يمكن وصف كل جسم يتحرك بأنه عمل. بمعنى آخر ، إنه يميز عمل القوى.

يتم تعريف العمل على أنه:
حاصل ضرب مقياس القوة والمسار الذي يقطعه الجسم ، مضروبًا في جيب تمام الزاوية بين اتجاه القوة والحركة.

يقاس العمل بالجول:
1 [J] = [كجم * م 2 / ثانية 2]

على سبيل المثال ، الجسم "أ" ، تحت تأثير قوة مقدارها 5 نيوتن ، قد تجاوز 10 أمتار ، حدد الشغل الذي يقوم به الجسم.

نظرًا لأن اتجاه الحركة وعمل القوة متماثلان ، فإن الزاوية بين متجه القوة ومتجه الإزاحة ستكون 0 درجة. الصيغة مبسطة لأن جيب تمام الزاوية عند 0 درجة هو 1.

استبدال المعلمات الأولية في الصيغة ، نجد:
أ = 15 ج.

تأمل مثالًا آخر ، جسم كتلته 2 كجم ، يتحرك بعجلة 6 م / ث 2 ، مر 10 م. حدد الشغل الذي يقوم به الجسم إذا تحرك لأعلى على طول مستوى مائل بزاوية 60 درجة.

بادئ ذي بدء ، نحسب القوة التي يجب تطبيقها لإبلاغ الجسم بعجلة مقدارها 6 م / ث 2.

F = 2 كجم * 6 م / ث 2 = 12 هـ.
تحرك الجسم بمقدار 10 أمتار تحت تأثير قوة مقدارها 12 ساعة ، ويمكن حساب الشغل باستخدام الصيغة المعروفة بالفعل:

حيث a تساوي 30 درجة. استبدال البيانات الأولية في الصيغة ، نحصل على:
أ = 103.2 ج.

قوة

تؤدي العديد من آلات الآليات نفس العمل لفترة زمنية مختلفة. للمقارنة بينهما ، يتم تقديم مفهوم القوة.
القوة هي قيمة توضح مقدار العمل المنجز لكل وحدة زمنية.

تقاس الطاقة بالواط ، بعد المهندس الاسكتلندي جيمس وات.
1 [واط] = 1 [J / s].

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 المنفقة على رفع الحمل ستكون مساوية لقوة التفاعل بين الأرض والحمل (F = m * g). والشغل هو نتاج القوى والمسافة التي تقطعها البضاعة أي الارتفاع.

بالنسبة للرافعة الكبيرة A1 = 10000 كجم * 30 م * 10 م / ث 2 = 3،000،000 J ، وللرافعة الصغيرة A2 = 2000 كجم * 30 م * 10 م / ث 2 = 600000 ج.
يمكن حساب القوة بقسمة العمل على الوقت. رفعت الرافعتان الحمل في دقيقة واحدة (60 ثانية).

من هنا:
N1 = 3،000،000 J / 60 ثانية = 50000 واط = 50 كيلو واط.
N2 = 600000 جول / 60 ثانية = 10000 واط = 10 كيلو واط.
من البيانات أعلاه ، من الواضح أن الرافعة الأولى أقوى بخمس مرات من الرافعة الثانية.

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

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

يتم نقل أو نقل القوى الكهربائية الكبيرة للأغراض الصناعية من قبل.

يتم إجراء التحويل في المحولات الفرعية.

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

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

تحديد الطاقة الكهربائية اللحظية

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

إذا انتقلت q في فترة زمنية قصيرة جدًا من نقطة "1" إلى النقطة "2" تحت تأثير الجهد U ، فإنها تعمل على قدم المساواة مع فرق الجهد بين هذه النقاط. بتقسيمها على الفاصل الزمني ∆t ، نحصل على تعبير القوة اللحظية لشحنة الوحدة Pe (1-2).

نظرًا لأنه تحت تأثير الجهد المطبق ، لا تتحرك شحنة واحدة فقط ، ولكن كل الشحنة المجاورة التي تخضع لتأثير هذه القوة ، والتي يتم تمثيل عددها بشكل ملائم بالرقم Q ، ثم بالنسبة لهم قيمة القدرة اللحظية PQ ( 1-2) يمكن كتابتها.

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

تحديد الطاقة الكهربائية DC

حجم انخفاض الجهد في قسم الدائرة والتيار المتدفق من خلاله لا يتغير ويظل ثابتًا ، مساوٍ للقيم اللحظية. لذلك ، يمكنك تحديد القدرة في هذه الدائرة بضرب هذه القيم أو قسمة العمل المثالي A على الفترة الزمنية لتنفيذه ، كما هو موضح في الصورة التوضيحية.

تحديد طاقة التيار المتردد الكهربائية

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

لا يغير التيار الكهربائي الجيبي ، عند مروره عبر خطوط الكهرباء بأنواع الأحمال المختلطة في جميع الأقسام ، شكل التوافقي الخاص به. وينتقل 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 أشياء مختلفة تمامًا ، والتي قد لا تتزامن في بعض الحالات فحسب ، بل يتم توجيهها أيضًا في اتجاهين متعاكسين.

ضع في اعتبارك هذه العلاقات في مظهرها المثالي والنقي أنواع مختلفةالأحمال:

نشيط؛

بالسعة.

استقرائية.

تبديد الطاقة على حمل مقاوم

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

يوضح الرسم البياني أن أشباه الجيوب للتيار والجهد ينخفضان عبر المقاومة النشطة يتطابقان في التردد والطور ، مما يجعل نفس التذبذبات. تتقلب القوة ، التي يعبر عنها منتجهم ، بتردد مزدوج وتظل دائمًا إيجابية.

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

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

بعد ذلك ، نقوم بدمج القوة خلال فترة تذبذب واحد T ويمكننا ملاحظة 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 السعوي

في دائرة إمداد الطاقة للمولد ، نستبدل العنصر المقاوم 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 مع الجهد ونحصل على قيمة الطاقة التي يستهلكها الحمل السعوي.

p = u ∙ i = Um ∙ sinωt ∙ C ∙ 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. قيمته الإجمالية للفترة التوافقية ، وكذلك زيادة الطاقة ، تساوي الصفر.

