وحدة قياس خاصة بها تسمى VAr (فولت أمبير رد الفعل). يُشار إليه بالحرف Q.

يمكن التعبير عن الطاقة الكهربائية النشطة والمتفاعلة كمثال: يتم إعطاء جهاز كهربائي يحتوي على عناصر تسخين ومحرك كهربائي. عادة ما تكون السخانات مصنوعة من مواد عالية المقاومة. عندما يمر تيار كهربائي عبر عنصر التسخين، تتحول الطاقة الكهربائية بالكامل إلى حرارة. مثل هذا المثال نموذجي للطاقة الكهربائية النشطة.

يحتوي المحرك الكهربائي لهذا الجهاز على ملف نحاسي بالداخل. إنه محاثة. وكما نعلم فإن الحث له تأثير الحث الذاتي، وهذا يساهم في عودة الكهرباء جزئيًا إلى الشبكة. هذه الطاقة لها بعض الإزاحة في قيم التيار والجهد، مما يسبب التأثير السلبيإلى التيار الكهربائي (بالإضافة إلى التحميل الزائد عليه).

السعة (المكثفات) لها قدرات مماثلة. إنه قادر على تجميع الشحنة وإعادتها. الفرق بين السعة والحث هو الإزاحة المعاكسة لقيم التيار والجهد بالنسبة لبعضها البعض. إن طاقة السعة والمحاثة هذه (المتحولة في الطور بالنسبة لقيمة شبكة الإمداد) ستكون في الواقع طاقة كهربائية تفاعلية.

كل جهاز حديث لديه طاقة كهربائية. تتم الإشارة إلى قيمته العددية من قبل الشركة المصنعة على جسم مجفف الشعر أو غلاية كهربائيةعلى غطاء محضرة الطعام.

الوحدات

يتيح لك حساب الطاقة الكهربائية تحديد تكلفة الطاقة الكهربائية التي تستهلكها الأجهزة المختلفة لفترة زمنية معينة. تؤدي الواط والكيلووات الزائدة إلى فشل الأسلاك وتشوه جهات الاتصال.

العلاقة بين التيار الكهربائي والطاقة التي تستهلكها الأجهزة

الطاقة الكهربائية هي العمل الذي يتم إنجازه خلال فترة زمنية. عند توصيله بمنفذ طاقة، يعمل الجهاز، ويقاس بالواط (W). يتم الإشارة إلى كمية الطاقة التي سيستهلكها الجهاز لفترة زمنية معينة على العلبة، أي يتم إعطاء الطاقة الكهربائية المستهلكة.

استهلاك الطاقة

يتم إنفاقه على حقيقة أن حركة الإلكترونات في الموصل تحدث. وفي حالة وجود إلكترون واحد له وحدة شحنة، فإنه يمكن مقارنته بقيمة جهد الشبكة. سيتم تحديد إجمالي الطاقة اللازمة لتحريك جميع الإلكترونات على أنها حاصل ضرب الجهد وعدد الإلكترونات الموجودة في الدائرة عند تشغيل الجهاز الكهربائي. فيما يلي صيغة الطاقة الكهربائية:

باعتبار أن عدد الإلكترونات المتدفقة عبر المقطع العرضي للموصل خلال فترة زمنية هو تيار كهربائي، فيمكننا تمثيله بتعبير للقيمة المطلوبة. سوف تبدو صيغة الطاقة الكهربائية كما يلي:

في الواقع، من الضروري حساب ليس الطاقة نفسها، ولكن حجم التيار، مع معرفة جهد التيار الكهربائي والطاقة المقدرة. من خلال تحديد التيار الذي يستهلكه جهاز معين، يمكنك ربط تصنيف المنفذ وقاطع الدائرة الكهربائية.

أمثلة الحساب

بالنسبة للغلاية التي تبلغ قدرتها الكهربائية 2 كيلووات، يتم تحديد الاستهلاك الحالي بالصيغة:

أنا=P/U=(2*1000)/220=9A

لتوصيل مثل هذا الجهاز بشبكة كهربائية تقليدية، من الواضح أن الموصل المصمم لـ 6 أمبير غير مناسب.

العلاقات المذكورة أعلاه بين الطاقة والتيار الكهربائي تكون ذات صلة فقط إذا كانت قيم الجهد والتيار متطابقة تمامًا في الطور. لجميع الأسر تقريبا الأجهزة الكهربائيةصيغة الطاقة الكهربائية صحيحة.

الاستثناءات

في حالة وجود سعة أو محاثة كبيرة في الدائرة، فإن الصيغ المستخدمة ستكون غير موثوقة، ولا يمكن استخدامها في الحسابات الرياضية. على سبيل المثال، يمكن تحديد الطاقة الكهربائية لمحرك التيار المتردد على النحو التالي:

cosφ هو عامل القدرة، والذي يتراوح بين 0.6-0.8 وحدة للمحركات الكهربائية.

عند تحديد معلمات الجهاز في شبكة ثلاثية الطور بجهد 380 فولت، من الضروري جمع الطاقة من القيم الفردية لكل مرحلة.

مثال للحساب

على سبيل المثال، في حالة غلاية ثلاثية الطور، مصممة بقوة 3 كيلوواط، يتم استهلاك 1 كيلوواط في كل مرحلة. احسب حجم تيار الطور بالصيغة:

أنا \u003d P / U_f \u003d (1 * 1000) / 220 \u003d 4.5A.

ل الإنسان المعاصرتتميز بالاستخدام المستمر للكهرباء في الإنتاج والمنزل. فهو يستخدم الأجهزة التي تستهلك التيار الكهربائي، ويستخدم الأجهزة التي تنتجه. عند العمل مع مثل هذه المصادر، من المهم أن تأخذ في الاعتبار أقصى الإمكانيات المفترضة في المواصفات الفنية.

تعد الكمية الفيزيائية مثل الطاقة الكهربائية أحد المؤشرات الرئيسية لأي جهاز يعمل عندما يتدفق من خلاله تدفق الإلكترون. لنقل أو نقل الطاقة الكهربائية في صوت عاليمطلوب في ظروف الإنتاج، تطبيق خطوط الجهد العاليعمليات النقل الكهربائية.

