Динаміка - Курс фізики Караклоуна - Сила - Робота - Енергія - Потужність - Ефективність
Сила, символ F, є причиною, здатною спричинити ефект: зміщення або деформацію тіла. Він представлений або значенням: його інтенсивність, або вектором (див. Розділ "Вектор"). У випадку сили, яка діє на тіло, щоб прискорити його, сила дорівнює масі, помноженій на прискорення, яке зазнає маса:
Одиниці:
Для F - сила, одиниця: ньютон, N
Для m - маса, одиниця: кілограм, кг
Для a, прискорення, одиниця: [?]
Тож давайте знайдемо одиниці прискорення з його визначення: прискорення являє собою зміну швидкості, що вимірюється в метрах за секунду, за певний проміжок часу t, вимірюється в секундах, і формулюється:
Офіційні одиниці згідно з міжнародною системою (SI):
Для V - швидкість, одиниця виміру: метри в секунду, м/с
Для t, часу, одиниці: друга, s
Щоб знайти одиниці прискорення, скористаємось тією ж формулою вище:
одиниця виміру a = (m/s)/s = m/s s = m/s2
Отже, одиницями прискорення є метри на квадратну секунду.
У цій главі йдеться про динаміку, тобто про фізичні величини (силу, енергію, потужність), які створюють рух. Щоб зрозуміти різницю зі статичною силою, давайте подивимось на вазу періоду Мін:
Статичний футляр, приклад вази Мін, поставленої на стіл:
Ваза піддається впливу сили тяжіння або земного тяжіння. Він залишається нерухомим, оскільки сила реакції (опори) столу точно компенсує цю силу тяжіння. Нерухома ваза => система в рівновазі (див. Розділ Маса кота). Тут g - земне прискорення, яке не викликає руху на вазі, хоча невагомість продовжує діяти на неї, надаючи їй ваги.
Динамічний випадок, вертикальне зміщення, приклад вільного падіння:
Тут g викликає рух вази, що прискорюється, коли її випускають у вакуум. Це прискорюється до тих пір, поки сили тертя повітря, які уповільнюють його падіння, не компенсують силу тяжіння. Приблизно через t = 10 с досягається максимальна швидкість: v = приблизно 150 км/год. Ваза продовжує падати з постійною швидкістю, хоча вона все ще піддається прискоренню. Отримана, тобто сума сил дорівнює нулю. Система в рівновазі. Прискорення g більше не призводить до збільшення швидкості, оскільки невагомість компенсується тертям. Зверніть увагу, що якби на Землі не було атмосфери, а значить і сили тертя, ваза продовжувала б прискорюватися.
Динамічний корпус: горизонтальне зміщення, зумовлене рушійною силою:
Коли сила діє на тіло і рухає його, воно виконує Ш-роботу. Ця робота є добутком інтенсивності сили в напрямку переміщення на довжину переміщення. Приклад роботи під час канікул.
Посилання.
Одиниці:
Для W - робота сили під час переміщення, одиниця: джоуль, Дж
Для F - інтенсивність сили в напрямку переміщення, одиниця: ньютон, N
Для d - відстань, на яку діє сила, одиниця: метр, м
Робота пропорційна силі та переміщенню. У разі відсутності подорожі, d = 0 => W = 0, роботи під час канікул немає.
Приклад 1:
Чоловік тягне візок 10 м під кутом а 20 градусів із силою 6 Н. Можна виміряти, що працює лише сила 5,5 Н і рухає візок. Досить зробити малюнок у масштабі (див. Розділ Момент сили, Мозковий штурм 1):
Приклад 2:
З силою Ftotale = 10 Н, людина тягне 10 м, під кутом бета 45 градусів, візок, що біжить по рейках. Можна виміряти, що лише сила 7 Н працює і рухає каретку. Просто зробіть малюнок у масштабі:
Приклад 3:
Транспортний засіб масою m витягується на відстань d з прискоренням a .
Ця сила розтягування дорівнює масі, помноженій на прискорення: F = m a
Знаючи, що робота цієї сили дорівнює W = F d, тоді W = m a d
Приклад 4:
Робота сили на вертикальне переміщення. Сила тяги змушує масу підніматися з висотою h завдяки шківу:
Щоб подолати силу гирі, яка варта Fp = m · g, тоді Ftraction = m · g
Зміщення перевищує не горизонтальну відстань, а висоту h, тому робота сили розтягу:
В основі концепції праці лежить поняття руху проти опору. Опір може створюватися силою (сила тяжіння, тертя…) або за інерцією. Робота над тілом дозволяє подолати цей опір, привести його в рух, тримати в русі або навіть модифікувати його рух. І в кожному випадку робота викликає коливання енергії.