هذا يعني أن الطاقة تتحرك على طول الدائرة المغلقة للدائرة في كلا الاتجاهين ، لكنها لا تقوم بأي عمل. يتم تفسير هذه الحقيقة من خلال حقيقة أنه مع زيادة مصدر الجهد على طول قيمه مطلقهالطاقة موجبة ، ويتم توجيه تدفق الطاقة عبر الدائرة إلى الخزان ، حيث يتم تخزين الطاقة.

بعد أن يمر الجهد إلى القسم الساقط من التوافقي ، تبدأ الطاقة في العودة من السعة إلى الدائرة إلى المصدر. في كلتا العمليتين ، لا يتم القيام بأي عمل مفيد.

تبديد الطاقة على الحمل الاستقرائي

الآن ، في دائرة الطاقة ، نستبدل المكثف بمحاثة L.

هنا ، يتم التعبير عن التيار من خلال الحث بالعلاقة:

أنا = 1 / لودت = -Um / L ∙ cos t.

ثم نحصل

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

تسمح لنا التعبيرات الناتجة برؤية طبيعة التغيير في اتجاه القوة وزيادة الطاقة على المحاثة ، والتي تؤدي نفس التذبذبات غير المجدية للقيام بالعمل ، كما في السعة.

تسمى الطاقة المنبعثة من الأحمال التفاعلية المكون التفاعلي. في ظل الظروف المثالية ، عندما لا تتمتع الأسلاك الموصلة بمقاومة نشطة ، فإنها تبدو غير ضارة ولا تسبب أي ضرر. ولكن في ظروف إمداد الطاقة الحقيقية ، تتسبب الممرات الدورية وتقلبات الطاقة التفاعلية في تسخين جميع العناصر النشطة ، بما في ذلك الأسلاك المتصلة ، والتي يتم إنفاق طاقة معينة من أجلها ويقل حجم الطاقة الإجمالية المطبقة للمصدر.

الفرق الرئيسي بين المكون التفاعلي للقوة هو أنه لا يفعل ذلك عمل مفيد، ولكنه يؤدي إلى فقدان الطاقة الكهربائية وأحمال المعدات الزائدة ، خاصة الخطورة في المواقف الحرجة.

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

توزيع الطاقة على حمولة مختلطة

على سبيل المثال ، نستخدم حمولة على مولد بخاصية سعوية نشطة.

في الرسم البياني أعلاه ، لتبسيط الصورة ، لا يتم عرض الجيوب الأنفية للتيارات والجهود الفولتية ، ولكن تجدر الإشارة إلى أنه مع الطبيعة السعة النشطة للحمل ، يقود متجه التيار الجهد.

p = u ∙ i = Um ∙ sinωt ∙ C ∙ Im ∙ sin (t +).

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

هذان المصطلحان في التعبير الأخير هما المكونان النشط والمتفاعل للقوة الظاهرية اللحظية. فقط أولهم يقوم بعمل مفيد.

أدوات قياس القوة

لتحليل استهلاك الكهرباء ودفع ثمنها ، يتم استخدام أجهزة القياس ، والتي لطالما سميت. يعتمد عملهم على قياس القيم الفعالة للتيار والجهد ومضاعفتها تلقائيًا بمخرجات المعلومات.

تعرض العدادات استهلاك الطاقة ، مع مراعاة وقت تشغيل الأجهزة الكهربائية على أساس تدريجي من لحظة تشغيل العداد تحت الحمل.

لقياس المكون النشط للطاقة في دوائر التيار المتناوب ، يتم استخدام مقاييس الحرارة ، ويتم استخدام المكون التفاعلي. لديهم تسميات مختلفة للوحدة:

واط (W ، W) ؛

var (Var ، var ، var).

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

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

أضف الموقع إلى الإشارات المرجعية

مفهوم القوة التيار الكهربائي

قوة التيار الكهربائي

قبل الحديث عن الطاقة الكهربائية ، من الضروري تحديد مفهوم القوة بشكل عام. عادة ، عندما يتحدث الناس عن القوة ، فإنهم يقصدون نوعًا من القوة التي يمتلكها هذا الشيء أو ذاك (محرك كهربائي قوي) ، أو فعلًا (انفجار قوي).

ولكن ، كما نعلم من فيزياء المدرسة ، فإن القوة والقوة مفاهيم مختلفة ، على الرغم من الاعتماد عليها.

في البداية ، تعتبر القوة (N) خاصية مرتبطة بحدث معين (فعل) ، وإذا كانت مرتبطة بجسم معين ، فإن مفهوم القوة يرتبط أيضًا به تقليديًا. أي فعل جسدي يعني تأثير القوة. القوة (F) التي سافر بها مسار معين (S) ستساوي العمل المنجز (A). والعمل المنجز في وقت معين (t) سيُعادل القوة.

القوة هي كمية مادية تساوي نسبة العمل المنجز ، والذي يتم تنفيذه في فترة زمنية معينة ، إلى نفس الفترة الزمنية. بما أن الشغل هو مقياس لتغير الطاقة ، فيمكننا أيضًا أن نقول هذا: الطاقة هي معدل تحويل الطاقة في النظام.

بعد أن تعاملنا مع مفهوم القوة الميكانيكية ، يمكننا المضي قدمًا في دراسة الطاقة الكهربائية (قوة التيار الكهربائي). كما يجب أن تعلم ، U هو الشغل الذي يتم عن طريق تحريك 1 C ، والتيار I هو عدد الكولوم التي تمر في ثانية واحدة. لذلك ، يُظهر ناتج التيار والجهد إجمالي العمل المنجز في ثانية واحدة ، أي الطاقة الكهربائية ، أو قوة التيار الكهربائي.

عند تحليل الصيغة 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 والجهد المنخفض ، أو العكس ، عند الجهد العالي والتيار المنخفض (يستخدم هذا عند نقل الكهرباء عبر مسافات بعيدة من محطات الطاقة إلى أماكن الاستهلاك عن طريق تحويل المحولات في المحطات الفرعية الكهربائية التصاعدية والتنازلية).