يتم تحويل الطاقة في محطات المحولات الفرعية القوية. يعتبر التحويل ثلاثي المراحل نموذجيًا للصناعة و الأجهزة المنزلية مجال مختلفالتطبيقات. على سبيل المثال، بفضل هذا التحويل، تعمل المصابيح المتوهجة ذات التصنيفات المختلفة.

في الهندسة الكهربائية النظرية، هناك شيء اسمه الطاقة الكهربائية اللحظية. ترتبط هذه القيمة بالتدفق عبر سطح معين لفترة زمنية صغيرة لشحنة أولية واحدة. هناك عمولة عمل بهذه الشحنة، والتي ترتبط بمفهوم القوة اللحظية.

من خلال إجراء حسابات رياضية بسيطة، يمكنك تحديد مقدار الطاقة. بمعرفة هذه القيمة، يمكنك تحديد الجهد للتشغيل الكامل لمجموعة متنوعة من الأجهزة المنزلية والصناعية. في هذه الحالة، يمكنك تجنب المخاطر المرتبطة باحتراق الأجهزة الكهربائية باهظة الثمن، وكذلك الحاجة إلى تغيير الأسلاك الكهربائية بشكل دوري في الشقة أو المكتب.

عمل ميكانيكي. وحدات العمل.

في الحياة اليوميةبكلمة "العمل" نعني كل شيء.

في الفيزياء هذا المفهوم وظيفةيختلف إلى حد ما. هذه كمية فيزيائية معينة، مما يعني أنه يمكن قياسها. في الفيزياء، الدراسة هي في المقام الأول عمل ميكانيكي .

النظر في أمثلة العمل الميكانيكي.

يتحرك القطار تحت تأثير قوة الجر للقاطرة الكهربائية أثناء القيام بالأعمال الميكانيكية. عندما يتم إطلاق النار من مسدس، تعمل قوة ضغط غازات المسحوق - فهي تحرك الرصاصة على طول البرميل، بينما تزداد سرعة الرصاصة.

ومن هذه الأمثلة يتبين أن الشغل الميكانيكي يتم عندما يتحرك الجسم تحت تأثير قوة. يتم تنفيذ العمل الميكانيكي أيضًا عندما تقلل القوة المؤثرة على الجسم (على سبيل المثال، قوة الاحتكاك) من سرعة حركته.

الرغبة في تحريك الخزانة نضغط عليها بقوة، لكن إذا لم تتحرك في نفس الوقت، فإننا لا نقوم بعمل ميكانيكي. يمكن للمرء أن يتخيل الحالة عندما يتحرك الجسم دون مشاركة القوى (عن طريق القصور الذاتي)، وفي هذه الحالة، لا يتم أيضًا تنفيذ العمل الميكانيكي.

لذا، يتم العمل الميكانيكي فقط عندما تؤثر قوة على الجسم ويتحرك .

من السهل أن نفهم أنه كلما زادت القوة المؤثرة على الجسم، وكلما زاد طول المسار الذي يمر به الجسم تحت تأثير هذه القوة، زاد العمل المنجز.

يتناسب العمل الميكانيكي بشكل مباشر مع القوة المطبقة ويتناسب بشكل مباشر مع المسافة المقطوعة. .

ولذلك اتفقنا على قياس الشغل الميكانيكي بحاصل ضرب القوة والمسار المتحرك في هذا الاتجاه لهذه القوة:

الشغل = القوة × المسار

أين أ- وظيفة، F- قوة و س- المسافة المقطوعة.

وحدة الشغل هي الشغل الذي تبذله قوة مقدارها 1 N في مسار طوله 1 m.

وحدة العمل - جول (ج ) سمي على اسم العالم الإنجليزي جول. هكذا،

1 ي = 1 ن م.

تستخدم أيضا كيلوجول (كيلوجول) .

1 كيلوجول = 1000 جول.

معادلة أ = خينطبق عندما السلطة Fثابت ويتوافق مع اتجاه حركة الجسم .

إذا كان اتجاه القوة يتطابق مع اتجاه حركة الجسم نظرا للقوةيقوم بعمل إيجابي.

إذا حدثت حركة الجسم في الاتجاه المعاكس لاتجاه القوة المؤثرة، على سبيل المثال، قوة الاحتكاك المنزلق، فإن هذه القوة تقوم بعمل سلبي.

إذا كان اتجاه القوة المؤثرة على الجسم متعامدًا مع اتجاه حركته، فإن هذه القوة لا تبذل شغلًا، ويكون الشغل صفرًا:

في المستقبل، عند الحديث عن العمل الميكانيكي، سوف نسميها بإيجاز في كلمة واحدة - العمل.

مثال. احسب الشغل المنجز عند رفع لوح جرانيت حجمه 0.5 م3 إلى ارتفاع 20 م كثافة الجرانيت 2500 كجم / م 3.

منح:

ρ \u003d 2500 كجم / م 3

حل:

حيث F هي القوة التي يجب تطبيقها لرفع اللوحة لأعلى بالتساوي. هذه القوة تساوي في معاملها قوة الخيط Fstrand المؤثر على اللوحة، أي F = Fstrand. ويمكن تحديد قوة الجاذبية من خلال كتلة اللوحة: فتيازة = جم. نحسب كتلة اللوح بمعرفة حجمه وكثافته من الجرانيت: m = ρV; s = h، أي أن المسار يساوي ارتفاع الصعود.

إذن م = 2500 كجم/م3 0.5 م3 = 1250 كجم.

F = 9.8 ن / كجم 1250 كجم ≈ 12250 ن.

أ = 12,250 ن 20 م = 245,000 جول = 245 كيلو جول.

إجابة: أ = 245 كيلوجول.