1) Робота рушійної сили проти інерції прискорює тіло. Це призводить до збільшення кінетичної енергії тіла, що рухається (прискорення автомобіля, тяга вантажу).
2) Робота сили, що діє проти сили тяжіння, дозволяє тілу переміщатись у вище положення. Це призводить до збільшення потенційної гравітаційної енергії переміщеного тіла. Приклад: наші м’язи дозволяють нам піднятися на гору, подолати силу тяжіння і збільшити нашу потенційну енергію, яка відновиться при спуску.
Визначення: Енергія - це сила виробництва праці
Отже, енергія = робота, а отже, енергія = зміщення сили
У разі тіла, наділеного швидкістю, ця енергія називається кінетичною енергією. Ось як його розрахувати:
У випадку з тілом, розміщеним на висоті. Ця отримана енергія називається потенційною енергією:
Коли тіло знаходиться в полі гравітації, наприклад, на Землі, воно може впасти. Це падіння потенціалу відповідає формі енергії, що зберігається в об'єкті: потенційна енергія гравітації. Це звільняється, коли об’єкт опускається в нижнє положення і відповідає роботі, яка потрібна для підняття тіла на початкову висоту.
Інші форми енергії:
- потенційна енергія деформації (розтягнута пружина).
- хімічна енергія (повітряно-бензинова суміш для двигунів внутрішнього згоряння).
- сонячна (випромінювання), ядерна (синтез або поділ атомів), електрична (витіснення електрона) енергія.
Ці різні типи енергії можуть трансформуватися. Наприклад:
Хімічна енергія повітряно-бензинової суміші вибухом перетворюється на кінетичну енергію (рух транспортного засобу).
Людина завжди намагалася скористатися природними ресурсами для вирішення проблем переміщення важких предметів. Наприклад, використовуючи власні м’язи, м’язи тварин, вітер (млин, вітрильники), вугілля (локомотиви), нафта (автомобілі). Ці природні ресурси зазвичай називають "джерелами енергії".
Ось безмежне джерело енергії в наш час, ми знаходимо його скрізь:
Посилання.
Енергія, що міститься в частуванні:
Для 6 квадратів шоколаду: 580 кДж (або 140 ккал, оскільки 1 кал = 4 Дж, приблизно, тобто 1 Дж = 0,25 кал), тоді енергія квадрата: приблизно 100 кДж
Якщо припустити, що 100% цієї енергії витрачається на підйом по сходах, скільки метрів може піднятися людина вагою 60 кг? ?
Епотенціал = m g h => h = Ep/m g
h = 100 кДж/60 10 = 166 м
Насправді, частина цієї енергії використовується для виробництва тепла для тіла в стані спокою. Крім того, під час м’язових зусиль м’яз нагрівається.
Тому вся енергія шоколаду не перетворюється в механічну форму.
Одиниці:
Для P - потужність, одиниця виміру: Вт, Вт
Для Е - енергія, яка діє протягом часу t, одиниця: джоуль, Дж
Для t - час, протягом якого діє енергія, одиниця виміру: секунда, с
Давайте тимчасово залишимо динаміку, щоб розкрити дужки і спостерігати за тепловою формою енергії та енергії, що зобов'язує екологія:
С
Q: теплова енергія (тепло), виміряна в джоулях [Дж]
P: теплова потужність у ватах [Вт]. Якщо ця потужність проходить крізь стіну, проводячи від теплішої сторони до охолоджувача, це називається передачею тепла або тепловим потоком. У випадку тіла, яке випромінює випромінювання (сонце або будь-яке тіло з температурою> 0 ° K), ми говоримо про потужність випромінювання або випромінювання.