الطاقة الكهربائية النشطة (هذه هي الطاقة التي يتم تحويلها بشكل لا رجعة فيه إلى أنواع أخرى من الطاقة - الحرارية ، والضوء ، والميكانيكية ، وما إلى ذلك) لها وحدة قياس خاصة بها - واط (واط). إنه يساوي ناتج 1 فولت لكل 1 أ. في الحياة اليومية وفي الإنتاج ، يكون أكثر ملاءمة لقياس الطاقة بالكيلوواط (كيلووات ، 1 كيلوواط = 1000 واط). تستخدم محطات الطاقة بالفعل وحدات أكبر - ميغاواط (ميغاواط ، 1 ميغاواط = 1000 كيلوواط = 1،000،000 واط).

الطاقة الكهربائية التفاعلية هي القيمة التي تميز نوع الحمل الكهربائي الذي يتم إنشاؤه في الأجهزة (المعدات الكهربائية) عن طريق تقلبات الطاقة (الحثية والسعة) حقل كهرومغناطيسي. بالنسبة للتيار المتناوب التقليدي ، فهو يساوي ناتج تيار التشغيل I وانخفاض الجهد U مضروبًا في جيب زاوية الطور بينهما: Q = U × I × sin (زاوية). تحتوي القدرة التفاعلية على وحدة قياس خاصة بها تسمى VAr (رد فعل فولت أمبير). يشار إليها 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 مادة 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 العودة الجزئية للكهرباء 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 الشحن وإعادته. الفرق بين السعة والحث هو الإزاحة المعاكسة لقيم التيار والجهد بالنسبة لبعضهما البعض. إن طاقة السعة والتحريض هذه (المنقولة في الطور بالنسبة إلى قيمة شبكة الإمداد) ستكون في الواقع طاقة كهربائية تفاعلية.

كل جهاز حديث له طاقة كهربائية. يتم تحديد قيمته العددية من قبل الشركة المصنعة على جسم مجفف الشعر أو غلاية كهربائية، على غطاء معالج الطعام.

الوحدات

يسمح لك حساب الطاقة الكهربائية بتحديد تكلفة الطاقة الكهربائية التي تستهلكها الأجهزة المختلفة لفترة زمنية معينة. الواط والكيلووات الزائدة تؤدي إلى فشل الأسلاك وتشوه التلامسات.

العلاقة بين التيار الكهربائي والطاقة التي تستهلكها الأجهزة

الطاقة الكهربائية هي العمل المنجز في فترة زمنية. عند توصيله بمأخذ طاقة ، يعمل الجهاز ، مقاسة بالواط (وات). يشار إلى كمية الطاقة التي سيستهلكها الجهاز لفترة زمنية معينة في العلبة ، أي يتم توفير الطاقة الكهربائية المستهلكة.

استهلاك الطاقة

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

بالنظر إلى أن عدد الإلكترونات التي تتدفق عبر المقطع العرضي للموصل خلال فترة زمنية هو تيار كهربائي ، يمكننا تمثيله في تعبير عن القيمة المطلوبة. ستبدو صيغة الطاقة الكهربائية كما يلي:

في الواقع ، من الضروري حساب ليس القدرة نفسها ، ولكن حجم التيار ، ومعرفة جهد التيار الكهربائي والقدرة المقدرة. من خلال تحديد التيار الذي يستهلكه جهاز معين ، يمكنك ربط تصنيف المنفذ وقاطع الدائرة.

أمثلة حسابية

بالنسبة للغلاية التي تبلغ طاقتها الكهربائية 2 كيلووات ، يتم تحديد الاستهلاك الحالي من خلال الصيغة:

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 ذات صلة فقط إذا كانت قيم الجهد والتيار في الطور تمامًا. لجميع المنازل تقريبًا الأجهزة الكهربائيةمعادلة الطاقة الكهربائية صحيحة.

استثناءات

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

cosφ هو عامل القدرة ، بالنسبة للمحركات الكهربائية هو 0.6-0.8 وحدة.

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

مثال على الحساب

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

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

إلى عن على الإنسان المعاصرتتميز بالاستخدام المستمر للكهرباء في الإنتاج والمنزل. يستخدم الأجهزة التي تستهلك التيار الكهربائي ، ويستخدم الأجهزة التي تنتجها. عند العمل مع مثل هذه المصادر ، من المهم أن تأخذ في الاعتبار الحد الأقصى من الاحتمالات المفترضة في المواصفات الفنية.

تعتبر الكمية المادية مثل الطاقة الكهربائية أحد المؤشرات الرئيسية لأي جهاز يعمل عندما يتدفق تدفق الإلكترون من خلاله. لنقل أو نقل الطاقة الكهربائية في صوت عاليمطلوب في ظروف الإنتاج ، تطبيق خطوط الجهد العاليالإرسال الكهربائي.

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

في الهندسة الكهربائية النظرية ، يوجد شيء اسمه الطاقة الكهربائية الآنية. 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 بإرهاق الأجهزة الكهربائية باهظة الثمن ، وكذلك الحاجة إلى تغيير الأسلاك الكهربائية بشكل دوري في الشقة أو المكتب.

عمل ميكانيكي. وحدات العمل.

في الحياة اليوميةمن خلال "العمل" نعني كل شيء.

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

ضع في اعتبارك أمثلة على العمل الميكانيكي.

يتحرك القطار تحت تأثير قوة جر القاطرة الكهربائية أثناء القيام بأعمال ميكانيكية. عندما يتم إطلاق مسدس ، تعمل قوة ضغط غازات المسحوق - فهي تحرك الرصاصة على طول البرميل ، بينما تزداد سرعة الرصاصة.

من هذه الأمثلة ، يمكن ملاحظة أن العمل الميكانيكي يتم عندما يتحرك الجسم تحت تأثير القوة. يتم تنفيذ العمل الميكانيكي أيضًا في الحالة التي تقلل فيها القوة المؤثرة على الجسم (على سبيل المثال ، قوة الاحتكاك) من سرعة حركته.

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

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

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

العمل الميكانيكي يتناسب طرديا مع القوة المطبقة ويتناسب طرديا مع المسافة المقطوعة. .

لذلك اتفقنا على قياس الشغل الميكانيكي بحاصل ضرب القوة والمسار الذي يسير في هذا الاتجاه لهذه القوة:

العمل = القوة × المسار

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

وحدة الشغل هي الشغل الذي تقوم به قوة مقدارها 1 نيوتن على مسار 1 م.

وحدة العمل - الجول (ي ) على اسم العالم الإنجليزي جول. هكذا،

1 J = 1N م.

تستخدم أيضا كيلوجول (كيلو جول) .