العتلات.القوة.الطاقة

يستغرق الأمر محركات مختلفة للقيام بنفس العمل. وقت مختلف. على سبيل المثال، تقوم رافعة في موقع بناء برفع مئات من الطوب إلى الطابق العلوي من المبنى في بضع دقائق. إذا قام العامل بنقل هذا الطوب، فسوف يستغرق الأمر عدة ساعات للقيام بذلك. مثال آخر. يمكن للحصان أن يحرث هكتارًا من الأرض خلال 10-12 ساعة، بينما يستطيع الجرار ذو المحراث المتعدد ( المحراث- جزء من المحراث الذي يقطع طبقة الأرض من الأسفل وينقلها إلى المزبلة؛ مشاركة متعددة - الكثير من المشاركات)، سيتم تنفيذ هذا العمل لمدة 40-50 دقيقة.

ومن الواضح أن الرافعة تؤدي نفس العمل بشكل أسرع من العامل، والجرار أسرع من الحصان. تتميز سرعة العمل بقيمة خاصة تسمى القوة.

القوة تساوي نسبة العمل إلى الوقت الذي تم فيه إنجازه.

لحساب القدرة، من الضروري تقسيم العمل على الوقت الذي يتم فيه هذا العمل.الطاقة = الشغل / الزمن .

أين ن- قوة، أ- وظيفة، ر- وقت إنجاز العمل.

القوة هي قيمة ثابتة، عندما يتم بذل نفس العمل لكل ثانية، وفي حالات أخرى تكون النسبة فيتحديد متوسط ​​الطاقة:

نراجع = في . تم اعتبار وحدة القدرة هي القدرة التي يتم بها العمل في J خلال ثانية واحدة.

تسمى هذه الوحدة بالواط ( الثلاثاء) تكريما لعالم إنجليزي آخر وات.

1 واط = 1 جول / 1 ثانية، أو 1 واط = 1 جول/ثانية.

واط (جول في الثانية) - واط (1 جول / ثانية).

تُستخدم وحدات الطاقة الأكبر على نطاق واسع في الهندسة - كيلووات (كيلوواط), ميجاوات (ميغاواط) .

1 ميغاواط = 1,000,000 واط

1 كيلوواط = 1000 واط

1 ميغاواط = 0.001 واط

1 واط = 0.000001 ميجاوات

1 واط = 0.001 كيلو واط

1 واط = 1000 ميجاوات

مثال. أوجد قوة جريان المياه المتدفقة خلال السد، إذا كان ارتفاع سقوط الماء 25 م، ومعدل جريانه 120 م3 في الدقيقة.

منح:

ρ = 1000 كجم/م3

حل:

كتلة الماء المتساقط: م = ρV,

م = 1000 كجم/م3 120 م3 = 120.000 كجم (12104 كجم).

قوة الجاذبية المؤثرة على الماء:

F = 9.8 م/ث2 120.000 كجم ≈ 1.200.000 ن (12105 ن)

العمل المنجز في الدقيقة:

أ - 1,200,000 ن 25 م = 30,000,000 ي (3107 ي).

قوة التدفق: N = A/t،

ن = 30.000.000 جول / 60 ثانية = 500.000 وات = 0.5 ميجاوات.

إجابة: ن = 0.5 ميجاوات.

تتمتع المحركات المختلفة بقدرات تتراوح بين أجزاء من مائة وأعشار كيلووات (محرك حلاقة كهربائي، ماكينة الخياطة) تصل إلى مئات الآلاف من الكيلووات (التوربينات المائية والبخارية).

الجدول 5

قوة بعض المحركات كيلوواط.

يحتوي كل محرك على لوحة (جواز سفر المحرك) تحتوي على بعض البيانات عن المحرك بما في ذلك قوته.

تبلغ الطاقة البشرية في ظل ظروف العمل العادية 70-80 واط في المتوسط. عند القفز، وصعود الدرج، يمكن لأي شخص تطوير طاقة تصل إلى 730 واط، وفي بعض الحالات أكثر.

من الصيغة N = A/t يتبع ذلك

لحساب العمل، تحتاج إلى مضاعفة القوة في الوقت الذي تم فيه إنجاز هذا العمل.

مثال. محرك مروحة الغرفةلديه قوة 35 واط. ما مقدار العمل الذي ينجزه في 10 دقائق؟

دعنا نكتب حالة المشكلة ونحلها.

منح:

حل:

أ = 35 واط * 600 ثانية = 21000 واط * ثانية = 21000 جول = 21 كيلوجول.

إجابة أ= 21 كيلوجول.

آليات بسيطة.

منذ زمن سحيق، يستخدم الإنسان أجهزة مختلفة لأداء الأعمال الميكانيكية.

يعلم الجميع أن الجسم الثقيل (الحجر، الخزانة، الجهاز)، الذي لا يمكن نقله باليد، يمكن نقله بعصا طويلة إلى حد ما - رافعة.

في الوقت الحالي، يُعتقد أنه بمساعدة الروافع قبل ثلاثة آلاف عام، أثناء بناء الأهرامات في مصر القديمةتحركوا ورفعوا ألواحًا حجرية ثقيلة إلى ارتفاع كبير.

في كثير من الحالات، بدلاً من رفع حمولة ثقيلة إلى ارتفاع معين، يمكن دحرجتها أو سحبها إلى نفس الارتفاع على مستوى مائل أو رفعها باستخدام الكتل.

تسمى الأجهزة المستخدمة لتحويل الطاقة آليات .

تشمل الآليات البسيطة ما يلي: الروافع وأصنافها - كتلة، بوابة؛ الطائرة المائلة وأصنافها - الوتد، المسمار. في معظم الحالات، يتم استخدام آليات بسيطة من أجل الحصول على زيادة في القوة، أي زيادة القوة المؤثرة على الجسم عدة مرات.

توجد آليات بسيطة في المنزل وفي جميع آلات المصانع والمصانع المعقدة التي تقوم بقطع ولف وختم صفائح كبيرة من الفولاذ أو سحب أدق الخيوط التي تُصنع منها الأقمشة بعد ذلك. يمكن العثور على نفس الآليات في الآلات الأوتوماتيكية المعقدة الحديثة وآلات الطباعة والعد.

ذراع الرافعة. توازن القوى على الرافعة.

