Кпд простого механизма всегда меньше 100 потому что

помогитн решить 2 вопроса

1Всегда меньше 100%, потому что не существует совершенных механизмов трансформации и передачи энергии. Всегда существуют какие-нибудь потери. При вращении, например, детали трутся друг о друга и нагреваются. Этот нагрев происходит за счет того, что тратится часть энергии на преодоление силы трения.
2
А) на мяч действовала сила притяжения к Земле во время его движения и вверх и вниз
б) причиной является сила притяжения к земле она направлена вниз поэтому при движении мяча его скорость уменьшалась а при движении вниз ускорялась

Похожие вопросы

Простые механизмы. Коэффициент полезного действия простых механизмов

В этом видеоуроке мы вспомним, какие механизмы в физике называют простыми. Выясним, можно ли с помощью простых механизмов получить выигрыш в силе. Сформулируем «золотое правило механики». А также поговорим о коэффициенте полезного действия простых механизмов.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ

Конспект урока «Простые механизмы. Коэффициент полезного действия простых механизмов»

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о механической работе — физической величине, которая характеризует процесс перемещения тела под действием силы. Для облегчения совершения механической работы издавна используются различные приспособления — простые механизмы.

Простые механизмы — это устройства, в которых работа совершается только за счёт механической энергии.

Нас окружают устройства, работающие за счёт электроэнергии, за счёт энергии сгорания топлива и так далее. Но так было не всегда. В давние времена практически всю работу выполняли руками или с помощью животных, за счёт ветра или течения воды, то есть за счёт механической энергии. А помогали в этом простые механизмы.

К простым механизмам относятся: рычаг и его разновидности — блок и ворот; наклонная плоскость и её разновидности — клин и винт.

В большинстве случаев простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить силу, действующую на тело, в несколько раз. Ведь наши мускульные силы ограничены. Мы, например, не можем за один раз поднять и перенести с одного места на другое поддон кирпичей. Зато мы можем потратить больше времени, пройти большее расстояние туда-сюда и перенести кирпичи по несколько штук за один подход.

Таким образом, простые механизмы служат для преобразования силы. Их применяют при совершении работы в тех случаях, когда надо действием одной силы уравновесить другую силу.

Одним из наиболее распространённых простых механизмов является рычаг. Именно он позволяет малой силой уравновесить большую. Итак, рычагом является любое твёрдое тело, которое может поворачиваться относительно неподвижной оси или опоры под действием сил. Различают рычаги первого и второго рода.

Рычагом первого рода называют рычаг, ось вращения которого расположена между точками приложения сил, а сами силы направлены в одну сторону. Это коромысло равноплечих весов, железнодорожный шлагбаум, ножницы и так далее.

Рычаг второго рода — это рычаг, ось вращения которого расположена по одну сторону от точек приложения сил, а сами силы направлены противоположно друг другу. Это гаечные ключи, щипцы для раскалывания орехов, двери и прочее.

А теперь давайте проведём такой опыт. Возьмём небольшую доску длиной один метр и поместим её на неподвижную опору ровно посередине. На расстоянии в 0,25 м от опоры поставим гирю весом 14 Н.

Надавим на свободный конец рычага динамометром и поднимем гирю, установив рычаг горизонтально. Странно, динамометр у нас показывает силу примерно в 7 Н. Почему же неравные силы, приложенные к рычагу, удерживают его в равновесии? Правильно, потому, что результат действия силы на рычаг определяется не только её модулем, но и длиной плеча.

Давайте вспомним, что плечом силы называется кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия этой силы. Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы. Длина этого перпендикуляра и будет плечом данной силы.

Изобразим схему проведённого опыта. Итак, кроме сил F₁ и F₂, плечи которых равны соответственно l₁ и l₂, на рычаг действуют ещё две: сила тяжести рычага и сила упругости опоры. Однако, как мы видим, плечи этих сил равны нулю. Поэтому они на равновесие рычага не влияют.

А теперь давайте сравним силы F₁ и F₂ и их плечи:

Нетрудно заметить, что сила F₂ в два раза меньше силы F₁. Но вот её плечо в два раза больше. Если бы мы смогли увеличить плечо силы F₂ в два, три или десять раз, то модуль этой силы уменьшился бы во столько же раз. Но самое интересное в том, что для данного рычага произведение модуля силы на её плечо осталось бы неизменным:

Это произведение называется моментом силы (иногда его называют ещё вращающим или крутящим моментом):

Единица измерения — ньютон, умноженный на метр:

Мы не зря в формуле поставили знак «плюс-минус». Дело в том, что принято считать: если сила стремится повернуть рычаг по ходу часовой стрелки, то момент этой силы положительный, а если против — отрицательный.