1 كيلو جول = 1000 ج.

معادلة أ = خقابلة للتطبيق عند القوة Fثابت ويتزامن مع اتجاه حركة الجسم.

إذا كان اتجاه القوة يتزامن مع اتجاه حركة الجسم ، إذن نظرا للقوةيقوم بعمل إيجابي.

إذا كانت حركة الجسم تحدث في الاتجاه المعاكس لاتجاه القوة المطبقة ، على سبيل المثال ، قوة الاحتكاك الانزلاقي ، فإن هذه القوة تقوم بعمل سلبي.

إذا كان اتجاه القوة المؤثرة على الجسم عموديًا على اتجاه الحركة ، فإن هذه القوة لا تعمل ، فالعمل يساوي صفرًا:

في المستقبل ، عند الحديث عن العمل الميكانيكي ، سوف نسميه باختصار في كلمة واحدة - العمل.

مثال. احسب الشغل المبذول عند رفع بلاطة من الجرانيت بحجم 0.5 م 3 إلى ارتفاع 20 م ، وكثافة الجرانيت 2500 كجم / م 3.

إعطاء:

ρ \ u003d 2500 كجم / م 3

قرار:

حيث F هي القوة التي يجب تطبيقها لرفع اللوحة بالتساوي. هذه القوة تساوي في المعامل قوة الخيط Fstrand المؤثرة على اللوحة ، أي F = Fstrand. ويمكن تحديد قوة الجاذبية من خلال كتلة الصفيحة: فتيازه = جم. نحسب كتلة اللوح ، مع معرفة حجمه وكثافته من الجرانيت: م = ρV ؛ s = h ، أي المسار يساوي ارتفاع الصعود.

إذن ، م = 2500 كجم / م 3 0.5 م 3 = 1250 كجم.

F = 9.8 نيوتن / كجم 1250 كجم ≈ 12250 نيوتن.

أ = 12250 نيوتن 20 م = 245000 ج = 245 كج.

إجابه: أ = 245 كيلو جول.

الرافعات ، القوة ، الطاقة

يتطلب الأمر محركات مختلفة للقيام بنفس العمل. وقت مختلف. على سبيل المثال ، رافعة في موقع بناء ترفع مئات الطوب إلى الطابق العلوي من المبنى في غضون بضع دقائق. إذا قام عامل بتحريك هذه الأحجار ، فسيستغرق الأمر عدة ساعات للقيام بذلك. مثال آخر. يمكن للحصان أن يحرث هكتارًا من الأرض في 10-12 ساعة ، بينما الجرار بمحراث متعدد الأسهم ( ploughshare- جزء من المحراث الذي يقطع طبقة الأرض من الأسفل وينقلها إلى المكب ؛ متعدد المشاركات - الكثير من المشاركات) ، سيتم تنفيذ هذا العمل لمدة 40-50 دقيقة.

من الواضح أن الرافعة تقوم بنفس العمل أسرع من العامل ، والجرار أسرع من الحصان. تتميز سرعة العمل بقيمة خاصة تسمى القوة.

القوة تساوي نسبة العمل إلى الوقت الذي اكتمل فيه.

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

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

القوة هي قيمة ثابتة ، عندما يتم القيام بنفس العمل لكل ثانية ، في حالات أخرى النسبة فييحدد متوسط ​​القوة:

ن cf = في . تم أخذ وحدة الطاقة على أنها القوة التي يتم بها العمل في J في 1 ثانية.

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

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

واط (جول في الثانية) - واط (1 J / s).

تستخدم وحدات الطاقة الأكبر على نطاق واسع في الهندسة - كيلو واط (كيلوواط), ميغاواط (ميغاواط) .

1 ميغاواط = 1،000،000 واط

1 كيلو واط = 1000 واط

1 ميغاواط = 0.001 واط

1 واط = 0.000001 ميغاواط

1 واط = 0.001 كيلو واط

1 واط = 1000 ميغاواط

مثال. أوجد قوة تدفق الماء المتدفق عبر السد ، إذا كان ارتفاع شلال الماء 25 م ، ومعدل تدفقه 120 م 3 في الدقيقة.

إعطاء:

ρ = 1000 كجم / م 3

قرار:

كتلة الماء المتساقط: م = ρV,

م = 1000 كجم / م 3 120 م 3 = 120000 كجم (12104 كجم).

قوة الجاذبية المؤثرة على الماء:

F = 9.8 م / ث 210000 كجم ≈ 1200000 نيوتن (12105 نيوتن)

العمل المنجز في الدقيقة:

أ - 1،200،000 N 25 م = 30،000،000 J (3107 J).

قوة التدفق: N = A / t ،

N = 30000000 جول / 60 ثانية = 500000 واط = 0.5 ميجاوات.

إجابه: N = 0.5 ميغاواط.

المحركات المختلفة لها قوى تتراوح ما بين المئات والأعشار من الكيلووات (محرك كهربائي لماكينة الحلاقة ، ماكينة الخياطة) حتى مئات الآلاف من الكيلوات (توربينات مائية وبخارية).

الجدول 5

قوة بعض المحركات ، كيلوواط.

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

القوة البشرية في ظروف العمل العادية في المتوسط ​​70-80 واط. عند القيام بالقفزات ، وصعود الدرج ، يمكن لأي شخص تطوير طاقة تصل إلى 730 واط ، وفي بعض الحالات أكثر من ذلك.

من الصيغة N = A / t يتبع ذلك

لحساب الشغل ، تحتاج إلى ضرب القوة في الوقت الذي تم خلاله هذا العمل.

مثال. محرك مروحة الغرفةبقوة 35 واط. ما مقدار العمل الذي يقوم به في 10 دقائق؟

دعنا نكتب حالة المشكلة ونحلها.

إعطاء:

قرار:

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

إجابه أ= 21 كيلو جول.

آليات بسيطة.

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

يعلم الجميع أن الأشياء الثقيلة (الحجر ، الخزانة ، الآلة) ، التي لا يمكن تحريكها يدويًا ، يمكن تحريكها بعصا طويلة إلى حد ما - رافعة.

في الوقت الحالي ، يُعتقد أنه بمساعدة رافعات منذ ثلاثة آلاف عام ، أثناء بناء الأهرامات في مصر القديمةتحركوا ورفعوا بلاطات 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 كتل.