النظر في الآلية الأبسط والأكثر شيوعا - الرافعة.

الرافعة هي صلب، والتي يمكن أن تدور حول دعم ثابت.

توضح الأشكال كيف يستخدم العامل المخل لرفع الحمولة كرافعة. في الحالة الأولى عامل بقوة Fيضغط على نهاية المخل ب، في الثانية - يرفع النهاية ب.

يحتاج العامل إلى التغلب على وزن الحمولة ص- القوة الموجهة عموديا إلى الأسفل . لهذا، يقوم بتدوير المخل حول محور يمر عبر الوحيد بلا حراكنقطة الانهيار - نقطة ارتكازها عن. قوة Fالتي يعمل بها العامل على الرافعة بقوة أقل ص، فيحصل العامل اكتساب القوة. بمساعدة الرافعة، يمكنك رفع حمولة ثقيلة بحيث لا يمكنك رفعها بنفسك.

يوضح الشكل رافعة محور دورانها هو عن(نقطة الارتكاز) تقع بين نقاط تطبيق القوى أو في. ويوضح الشكل الآخر رسمًا تخطيطيًا لهذه الرافعة. كلتا القوتين F 1 و F 2 ـ تعمل على الرافعة الموجهة في نفس الاتجاه.

أقصر مسافة بين نقطة الارتكاز والخط المستقيم الذي تؤثر من خلاله القوة على الرافعة تسمى ذراع القوة.

للعثور على كتف القوة، من الضروري خفض العمودي من نقطة الارتكاز إلى خط عمل القوة.

طول هذا العمودي سيكون كتف هذه القوة. ويبين الشكل ذلك الزراعة العضوية- قوة الكتف F 1; OV- قوة الكتف F 2. يمكن للقوى المؤثرة على الرافعة أن تدور حول المحور في اتجاهين: في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. نعم القوة F 1 يدور الرافعة في اتجاه عقارب الساعة، والقوة F 2 يدور عكس اتجاه عقارب الساعة.

يمكن تحديد الحالة التي يكون فيها الرافعة في حالة توازن تحت تأثير القوى المطبقة عليها تجريبياً. وفي الوقت نفسه، يجب أن نتذكر أن نتيجة عمل القوة لا تعتمد فقط على قيمتها العددية (المعامل)، ولكن أيضًا على النقطة التي يتم تطبيقها عندها على الجسم، أو كيفية توجيهها.

يتم تعليق أوزان مختلفة من الرافعة (انظر الشكل) على جانبي نقطة الارتكاز بحيث تظل الرافعة متوازنة في كل مرة. القوى المؤثرة على الرافعة تساوي أوزان هذه الأحمال. وفي كل حالة يتم قياس وحدات القوى وأكتافها. من التجربة الموضحة في الشكل 154، يمكن ملاحظة أن القوة 2 حتوازن القوى 4 ح. في هذه الحالة، كما يتبين من الشكل، يكون الكتف ذو القوة الأقل أكبر بمرتين من الكتف ذي القوة الأكبر.

وعلى أساس هذه التجارب، تم تحديد حالة (قاعدة) توازن الرافعة.

تكون الرافعة في حالة توازن عندما تكون القوى المؤثرة عليها متناسبة عكسيًا مع أكتاف هذه القوى.

يمكن كتابة هذه القاعدة كصيغة:

F 1/F 2 = ل 2/ ل 1 ,

أين F 1و F 2 - القوى المؤثرة على الرافعة، ل 1ول 2 - أكتاف هذه القوى (انظر الشكل).

تم وضع قاعدة توازن الرافعة على يد أرخميدس حوالي 287-212. قبل الميلاد ه. (لكن ألم تذكر الفقرة الأخيرة أن الروافع كانت تستخدم من قبل المصريين؟ أم أن كلمة "تأسست" مهمة هنا؟)

ويترتب على هذه القاعدة أنه يمكن موازنة قوة أصغر بنفوذ قوة أكبر. اجعل إحدى ذراعي الرافعة أكبر بثلاث مرات من الأخرى (انظر الشكل). وبعد ذلك، باستخدام قوة مقدارها 400 نيوتن عند النقطة B، من الممكن رفع حجر يزن 1200 نيوتن. ومن أجل رفع حمولة أثقل، من الضروري زيادة طول ذراع الرافعة التي عليها الرافعة. أفعال العامل.

مثال. باستخدام رافعة، يقوم العامل برفع لوح وزنه 240 كجم (انظر الشكل 149). ما القوة التي يؤثر بها على الذراع الأكبر للرافعة، والذي يبلغ طوله 2.4 m، إذا كان الذراع الأصغر طوله 0.6 m؟

دعنا نكتب حالة المشكلة ونحلها.

منح:

حل:

وفقًا لقاعدة توازن الرافعة، F1/F2 = l2/l1، حيث F1 = F2 l2/l1، حيث F2 = P هو وزن الحجر. وزن الحجر asd = جم، F = 9.8 N 240 كجم ≈ 2400 N

إذن F1 = 2400 نيوتن 0.6 / 2.4 = 600 نيوتن.

إجابة: F1 = 600 ن.

في مثالنا، يتغلب العامل على قوة مقدارها 2400 نيوتن من خلال تطبيق قوة مقدارها 600 نيوتن على الرافعة، ولكن في الوقت نفسه، تكون الذراع التي يؤثر عليها العامل أطول بأربع مرات من تلك التي يؤثر عليها وزن الحجر ( ل 1 : ل 2 = 2.4 م: 0.6 م = 4).

ومن خلال تطبيق قاعدة النفوذ، يمكن لقوة أصغر أن توازن قوة أكبر. وفي هذه الحالة يجب أن يكون كتف القوة الأصغر أطول من كتف القوة الأكبر.

لحظة القوة.

أنت تعرف بالفعل قاعدة توازن الرافعة:

F 1 / F 2 = ل 2 / ل 1 ,

وباستخدام خاصية التناسب (حاصل ضرب حدوده القصوى يساوي حاصل ضرب حدوده الوسطى) نكتبها بهذه الصورة:

F 1ل 1 = F 2 ل 2 .