А теперь давайте рассчитаем момент силы F₁:

Как видим, момент этой силы равен моменту силы F₂. Из этого мы с вами можем сделать важный вывод: рычаг под действием двух создающих моменты сил находится в равновесии в том случае, если момент силы, вращающей рычаг по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей рычаг против часовой стрелки:

Все сделанные выводы справедливы и для рычага второго рода.

А возможно ли равновесие рычага, когда на него действуют несколько (больше двух) сил? Конечно, возможно. Но для этого необходимо, чтобы алгебраическая сумма моментов всех сил, вращающих рычаг как по ходу часовой стрелки, так и против него, была равна нулю:

Ещё одним простым механизмом, служащим для поднятия грузов, является блок. Блок — колесо с жёлобом, укреплённое в обойме. По жёлобу блока пропускают верёвку, трос или цепь.

Принято различать два вида блоков — подвижный и неподвижный.

Неподвижным блоком называют такой блок, ось которого закреплена и при подъёме грузов не поднимается и не опускается.

Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычаг первого рода, у которого плечи сил равны радиусу колеса. Тогда из условия равновесия рычага следует, что неподвижный блок не даёт выигрыша в силе. Однако он изменяет её направление.

Встаёт вопрос: зачем применять неподвижный блок, если выигрыша в силе нет? Ведь в этом случае для подъёма груза можно было бы использовать любую перекладину.

Можно, но проигрышно, так как придётся преодолевать силу трения скольжения верёвки по перекладине, которая значительно больше силы трения качения в подшипнике блока.

Теперь рассмотрим подвижный блок, то есть блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом.

Итак, подвесим к блоку груз весом 6 Н. Один конец перекинутой через блок нити закрепим, а за другой будем равномерно поднимать груз. Динамометр показывает, что прилагаемая к концу верёвки сила равна примерно 3 Н, то есть в два раза меньше веса груза. Значит, подвижный блок даёт выигрыш в силе в два раза. Вспомним, как это объясняется.

Итак, для удобства будем считать, что блок у нас идеальный — невесом и в нём отсутствуют силы трения. Тогда на блок будут действовать: вес груза и силы упругости нити (причём сила Т₂ равна по модулю силе, поднимающей груз).

При движении груза наш блок поворачивается относительно мгновенной оси О. Значит подвижный бок можно рассматривать, как рычаг второго рода и к нему можно применить правило моментов.

Из рисунка видно, что плечо силы Р равно радиусу блока, а плечо силы F — его диаметру:

Тогда из правила моментов следует, что сила, прикладываемая для подъёма груза, в два раза меньше веса этого груза:

Значит, подвижный блок даёт выигрыш в силе в два раза.

Мы видим, что с помощью простых механизмов можно получить выигрыш в силе. Но дают ли простые механизмы выигрыш в работе?

Давайте рассчитаем работу, которую совершает сила при равномерном подъёме груза на высоту h с помощью гладкой наклонной плоскости длиной l.

Итак, на груз действуют три силы: сила тяги, направленная вдоль плоскости, сила тяжести и сила нормальной реакции опоры.

Запишем основное уравнение динамики в общем виде:

Направим ось Ox вдоль наклонной плоскости в сторону перемещения груза и спроецируем второй закон Ньютона на эту ось:

Из полученного равенства выразим силу F и при этом учтём, что синус угла наклона плоскости равен отношению высоты плоскости к её длине:

То есть для равномерного поднятия груза с помощью наклонной плоскости необходимо приложить силу, во столько раз меньшую силы тяжести груза, во сколько раз длина наклонной плоскости больше её высоты.

Теперь вспомним, что работа равна произведению модуля силы на модуль перемещения и на косинус угла между направлением вектора силы и вектора перемещения (в нашем случае последний множитель равен единице, так как направления векторов силы и перемещения совпадают):

Подставим в записанное равенство выражение для силы тяги, найденное нами ранее:

После упрощения получим, что работа приложенной к грузу силы F равна работе, которую нужно совершить, чтобы равномерно поднять груз на высоту h, не используя наклонной плоскости.

Аналогично можно показать, что не дают выигрыша в работе ни рычаги, ни блоки.