تسمى الأجهزة المستخدمة لتحويل الطاقة الآليات .

الآليات البسيطة تشمل: الرافعات وأنواعها - كتلة ، بوابة الطائرة المائلة وأنواعها - إسفين ، برغي. في معظم الحالات ، يتم استخدام آليات بسيطة من أجل الحصول على قوة ، أي لزيادة القوة المؤثرة على الجسم عدة مرات.

توجد آليات بسيطة في كل من المنزل وفي جميع آلات المصانع والمصانع المعقدة التي تقطع وتلوي وتختم الصفائح الكبيرة من الفولاذ أو تسحب أرقى الخيوط التي تصنع منها الأقمشة. يمكن العثور على نفس الآليات في الآلات الحديثة المعقدة والطباعة والعد.

ذراع الرافعة. ميزان القوى على الرافعة.

فكر في الآلية الأبسط والأكثر شيوعًا - الرافعة.

الرافعة صلب، والتي يمكن أن تدور حول دعامة ثابتة.

توضح الأرقام كيف يستخدم العامل المخل لرفع حمولة 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 أسفل. لهذا ، قام بتدوير المخل حول محور يمر عبر المحور الوحيد بلا حراكنقطة الانهيار - نقطة ارتكازها ا. قوة F، التي يعمل بها العامل على الرافعة ، قوة أقل ص، لذلك يحصل العامل اكتساب القوة. بمساعدة رافعة ، يمكنك رفع مثل هذا الحمل الثقيل الذي لا يمكنك رفعه بمفردك.

يوضح الشكل رافعة يكون محور دورانها ا(نقطة ارتكاز) يقع بين نقاط تطبيق القوات وو في. يوضح الشكل الآخر رسمًا تخطيطيًا لهذه الرافعة. كلا القوتين F 1 و F 2 ـ العمل على الرافعة موجهان في نفس الاتجاه.

يُطلق على أقصر مسافة بين نقطة الارتكاز والخط المستقيم الذي تعمل على طوله القوة على الرافعة ذراع القوة.

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

سيكون طول هذا العمودي هو كتف هذه القوة. يوضح الشكل ذلك OA- 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 يقوم بتدويره عكس اتجاه عقارب الساعة.

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

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

على أساس هذه التجارب ، تم تحديد حالة (قاعدة) ميزان الرافعة.

تكون الرافعة في حالة توازن عندما تكون القوى المؤثرة عليها متناسبة عكسياً 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).

أسس أرخميدس قاعدة توازن الرافعة حوالي 287-212. قبل الميلاد ه. (لكن ألم تقل الفقرة الأخيرة أن المصريين استخدموا الرافعات؟ أم أن كلمة "مُنشأة" مهمة هنا؟)

ويترتب على هذه القاعدة أنه يمكن موازنة قوة أصغر برافعة قوة أكبر. دع ذراع الرافعة أكبر بثلاث مرات من الأخرى (انظر الشكل). بعد ذلك ، بتطبيق قوة مقدارها ، على سبيل المثال ، 400 نيوتن عند النقطة ب ، من الممكن رفع حجر يزن 1200 نيوتن لرفع حمولة أثقل ، من الضروري زيادة طول ذراع الرافعة التي عليها أفعال العامل.

مثال. باستخدام رافعة ، يرفع العامل لوحًا وزنه 240 كجم (انظر الشكل 149). ما القوة التي يطبقها على الذراع الأكبر للرافعة ، والتي تبلغ 2.4 متر ، إذا كان الذراع الأصغر 0.6 متر؟

دعنا نكتب حالة المشكلة ونحلها.

إعطاء:

قرار:

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 نيوتن 240 كجم 2400 نيوتن

ثم F1 = 2400 N 0.6 / 2.4 = 600 N.

إجابه: F1 = 600 نيوتن.

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

من خلال تطبيق قاعدة الرافعة المالية ، يمكن لقوة أصغر موازنة قوة أكبر. في 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 ,

باستخدام خاصية النسبة (حاصل ضرب حدودها القصوى يساوي حاصل ضربها الأوسط) ، نكتبها على هذا النحو:

F 1ل 1 = F 2 ل 2 .

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

يسمى ناتج معامل القوة التي تدور حول الجسم وذراعه لحظة القوة؛ يشار إليه بالحرف M.

تكون الرافعة في حالة توازن تحت تأثير قوتين إذا كانت لحظة القوة التي تدور في اتجاه عقارب الساعة تساوي اللحظةالقوة التي تدور في عكس اتجاه عقارب الساعة.

هذه القاعدة تسمى حكم اللحظة ، يمكن كتابتها كصيغة:

M1 = M2

في الواقع ، في التجربة التي درسناها ، (الفقرة 56) كانت القوى المؤثرة تساوي 2 نيوتن و 4 نيوتن ، وكانت أكتافهم ، على التوالي ، 4 و 2 ضغوط رافعة ، أي أن لحظات هذه القوى هي نفسها عندما تكون الرافعة في حالة توازن.

يمكن قياس لحظة القوة ، مثل أي كمية فيزيائية. تُؤخذ لحظة القوة البالغة 1 نيوتن كوحدة من وحدات عزم القوة ، يبلغ الكتف منها بالضبط 1 متر.

هذه الوحدة تسمى نيوتن متر (N م).

تحدد لحظة القوة عمل القوة ، وتوضح أنها تعتمد في نفس الوقت على معامل القوة وعلى كتفها. في الواقع ، نحن نعلم بالفعل ، على سبيل المثال ، أن تأثير القوة على الباب يعتمد على كل من معامل القوة وعلى مكان تطبيق القوة. الباب أسهل في الدوران ، وكلما ابتعد عن محور الدوران يتم تطبيق القوة المؤثرة عليه. الجوز ، فمن الأفضل فك طويل مفتاح الربطمن القصير. كلما كان من الأسهل رفع دلو من البئر ، زاد طول مقبض البوابة ، وما إلى ذلك.

الروافع في التكنولوجيا والحياة اليومية والطبيعة.