على الجانب الأيسر من المعادلة يوجد حاصل ضرب القوة F 1 على كتفها ل 1، وعلى اليمين - منتج القوة F 2 على كتفها ل 2 .

يسمى حاصل ضرب معامل القوة التي تدور الجسم وذراعه لحظة القوة; ويشار إليه بالحرف M. لذلك،

تكون الرافعة في حالة توازن تحت تأثير قوتين إذا كان عزم القوة التي تدور في اتجاه عقارب الساعة يساوي لحظةالقوة التي تدور في عكس اتجاه عقارب الساعة.

تسمى هذه القاعدة قاعدة اللحظة ، يمكن كتابتها كصيغة:

م1 = م2

في الواقع، في التجربة التي تناولناها، (الفقرة 56) كانت القوى المؤثرة تساوي 2 نيوتن و4 نيوتن، وكان أكتافها، على التوالي، 4 و2 ضغوط رافعة، أي أن لحظات هذه القوى هي نفسها عندما تكون الرافعة هو في حالة توازن.

يمكن قياس لحظة القوة، مثل أي كمية فيزيائية. يتم اعتبار عزم القوة 1 N كوحدة عزم القوة، حيث يساوي كتفها 1 متر بالضبط.

هذه الوحدة تسمى نيوتن متر (ن م).

لحظة القوة هي التي تميز عمل القوة، وتظهر أنها تعتمد في الوقت نفسه على معامل القوة وعلى كتفها. في الواقع، نحن نعلم بالفعل، على سبيل المثال، أن تأثير القوة على الباب يعتمد على معامل القوة وعلى مكان تطبيق القوة. يكون دوران الباب أسهل، كلما تم تطبيق القوة المؤثرة عليه بعيدًا عن محور الدوران. الجوز، فمن الأفضل أن فك طويلة مفتاح الربطمن قصيرة. كلما كان من الأسهل رفع الدلو من البئر، كلما زاد طول مقبض البوابة، وما إلى ذلك.

روافع في التكنولوجيا والحياة اليومية والطبيعة.

تكمن قاعدة الرافعة (أو قاعدة اللحظات) في عمل أنواع مختلفة من الأدوات والأجهزة المستخدمة في التكنولوجيا والحياة اليومية حيث يلزم زيادة القوة أو على الطريق.

لدينا مكاسب في القوة عند العمل بالمقص. مقص - إنها رافعة(الأرز) الذي يتم محور دورانه من خلال المسمار الذي يربط نصفي المقص. قوة التمثيل F 1 هي القوة العضلية ليد الشخص الذي يعصر المقص. قوة معارضة F 2- قوة مقاومة هذه المادة المقطوعة بالمقص. اعتمادا على الغرض من المقص، أجهزتهم مختلفة. مقص المكتب، المصمم لقص الورق، له شفرات ومقابض طويلة بنفس الطول تقريبًا. لا يتطلب قطع الورق الكثير من القوة، كما أنه أكثر ملاءمة للقطع في خط مستقيم بشفرة طويلة. مقص القطع صفيحة معدنية(الشكل) لها مقابض أطول بكثير من الشفرات، نظرًا لأن قوة مقاومة المعدن كبيرة ومن أجل موازنتها، يجب زيادة كتف القوة المؤثرة بشكل كبير. مزيد من الفرق بين طول المقابض ومسافة جزء القطع ومحور الدوران قواطع للاسلاك(الشكل)، مصممة لقطع الأسلاك.

العتلات نوع مختلفالعديد من السيارات لديها. مقبض ماكينة الخياطة، دواسات الدراجة أو مكابح اليد، دواسات السيارات والجرارات، مفاتيح البيانو كلها أمثلة على الروافع المستخدمة في هذه الآلات والأدوات.

من أمثلة استخدام الرافعات مقابض الرذائل ومناضد العمل والرافعة اله للثقبإلخ.

يعتمد عمل موازين الرافعة أيضًا على مبدأ الرافعة (الشكل). مقياس التدريب المبين في الشكل 48 (ص 42) بمثابة ذراع متساوية . في المقاييس العشريةفالذراع الذي يُعلق عليه الكوب بالأثقال أطول بعشر مرات من الذراع التي تحمل الثقل. وهذا يبسط إلى حد كبير وزن الأحمال الكبيرة. عند وزن حمولة على مقياس عشري، اضرب وزن الأوزان في 10.

يعتمد جهاز الموازين لوزن عربات الشحن أيضًا على قاعدة الرافعة.

توجد الروافع أيضًا في أجزاء مختلفة من جسم الحيوانات والبشر. هذه، على سبيل المثال، الذراعين والساقين والفكين. يمكن العثور على العديد من الروافع في جسم الحشرات (بعد قراءة كتاب عن الحشرات وبنية أجسامها)، والطيور، في بنية النباتات.

تطبيق قانون توازن الرافعة على الكتلة.

حاجزعبارة عن عجلة ذات أخدود معززة في الحامل. يتم تمرير حبل أو كابل أو سلسلة على طول مزراب الكتلة.

كتلة ثابتة تسمى هذه الكتلة التي يكون محورها ثابتًا، وعند رفع الأحمال لا ترتفع ولا تسقط (الشكل 1).

يمكن اعتبار الكتلة الثابتة بمثابة رافعة ذات ذراع متساوية، حيث تكون أذرع القوى مساوية لنصف قطر العجلة (الشكل): الزراعة العضوية = OB = ص. مثل هذه الكتلة لا تعطي مكاسب في القوة. ( F 1 = F 2) يسمح لك بتغيير اتجاه القوة. كتلة متحركة هي كتلة. محورها يرتفع وينخفض ​​مع الحمل (الشكل). يوضح الشكل الرافعة المقابلة: عن- نقطة ارتكاز الرافعة، الزراعة العضوية- قوة الكتف رو OV- قوة الكتف F. منذ الكتف OV 2 مرات الكتف الزراعة العضوية، ثم القوة F 2 مرات أقل قوة ر:

و = ف/2 .