На малюнку нижче сонце випромінює сияючу силу, яка нагріває зовнішню поверхню стіни будинку. Температура стіни підвищується, тому вона отримує теплову енергію (одиниця Джоуля), яка буде проходити крізь стіну шляхом провідності, створюючи, таким чином, тепловий потік (одиниця Ват) протягом певного часу, який спрямовується у внутрішню частину будинку. Якщо температура зовнішньої грані становить 35 градусів, ми бачимо тут, що температура внутрішньої грані становить 20 градусів. Стіна діє як тепловий опір потоку тепла. Це йде з теплішої сторони на більш холодну, тому влітку, загалом, ззовні всередину; а взимку взагалі - зсередини назовні. Чим більший тепловий опір стіни, тим складніше циркулювати теплові потоки, а отже, тим менша теплова потужність, яка проходить через стіну (менші теплові втрати).
Порядок величини теплової потужності, що виробляється котлом:
Вілла або невелика будівля: Потужність від 10 000 до 100 000 [Вт]. Велика будівля: Потужність приблизно 1 000 [кВт]
Як тільки ця потужність передається в будівлю шляхом розподілу опалювальної та санітарної мережі, пропорційно ефективності роботи котла, вона набуває форми теплового потоку. Це, після загартування будівлі, розвіється в навколишньому середовищі, головним чином шляхом:
- Конвекція через огородження будівлі в контакті з повітрям (а також вентиляцією приміщень).
- Проведення через фундаменти, що контактують із землею.
- Випромінювання, у вигляді інфрачервоного випромінювання з оболонки.
Зрештою, весь тепловий потік, розподілений у будівлі, буде розсіюватися в навколишнє середовище. З іншого боку, чим більше конверт буде добре утеплений, тим меншим буде рівень цієї втрати. Гідравлічна аналогія: щоб підтримувати однакову кількість води (тепла) у тріщинній капаючій чаші, її доведеться подавати (котел) з таким самим потоком (введена теплова потужність), як і течі (втрати тепла).
Розрахуйте теплову енергію, яку виробляє котел протягом 24 годин:
Відповідно до наведеної вище формули для невеликої будівлі:
P = E/t, отже, E котел = P t = 100 кВт 24 год = 2400 кВт-год
Ооопсс! Хіба ми не говорили, що одиниця часу є другою? Насправді в галузі теплотехнічного будівництва практичніше використовувати години, оскільки розрахунки проводяться протягом тривалих періодів. Тарифи на електроенергію обчислюються в кВт-год.
Щоб отримати уявлення про порядок величини цієї енергії, 2400 кВт-год, візьмемо лампочку потужністю 100 Вт, яка світить протягом 24 годин, і обчислимо спожиту енергію:
E лампочка = P t = 100 Вт 24 год = 2400 Втч = 2,4 кВт-год
Ми маємо відношення 1000 між цими двома енергіями. Тому для обігріву невеликої будівлі знадобиться енергія, яка запалює 1000 лампочок !
Екран телевізора споживає приблизно P = 30 Вт. Якщо його вимкнути протягом 4 годин на день протягом року:
E tele = P t = 30 Вт 365 д 4 год = 44 кВт-год
Якщо вартість електроенергії становить 10 центів за кВт-год, річний рахунок складе 44 кВт-год × 0,1 Frs = 4,4 Frs
Це порівняно дешево порівняно з іншими споживчими товарами громадянина (бензин, їжа ...). Настільки краще для низьких доходів, але дуже погано для відновлюваних джерел енергії, які не можуть конкурувати з цими низькими цінами (за винятком електроенергії з дамб). Наприклад, сонячна установка на даху Palexpo, яка представляє інвестиції в 15 мільйонів франків, постачає електроенергію на ринок вартістю 33 центи за кіловат-годину (Довідка).
Давайте закриємо цю теплову дужку.
Енергія зберігається і перетворюється з однієї форми в іншу. З цієї точки зору втрат ніколи не буває. Однак, шукаючи конкретну форму енергії, нічого не можна сказати про те, що трансформація працює на 100%. Наприклад, двигун внутрішнього згоряння перетворює хімічну енергію (бензин) для отримання кінетичної енергії (рух автомобіля). Насправді більша частина енергії в бензині «втрачається» у вигляді теплової енергії.
Ефективність - це число без одиниці, значення якого знаходиться між 1 (для ідеального перетворення) та 0 (якщо вся енергія розсіюється). Однак часто це виражається у відсотках (від 0% до 100%).
електричний мотор
бензиновий двигун
«нитка розжарення»
"економ" цибулина
електронагрівач
гідроелектростанція
атомна електростанція
електрична батарея