قاعدة الرافعة (أو قاعدة اللحظات) تكمن وراء 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) ، حيث يحدث محور الدوران من خلال المسمار الذي يربط بين نصفي المقص. القوة العاملة F 1 هي القوة العضلية ليد الشخص الذي يضغط على المقص. قوة معارضة F 2 - قوة المقاومة لمثل هذه المادة المقطوعة بالمقص. اعتمادًا على الغرض من المقص ، يكون أجهزتهم مختلفة. مقص مكتبي مصمم لقص الورق ، له شفرات ومقابض طويلة بنفس الطول تقريبًا. لا يتطلب قطع الورق قوة كبيرة ، وهو 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 ولموازنتها ، يجب زيادة كتف القوة العاملة بشكل كبير. المزيد من الاختلاف بين طول المقابض ومسافة جزء القطع ومحور الدوران فيه قواطع للاسلاك(الشكل) ، مصمم لقطع الأسلاك.

الرافعات نوع مختلفالعديد من السيارات لديها. مقبض ماكينة الخياطة ، دواسات الدراجات أو فرامل اليد ، دواسات السيارة والجرارات ، مفاتيح البيانو كلها أمثلة على الرافعات المستخدمة في هذه الآلات والأدوات.

من أمثلة استخدام الروافع مقابض الرذائل وطاولات العمل ، الرافعة اله للثقبإلخ.

يعتمد عمل موازين الرافعة أيضًا على مبدأ الرافعة (الشكل). مقياس التدريب الموضح في الشكل 48 (ص 42) بمثابة ذراع متساوية . في المقاييس العشريةالذراع المعلق عليها الكأس مع الأوزان أطول بعشر مرات من الذراع التي تحمل الحمولة. هذا يبسط إلى حد كبير وزن الأحمال الكبيرة. عند وزن حمل على مقياس عشري ، اضرب وزن الأوزان في 10.

يعتمد جهاز الموازين لوزن عربات الشحن أيضًا على قاعدة الرافعة.

توجد الرافعات أيضًا في أجزاء مختلفة من جسم الحيوانات والبشر. هذه ، على سبيل المثال ، الذراعين والساقين والفكين. يمكن العثور على العديد من الرافعات في جسم الحشرات (بعد قراءة كتاب عن الحشرات وهيكل أجسامها) ، الطيور ، 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 ، ومحورها ثابت ، وعند رفع الأحمال لا ترتفع ولا تسقط (الشكل.

يمكن اعتبار الكتلة الثابتة بمثابة ذراع متساوي الذراع ، حيث تكون أذرع القوى مساوية لنصف قطر العجلة (الشكل): OA = OB = r. مثل هذه الكتلة لا تعطي مكاسب في القوة. ( F 1 = F 2) ، لكنه يسمح لك بتغيير اتجاه القوة. كتلة متحركة كتلة. المحور الذي يرتفع وينخفض ​​مع الحمل (الشكل). يوضح الشكل الرافعة المقابلة: ا- نقطة ارتكاز الرافعة ، OA- قوة الكتف صو OV- قوة الكتف F. منذ الكتف OV 2 مرات الكتف OAثم القوة F 2 مرات أقل قوة ص:

F = P / 2 .

هكذا، تعطي الكتلة المتحركة زيادة في القوة بمقدار مرتين .

يمكن أيضًا إثبات ذلك باستخدام مفهوم لحظة القوة. عندما تكون الكتلة في حالة توازن ، فإن لحظات القوى Fو صمتساوية مع بعضها البعض. لكن كتف القوة Fضعف قوة الكتف ص، مما يعني أن القوة نفسها F 2 مرات أقل قوة ص.

عادة ، من الناحية العملية ، يتم استخدام مزيج من كتلة ثابتة مع كتلة متحركة (الشكل). يتم استخدام الكتلة الثابتة للراحة فقط. إنه لا يعطي زيادة في القوة ، لكنه يغير اتجاه القوة. على سبيل المثال ، يسمح لك برفع حمولة أثناء الوقوف على الأرض. إنه مفيد لكثير من الناس أو العمال. ومع ذلك ، فإنه يعطي قوة مضاعفة أكثر من المعتاد!

المساواة في العمل عند استخدام آليات بسيطة. "القاعدة الذهبية" للميكانيكا.

تُستخدم الآليات البسيطة التي درسناها في أداء العمل في تلك الحالات عندما يكون من الضروري موازنة قوة أخرى بفعل قوة واحدة.

بطبيعة الحال ، السؤال الذي يطرح نفسه: إعطاء مكسب في القوة أو المسار ، ألا تعطي الآليات البسيطة مكسبًا في العمل؟ يمكن الحصول على إجابة هذا السؤال من التجربة.

بعد موازنة الرافعة بقوتين مختلفتين F 1 و F 2 (الشكل) ، اضبط الذراع في الحركة. اتضح أنه في نفس الوقت ، نقطة تطبيق قوة أصغر F 2 يقطع شوطا طويلا س 2 ، ونقطة تطبيق قوة أكبر F 1 - مسار أصغر س 1. بعد قياس هذه المسارات ووحدات القوة ، نجد أن المسارات التي اجتازتها نقاط تطبيق القوى على الرافعة تتناسب عكسًا مع القوى:

س 1 / س 2 = F 2 / F 1.

وهكذا ، بالعمل على الذراع الطويلة للرافعة ، فإننا نفوز بقوة ، لكن في نفس الوقت نخسر نفس المقدار في الطريق.

نتاج القوة Fفى الطريق سهناك عمل. تُظهر تجاربنا أن الشغل الذي تقوم به القوى المطبقة على الرافعة يساوي بعضها البعض:

F 1 س 1 = F 2 س 2 ، أي و 1 = و 2.

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

باستخدام الرافعة ، يمكننا الفوز بالقوة أو في المسافة. بالتصرف بالقوة على الذراع القصيرة للرافعة ، نكتسب المسافة ، لكننا نفقد القوة بنفس المقدار.

هناك أسطورة أن أرخميدس ، مسرورًا باكتشاف قاعدة الرافعة ، هتف: "أعطني نقطة ارتكاز ، وسوف أقلب الأرض!".

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

لرفع الأرض بمقدار 1 سم فقط ، يجب أن تصف الذراع الطويلة للرافعة قوسًا ذا أطوال هائلة. سيستغرق الأمر ملايين السنين لتحريك الطرف الطويل للرافعة على طول هذا المسار ، على سبيل المثال ، بسرعة 1 م / ث!