هكذا، الكتلة المنقولة تعطي زيادة في القوة بمقدار 2 مرات .

ويمكن إثبات ذلك أيضًا باستخدام مفهوم لحظة القوة. عندما تكون الكتلة في حالة توازن، فإن لحظات القوى Fو رمتساوون مع بعضهم البعض. لكن كتف القوة F 2 أضعاف قوة الكتف ر، وهو ما يعني أن القوة نفسها F 2 مرات أقل قوة ر.

عادة، في الممارسة العملية، يتم استخدام مزيج من كتلة ثابتة مع منقولة (الشكل). يتم استخدام الكتلة الثابتة للراحة فقط. لا يعطي زيادة في القوة، بل يغير اتجاه القوة. على سبيل المثال، يسمح لك برفع الحمولة أثناء الوقوف على الأرض. إنه مفيد للعديد من الأشخاص أو العمال. ومع ذلك، فإنه يعطي زيادة في الطاقة مرتين أكثر من المعتاد!

المساواة في العمل عند استخدام الآليات البسيطة. "القاعدة الذهبية" للميكانيكا.

تُستخدم الآليات البسيطة التي تناولناها في أداء العمل في تلك الحالات عندما يكون من الضروري موازنة قوة أخرى من خلال عمل قوة واحدة.

وبطبيعة الحال، يطرح السؤال: إعطاء مكسب في القوة أو المسار، أليست الآليات البسيطة تعطي مكسبا في العمل؟ يمكن الحصول على الإجابة على هذا السؤال من التجربة.

بعد أن توازن على الرافعة قوتين بمعامل مختلف F 1 و F 2 (الشكل)، قم بتحريك الرافعة. اتضح أنه في نفس الوقت، نقطة تطبيق قوة أصغر F 2 يقطع شوطا طويلا س 2، ونقطة تطبيق قوة أكبر F 1 - طريق أصغر س 1. بعد قياس هذه المسارات ووحدات القوة نجد أن المسارات التي تقطعها نقاط تطبيق القوى على الرافعة تتناسب عكسيا مع القوى:

س 1 / س 2 = F 2 / F 1.

وبالتالي، من خلال العمل على الذراع الطويلة للرافعة، نفوز بالقوة، ولكن في نفس الوقت نفقد نفس المقدار في الطريق.

منتج القوة Fعلي الطريق سهناك عمل. توضح تجاربنا أن الشغل الذي تبذله القوى المطبقة على الرافعة يساوي بعضها البعض:

F 1 س 1 = F 2 س 2، أي. أ 1 = أ 2.

لذا، عند استخدام الرافعة المالية، لن ينجح الفوز في العمل.

باستخدام الرافعة، يمكننا الفوز إما بالقوة أو بالمسافة. وبالتصرف بالقوة على الذراع القصير للرافعة، فإننا نكتسب المسافة، ولكننا نفقد القوة بنفس المقدار.

هناك أسطورة مفادها أن أرخميدس، الذي كان مسرورًا باكتشاف قاعدة الرافعة، صرخ: "أعطني نقطة ارتكاز وسأقلب الأرض!".

بالطبع، لم يكن بإمكان أرخميدس التعامل مع هذه المهمة حتى لو تم إعطاؤه نقطة ارتكاز (والتي يجب أن تكون خارج الأرض) ورافعة بالطول المطلوب.

ولرفع الأرض بمقدار سنتيمتر واحد فقط، يجب أن تصف الذراع الطويلة للرافعة قوسًا بطول هائل. سيستغرق الأمر ملايين السنين لتحريك الطرف الطويل للرافعة على طول هذا المسار، على سبيل المثال، بسرعة 1 م/ث!

لا يعطي مكسبا في العمل وكتلة ثابتة،وهو أمر يسهل التحقق منه بالتجربة (انظر الشكل). طرق، نقاط مقبولةتطبيق القوات Fو F، هي نفسها، نفس القوى، مما يعني أن الشغل هو نفسه.

من الممكن قياس ومقارنة العمل المنجز مع بعضها البعض بمساعدة كتلة متحركة. من أجل رفع الحمل إلى ارتفاع h بمساعدة كتلة متحركة، من الضروري تحريك نهاية الحبل الذي تم توصيل مقياس الدينامومتر به، كما تظهر التجربة (الشكل)، إلى ارتفاع 2h.

هكذا، الحصول على زيادة في القوة بمقدار مرتين ، يخسرون مرتين في الطريق ، وبالتالي فإن الكتلة المنقولة لا تعطي ربحًا في العمل.

وقد أظهرت قرون من الممارسة ذلك ولا تعطي أي من الآليات مكسبًا في العمل.يتم استخدام آليات مختلفة للفوز بالقوة أو بالطريقة، حسب ظروف العمل.

لقد عرف العلماء القدماء بالفعل القاعدة المطبقة على جميع الآليات: كم مرة ننتصر بالقوة، وكم مرة نخسر بالمسافة. وقد أُطلق على هذه القاعدة اسم "القاعدة الذهبية" في الميكانيكا.

كفاءة الآلية.

بالنظر إلى جهاز وعمل الرافعة، لم نأخذ في الاعتبار الاحتكاك، وكذلك وزن الرافعة. في ظل هذه الظروف المثالية، الشغل الذي تبذله القوة المطبقة (سنسمي هذا العمل مكتمل)، مساوي ل مفيدرفع الأحمال أو التغلب على أي مقاومة.

ومن الناحية العملية، يكون إجمالي العمل الذي تقوم به الآلية دائمًا أكبر إلى حد ما من العمل المفيد.

يتم تنفيذ جزء من العمل ضد قوة الاحتكاك في الآلية وعن طريق تحريك أجزائها الفردية. لذلك، باستخدام كتلة متحركة، عليك بالإضافة إلى ذلك أداء العمل على رفع الكتلة نفسها، والحبل وتحديد قوة الاحتكاك في محور الكتلة.

ومهما كانت الآلية التي نختارها، فإن العمل المفيد الذي يتم إنجازه بمساعدتها لا يكون دائمًا سوى جزء من العمل الإجمالي. لذا، للإشارة إلى العمل المفيد بالحرف Ap، والعمل الكامل (المنفق) بالحرف Az، يمكننا أن نكتب:

أعلى< Аз или Ап / Аз < 1.

نسبة العمل المفيد إلى عمل كاملتسمى كفاءة الآلية.

يتم اختصار الكفاءة على أنها كفاءة.

الكفاءة = Ap / Az.

عادة ما يتم التعبير عن الكفاءة كنسبة مئوية ويشار إليها بالحرف اليوناني η، ويتم قراءتها على أنها "هذا":

η \u003d Ap / Az 100٪.

مثال: تم تعليق كتلة كتلتها 100 كجم من الذراع القصير للرافعة. ولرفعه تم تطبيق قوة مقدارها 250 نيوتن على الذراع الطويلة، وتم رفع الحمولة إلى ارتفاع h1 = 0.08 م، بينما نقطة التطبيق القوة الدافعةنزل إلى ارتفاع h2 = 0.4 م أوجد كفاءة الرافعة.

دعنا نكتب حالة المشكلة ونحلها.

منح :

حل :

η \u003d Ap / Az 100٪.

العمل الكامل (المنفق) Az = Fh2.

عمل مفيد Ап = Рh1

ف \u003d 9.8100 كجم ≈ 1000 ن.

Ap \u003d 1000 ن 0.08 \u003d 80 ج.

أز \u003d 250 ن 0.4 م \u003d 100 ج.

η = 80 جول/100 جول 100% = 80%.

إجابة : η = 80%.

لكن " قاعدة ذهبية" يتم تنفيذه في هذه الحالة أيضًا. يتم إنفاق جزء من العمل المفيد - 20٪ منه - على التغلب على الاحتكاك في محور الرافعة ومقاومة الهواء، وكذلك على حركة الرافعة نفسها.

تكون كفاءة أي آلية دائمًا أقل من 100٪. ومن خلال تصميم الآليات، يميل الناس إلى زيادة كفاءتهم. للقيام بذلك، يتم تقليل الاحتكاك في محاور الآليات ووزنها.

طاقة.

في المصانع والمصانع، يتم تشغيل الآلات والآلات بواسطة محركات كهربائية تستهلك طاقة كهربائية(وبالتالي الاسم).