لا يعطي ربحا في العمل وكتلة ثابتة ،التي يسهل التحقق منها بالتجربة (انظر الشكل). طرق، نقاط مقبولةتطبيق القوات Fو F، هي نفسها ، نفس القوى ، مما يعني أن العمل هو نفسه.

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

هكذا، الحصول على مكاسب في القوة مرتين ، يخسرون مرتين في الطريق ، وبالتالي ، فإن الكتلة المتحركة لا تعطي ربحًا في العمل.

قرون من الممارسة أثبتت ذلك لا تعطي أي من الآليات مكاسب في العمل.يتم استخدام آليات مختلفة من أجل الفوز بقوة أو في الطريق ، اعتمادًا على ظروف العمل.

عرف العلماء القدماء بالفعل القاعدة المطبقة على جميع الآليات: كم مرة نفوز بالقوة ، وكم مرة نخسر في المسافة. سميت هذه القاعدة "القاعدة الذهبية" للميكانيكا.

كفاءة الآلية.

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

من 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 وبتحريك أجزائها الفردية. لذلك ، باستخدام كتلة متحركة ، عليك القيام بعمل إضافي على رفع الكتلة نفسها ، والحبل ، وتحديد قوة الاحتكاك في محور الكتلة.

مهما كانت الآلية التي نختارها ، فإن العمل المفيد الذي يتم إنجازه بمساعدتها هو دائمًا جزء من العمل الكلي. لذلك ، بالإشارة إلى العمل المفيد بالحرف Ap ، العمل الكامل (المستنفد) بالحرف Az ، يمكننا كتابة:

أب< Аз или Ап / Аз < 1.

نسبة العمل المفيد إلى عمل كامليسمى كفاءة الآلية.

الكفاءة هي الكفاءة.

الكفاءة = Ap / Az.

عادةً ما يتم التعبير عن الكفاءة كنسبة مئوية ويُشار إليها بالحرف اليوناني η ، ويُقرأ على النحو التالي:

η \ u003d Ap / Az 100٪.

مثال: كتلة 100 كجم معلقة من الذراع القصيرة للرافعة. لرفعه ، تم تطبيق قوة مقدارها 250 نيوتن على الذراع الطويلة. تم رفع الحمل 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.

إعطاء :

قرار :

η \ u003d Ap / Az 100٪.

العمل الكامل (المستهلك) Az = Fh2.

عمل مفيد Ап = Рh1

P \ u003d 9.8 100 كجم ≈ 1000 ن.

Ap \ u003d 1000 N 0.08 = 80 J.

Az \ u003d 250 N 0.4 م \ u003d 100 ج.

η = 80 جول / 100 ج 100٪ = 80٪.

إجابه : η = 80٪.

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

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

طاقة.

في المصانع والمصانع ، يتم تشغيل الأدوات والآلات بواسطة المحركات الكهربائية التي تستهلك طاقة كهربائية(ومن هنا الاسم).

زنبرك مضغوط (أرز) ، مستقيم ، يعمل ، يرفع حمولة إلى ارتفاع ، أو يجعل عربة تتحرك. لا يعمل الحمل غير المتحرك المرتفع فوق الأرض ، ولكن إذا انخفض هذا الحمل ، فيمكنه القيام بعمل (على سبيل المثال ، يمكنه دفع كومة إلى الأرض). كل جسم متحرك لديه القدرة على القيام بعمل. إذن ، كرة فولاذية A (الشكل) تتدحرج من مستوى مائل ، وتضرب a كتلة خشبيةب ، يحركها بعض المسافة. في القيام بذلك ، يتم العمل. إذا كان بإمكان جسم أو عدة أجسام متفاعلة (نظام من الأجسام) القيام بعمل ، يقال إن لديهم طاقة. طاقة - كمية مادية توضح العمل الذي يمكن أن يقوم به الجسم (أو عدة أجسام). يتم التعبير عن الطاقة في نظام SI في نفس وحدات العمل ، أي في جول. كلما زاد العمل الذي يمكن أن يقوم به الجسم ، زادت طاقته. عندما يتم العمل ، تتغير طاقة الجسم. العمل المنجز يساوي التغيير في الطاقة. الطاقة الكامنة والحركية. المحتملة (من خط العرض.الفاعلية - الاحتمال) تسمى الطاقة الطاقة ، والتي يتم تحديدها من خلال الموقف المتبادل بين الأجسام المتفاعلة وأجزاء الجسم نفسه. الطاقة الكامنة ، على سبيل المثال ، لها جسم مرتفع بالنسبة لسطح الأرض ، لأن الطاقة تعتمد على الموقع النسبي لها والأرض. وجاذبيتهم المتبادلة. إذا اعتبرنا أن الطاقة الكامنة لجسم ملقى على الأرض تساوي الصفر ، فإن الطاقة الكامنة لجسم مرفوع إلى ارتفاع معين سيتم تحديدها من خلال العمل الذي تقوم به الجاذبية عندما يسقط الجسم على الأرض. تشير إلى الطاقة الكامنة للجسم هن بسبب ه = أوالشغل كما نعلم يساوي حاصل ضرب القوة والمسار إذن أ = ف, أين F- قوة الجاذبية. 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. تمتلك مياه الأنهار التي تحتفظ بها السدود طاقة كامنة هائلة. عند السقوط ، يعمل الماء ، حيث يعمل على تحريك التوربينات القوية لمحطات الطاقة. تُستخدم الطاقة الكامنة لمطرقة لب جوز الهند (الشكل) في البناء لأداء أعمال دق الركائز. من خلال فتح الباب بنابض ، يتم العمل على تمديد (أو ضغط) الزنبرك. بسبب الطاقة المكتسبة ، فإن الزنبرك ، أو الانكماش (أو الاستقامة) ، يقوم بالعمل ، ويغلق الباب. تُستخدم طاقة الينابيع المضغوطة وغير الملتوية ، على سبيل المثال ، في ساعات المعصم ، وألعاب الساعة المختلفة ، وما إلى ذلك. يمتلك أي جسم مشوه مرن طاقة كامنة.يتم استخدام الطاقة الكامنة للغاز المضغوط في تشغيل المحركات الحرارية ، في آلات ثقب الصخور ، والتي تستخدم على نطاق واسع في صناعة التعدين ، في بناء الطرق ، وحفر التربة الصلبة ، إلخ. الطاقة التي يمتلكها الجسم نتيجة لحركته تسمى الطاقة الحركية (من اليونانية.سينما - الحركة) الطاقة. يُشار إلى الطاقة الحركية للجسم بالحرف هإلى. نقل المياه ، قيادة التوربينات لمحطات الطاقة الكهرومائية ، يستهلكها الطاقة الحركيةويقوم بالمهمة. يحتوي الهواء المتحرك أيضًا على طاقة حركية - الرياح. على ماذا تعتمد الطاقة الحركية؟ دعونا ننتقل إلى التجربة (انظر الشكل). إذا قمت بدحرجة الكرة A من ارتفاعات مختلفة ، فستلاحظ أنه كلما دحرجت الكرة أعلى ، زادت سرعتها وزادت من تقدم الشريط ، أي أنها تقوم بمزيد من العمل. هذا يعني أن الطاقة الحركية للجسم تعتمد على سرعته. بسبب السرعة ، تمتلك الرصاصة الطائرة طاقة حركية كبيرة. تعتمد الطاقة الحركية للجسم أيضًا على كتلته. لنقم بتجربتنا مرة أخرى ، لكننا سندحرج كرة أخرى - كتلة أكبر - من مستوى مائل. ستتحرك الكتلة B أكثر ، أي سيتم إنجاز المزيد من العمل. هذا يعني أن الطاقة الحركية للكرة الثانية أكبر من الأولى. كلما زادت كتلة الجسم والسرعة التي يتحرك بها ، زادت طاقته الحركية. من أجل تحديد الطاقة الحركية للجسم ، يتم تطبيق الصيغة: Ek \ u003d mv ^ 2/2 ، أين م- كتلة الجسم، الخامسهي سرعة الجسم. تستخدم الطاقة الحركية للأجسام في التكنولوجيا. كما ذكرنا من قبل ، فإن المياه التي يحتفظ بها السد لها طاقة كامنة كبيرة. عند السقوط من السد ، يتحرك الماء وله نفس الطاقة الحركية الكبيرة. إنه يقود توربينًا متصلًا بمولد تيار كهربائي. بسبب الطاقة الحركية للمياه ، يتم توليد الطاقة الكهربائية. طاقة الماء المتحرك هي أهمية عظيمةفي الاقتصاد الوطني. يتم استخدام هذه الطاقة من قبل محطات الطاقة الكهرومائية القوية. تعد طاقة المياه المتساقطة مصدر طاقة صديقًا للبيئة ، على عكس طاقة الوقود. جميع الأجسام في الطبيعة ، بالنسبة إلى القيمة الصفرية الشرطية ، لديها إما طاقة محتملة أو طاقة حركية ، وأحيانًا كلاهما. على سبيل المثال ، تمتلك الطائرة الطائرة طاقة حركية وطاقة كامنة بالنسبة للأرض. تعرفنا على نوعين من الطاقة الميكانيكية. سيتم النظر في أنواع أخرى من الطاقة (كهربائية ، داخلية ، إلخ) في أقسام أخرى من مقرر الفيزياء. تحويل نوع من الطاقة الميكانيكية إلى نوع آخر. إن ظاهرة تحول نوع من الطاقة الميكانيكية إلى نوع آخر ملائمة جدًا للملاحظة على الجهاز الموضح في الشكل. لف الخيط حول المحور ، ارفع قرص الجهاز. القرص المرفوع به بعض الطاقة الكامنة. إذا تركته ، فسوف يدور ويسقط. مع سقوطه ، تقل الطاقة الكامنة للقرص ، ولكن في نفس الوقت تزداد طاقته الحركية. في نهاية السقوط ، يمتلك القرص احتياطيًا من الطاقة الحركية بحيث يمكنه الارتفاع مرة أخرى تقريبًا إلى ارتفاعه السابق. (يتم إنفاق جزء من الطاقة في العمل ضد الاحتكاك ، لذلك لا يصل القرص إلى ارتفاعه الأصلي.) بعد أن يرتفع القرص ، ينخفض ​​مرة أخرى ، ثم يرتفع مرة أخرى. في هذه التجربة ، عندما يتحرك القرص لأسفل ، يتم تحويل طاقته الكامنة إلى طاقة حركية ، وعند التحرك لأعلى ، تتحول الطاقة الحركية إلى جهد. يحدث تحول الطاقة أيضًا من نوع إلى آخر عندما يضرب جسمان مرنان ، على سبيل المثال ، كرة مطاطية على الأرض أو كرة فولاذية على لوح فولاذي. إذا رفعت كرة فولاذية (أرز) فوق لوح فولاذي وحررته من يديك ، فسوف تسقط. عندما تسقط الكرة ، تقل طاقتها الكامنة ، وتزداد طاقتها الحركية ، مع زيادة سرعة الكرة. عندما تصطدم الكرة باللوحة ، سيتم ضغط كل من الكرة واللوحة. ستتحول الطاقة الحركية التي تمتلكها الكرة إلى الطاقة الكامنة للوحة المضغوطة والكرة المضغوطة. بعد ذلك ، وبسبب تأثير القوى المرنة ، ستأخذ اللوحة والكرة شكلهما الأصلي. سترتد الكرة عن اللوحة ، وستتحول طاقتها الكامنة مرة أخرى إلى الطاقة الحركية للكرة: سترتد الكرة بسرعة تقارب سرعة متساويةالتي كان يمتلكها في لحظة التأثير على اللوحة. مع ارتفاع الكرة ، تنخفض سرعة الكرة ، وبالتالي طاقتها الحركية ، وتزداد الطاقة الكامنة. ترتد الكرة عن اللوحة ، وترتفع إلى نفس الارتفاع تقريبًا الذي بدأت منه في السقوط. في قمة الصعود ، ستتحول كل طاقته الحركية مرة أخرى إلى طاقة كامنة. عادة ما تكون الظواهر الطبيعية مصحوبة بتحويل نوع من الطاقة إلى نوع آخر. يمكن أيضًا نقل الطاقة من جسم إلى آخر. لذلك ، على سبيل المثال ، عند إطلاق النار من القوس ، يتم تحويل الطاقة الكامنة في الوتر الممتد إلى الطاقة الحركية لسهم طائر.