نابض مضغوط (أرز)، يستقيم، يعمل، يرفع حمولة إلى ارتفاع، أو يجعل العربة تتحرك. إن الحمل غير المتحرك المرفوع فوق سطح الأرض لا يبذل شغلًا، ولكن إذا سقط هذا الحمل، فإنه يمكنه بذل شغل (على سبيل المثال، يمكنه دفع كومة إلى الأرض). كل جسم متحرك لديه القدرة على بذل شغل. إذن، تتدحرج كرة فولاذية A (الشكل) من مستوى مائل، وتصطدم بـ A كتلة خشبيةب، يحركه مسافة ما. وفي القيام بذلك، يتم إنجاز العمل. إذا كان بإمكان جسم أو عدة أجسام متفاعلة (نظام من الأجسام) القيام بالعمل، فيقال أن لديهم طاقة. طاقة - كمية فيزيائية توضح العمل الذي يمكن أن يقوم به الجسم (أو عدة أجسام). يتم التعبير عن الطاقة في نظام SI بنفس وحدات العمل، أي جول. كلما زاد العمل الذي يستطيع الجسم القيام به، زادت الطاقة التي يمتلكها. عند إنجاز الشغل تتغير طاقة الأجسام. الشغل المبذول يساوي التغير في الطاقة. الطاقة الكامنة والحركية. المحتملة (من اللات.رجولية - الاحتمال) تسمى الطاقة الطاقة، والتي يتم تحديدها من خلال الوضع المتبادل للأجسام المتفاعلة وأجزاء من نفس الجسم. فطاقة الوضع، على سبيل المثال، لها جسم مرتفع بالنسبة إلى سطح الأرض، لأن الطاقة تعتمد على الموقع النسبي لها وللأرض. والجاذبية المتبادلة بينهما. إذا اعتبرنا أن الطاقة الكامنة لجسم ملقى على الأرض تساوي صفرًا، فإن طاقة الوضع لجسم مرفوع إلى ارتفاع معين سيتم تحديدها من خلال الشغل الذي تبذله الجاذبية عندما يسقط الجسم على الأرض. تشير إلى الطاقة الكامنة في الجسم هن بسبب ه = أوالشغل كما نعلم يساوي حاصل ضرب القوة والمسار إذن أ = فه, أين F- جاذبية. ومن ثم فإن الطاقة الكامنة En تساوي: E = Fh، أو E = gmh، أين ز- تسارع الجاذبية، م- كتلة الجسم، ح- الارتفاع الذي يرتفع إليه الجسم . تتمتع المياه في الأنهار التي تحتفظ بها السدود بطاقة كامنة هائلة. عند سقوط الماء، يعمل الماء على تشغيل التوربينات القوية لمحطات الطاقة. يتم استخدام الطاقة الكامنة لمطرقة جوز الهند (الشكل) في البناء لأداء أعمال دق الركائز. من خلال فتح الباب بزنبرك، يتم العمل على تمديد (أو ضغط) الزنبرك. بسبب الطاقة المكتسبة، يقوم الزنبرك، الذي ينقبض (أو يستقيم)، بالعمل، ويغلق الباب. يتم استخدام طاقة النوابض المضغوطة وغير الملتوية، على سبيل المثال، في ساعات اليد، وألعاب الساعة المختلفة، وما إلى ذلك. أي جسم مرن مشوه يمتلك طاقة كامنة.يتم استخدام الطاقة الكامنة للغاز المضغوط في تشغيل المحركات الحرارية، وفي آلات ثقب الصخور، والتي تستخدم على نطاق واسع في صناعة التعدين، وفي بناء الطرق، وحفر التربة الصلبة، وما إلى ذلك. تسمى الطاقة التي يمتلكها الجسم نتيجة حركته حركية (من الكلمة اليونانية.سينما - الحركة) الطاقة. يُشار إلى الطاقة الحركية للجسم بالحرف هل. إن نقل المياه، الذي يقود توربينات محطات الطاقة الكهرومائية، يستهلكها الطاقة الحركيةويقوم بهذه المهمة. يحتوي الهواء المتحرك أيضًا على طاقة حركية - الرياح. على ماذا تعتمد الطاقة الحركية؟ دعونا ننتقل إلى التجربة (انظر الشكل). إذا قمت بدحرجة الكرة أ من ارتفاعات مختلفة، ستلاحظ أنه كلما تدحرجت الكرة إلى أعلى، زادت سرعتها وكلما تقدمت بالعارضة، أي أنها بذلت شغلًا أكبر. وهذا يعني أن الطاقة الحركية للجسم تعتمد على سرعته. نظرًا للسرعة، تتمتع الرصاصة الطائرة بطاقة حركية كبيرة. تعتمد الطاقة الحركية للجسم أيضًا على كتلته. لنقم بتجربتنا مرة أخرى، لكننا سندحرج كرة أخرى - ذات كتلة أكبر - من مستوى مائل. سوف يتحرك المبنى B إلى أبعد من ذلك، أي أنه سيتم إنجاز المزيد من العمل. وهذا يعني أن الطاقة الحركية للكرة الثانية أكبر من الأولى. كلما زادت كتلة الجسم والسرعة التي يتحرك بها، زادت طاقته الحركية. صيغة تحديد الطاقة الحركية للجسم هي: إيك \u003d إم في ^ 2 / 2، أين م- كتلة الجسم، الخامسهي سرعة الجسم. يتم استخدام الطاقة الحركية للأجسام في التكنولوجيا. كما أن المياه التي يحتفظ بها السد تتمتع، كما ذكرنا سابقًا، بطاقة كامنة كبيرة. عند سقوطه من السد يتحرك الماء ويكون له نفس الطاقة الحركية الكبيرة. يقوم بتشغيل توربين متصل بمولد تيار كهربائي. بسبب الطاقة الحركية للمياه، يتم توليد الطاقة الكهربائية. طاقة تحريك الماء هي أهمية عظيمةفي الاقتصاد الوطني . يتم استخدام هذه الطاقة بواسطة محطات الطاقة الكهرومائية القوية. تعتبر طاقة المياه المتساقطة مصدر طاقة صديق للبيئة، على عكس طاقة الوقود. جميع الأجسام في الطبيعة، بالنسبة إلى القيمة الصفرية المشروطة، لديها إما طاقة وضع أو طاقة حركية، وأحيانًا كليهما. على سبيل المثال، تمتلك الطائرة الطائرة طاقة حركية وموضعية بالنسبة للأرض. تعرفنا على نوعين من الطاقة الميكانيكية. سيتم تناول أنواع الطاقة الأخرى (الكهربائية، الداخلية، إلخ) في أقسام أخرى من مقرر الفيزياء. تحويل نوع من الطاقة الميكانيكية إلى نوع آخر. من السهل جدًا ملاحظة ظاهرة تحويل نوع من الطاقة الميكانيكية إلى نوع آخر على الجهاز الموضح في الشكل. لف الخيط حول المحور، ارفع قرص الجهاز. يحتوي القرص المرفوع على بعض الطاقة الكامنة. إذا تركتها، فسوف تدور وتسقط. ومع سقوطه، تقل الطاقة الكامنة للقرص، ولكن في نفس الوقت تزداد طاقته الحركية. في نهاية السقوط، يحتوي القرص على احتياطي من الطاقة الحركية بحيث يمكنه الارتفاع مرة أخرى إلى ارتفاعه السابق تقريبًا. (يتم استهلاك جزء من الطاقة في العمل ضد قوة الاحتكاك، وبالتالي لا يصل القرص إلى ارتفاعه الأصلي.) وبعد الارتفاع، يسقط القرص مرة أخرى، ثم يرتفع مرة أخرى. في هذه التجربة، عندما يتحرك القرص إلى الأسفل، تتحول طاقته الكامنة إلى طاقة حركية، وعندما يتحرك لأعلى، تتحول الطاقة الحركية إلى طاقة محتملة. ويحدث تحول الطاقة من نوع إلى آخر أيضًا عندما يصطدم جسمان مرنان، على سبيل المثال، بكرة مطاطية على الأرض أو كرة فولاذية على لوح فولاذي. إذا رفعت كرة فولاذية (أرز) فوق لوح فولاذي وأطلقتها من يديك، فسوف تسقط. عندما تسقط الكرة، تنخفض طاقتها الكامنة، وتزداد طاقتها الحركية، مع زيادة سرعة الكرة. عندما تضرب الكرة اللوحة، سيتم ضغط كل من الكرة واللوحة. ستتحول الطاقة الحركية التي تمتلكها الكرة إلى طاقة الوضع الخاصة باللوحة المضغوطة والكرة المضغوطة. ثم، بسبب عمل القوى المرنة، ستأخذ اللوحة والكرة شكلهما الأصلي. سوف ترتد الكرة عن اللوحة، وستتحول طاقتها الكامنة مرة أخرى إلى طاقة حركية للكرة: سوف ترتد الكرة بسرعة تقارب سرعة متساويةالتي كان يمتلكها لحظة اصطدامه باللوحة. عندما ترتفع الكرة، تقل سرعتها، وبالتالي طاقتها الحركية، وتزداد طاقة الوضع. ترتد الكرة من اللوحة، وترتفع إلى نفس الارتفاع تقريبًا الذي بدأت منه في السقوط. في الجزء العلوي من الصعود، ستتحول كل طاقتها الحركية مرة أخرى إلى طاقة محتملة. عادة ما تكون الظواهر الطبيعية مصحوبة بتحول نوع من الطاقة إلى نوع آخر. ويمكن أيضًا نقل الطاقة من جسم إلى آخر. لذلك، على سبيل المثال، عند إطلاق النار من القوس، يتم تحويل الطاقة المحتملة للوتر الممتد إلى الطاقة الحركية لسهم الطيران.