Ещё древние учёные сформулировали правило («золотое правило механики»), применяемое ко всем механизмам: во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии:

При рассмотрении простых механизмов мы не учитываем трение, а также вес самих механизмов. В реальных условиях это необходимо учитывать. Поэтому часть работы совершается силой на перемещение отдельных частей механизма и против силы трения. Работа же по подъёму груза (полезная работа (А_п)) будет меньше полной работы (А), совершённой силой, приложенной к механизму.

Эффективность работы механизма характеризуют коэффициентом полезного действия (КПД механизма).

Коэффициент полезного действия — это физическая величина, равная отношению полезной работы ко всей затраченной работе:

Так как полезная работа всегда (подчёркиваем, всегда) меньше совершённой, то КПД механизма всегда меньше 100 %.

Чтобы увеличить КПД, необходимо уменьшить трение и массу простого механизма. Тогда уменьшится совершённая работа, приблизившись к полезной работе. А КПД будет стремиться к 100 %.

Объясните, почему КПД простого механизма всегда меньше 100%

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

поделиться знаниями или
запомнить страничку

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,511
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

• Обратная связь
• Правила сайта

Коэффициент полезного действия (КПД)

Любой механизм хочется оценить с точки зрения его пользы. Важно же понять, хорошо он выполняет свою функцию или нет. Для этого нужно такое понятие, как КПД.

· Обновлено 23 июня 2023

КПД: понятие коэффициента полезного действия

Представьте, что вы пришли на работу в офис, выпили кофе, поболтали с коллегами, посмотрели в окно, пообедали, еще посмотрели в окно — вот и день прошел. Если вы не сделали ни одного дела по работе, то можно считать, что ваш коэффициент полезного действия равен нулю.

В обратной ситуации, когда вы сделали все запланированное — КПД равен 100%.

По сути, КПД — это процент полезной работы от работы затраченной.

Вычисляется по формуле:

Формула КПД

η = (A_{полезная}/A_{затраченная}) · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

A_{полезная} — полезная работа [Дж]

A_{затраченная} — затраченная работа [Дж]

Есть такое философское эссе Альбера Камю «Миф о Сизифе». Оно основано на легенде о неком Сизифе, который был наказан за обман. Его приговорили после смерти вечно таскать огромный булыжник вверх на гору, откуда этот булыжник скатывался, после чего Сизиф тащил его обратно в гору. То есть он делал совершенно бесполезное дело с нулевым КПД. Есть даже выражение «Сизифов труд», которое описывает какое-либо бесполезное действие.

Давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень с горы не скатился. Тогда, во-первых, Камю бы не написал об этом эссе, потому что никакого бесполезного труда не было. А во-вторых, КПД в таком случае был бы не нулевым.

Полезная работа в этом случае равна приобретенной булыжником потенциальной энергии. Потенциальная энергия прямо пропорционально зависит от высоты: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. То есть, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше потенциальная энергия, а значит и полезная работа.

Потенциальная энергия

Е_п = mg

Е_п — потенциальная энергия [Дж]

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g ≃ 9,8 м/с 2

Затраченная работа здесь — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.

Механическая работа

А = FS

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная?

Все очень просто! Задаем два вопроса:

1. За счет чего происходит процесс?
2. Ради какого результата?

В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы). Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.

Узнай, какие профессии будущего тебе подойдут
10 минут — и ты разберёшься, как стать тем, кем захочешь

КПД в механике

Главный секрет заключается в том, что эта формула подойдет для всех видов КПД.

Не отбрасываем!

Если КПД получился больше 100 — идем проверять на ошибки. Такое может получиться, если неправильно подставили в формулу или перепутали затраченную и полезную работу.

η = (A_{полезная}/A_{затраченная}) · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

A_{полезная} — полезная работа [Дж]

A_{затраченная} — затраченная работа [Дж]

Дальше мы просто заменяем полезную и затраченную работы на те величины, которые ими являются.

Давайте разберемся на примере задачи.

Задача

Чтобы вкатить санки массой 4 кг в горку длиной 12 метров, мальчик приложил силу в 15 Н. Высота горки равна 2 м. Найти КПД этого процесса. Ускорение свободного падения принять равным g ≃9,8 м/с 2

Запишем формулу КПД.

Теперь задаем два главных вопроса:

Ради чего все это затеяли?

Чтобы санки в горку поднять — то есть ради приобретения телом потенциальной энергии. Значит в данном процессе полезная работа равна потенциальной энергии санок.

Потенциальная энергия

Е_п = mg

Е_п — потенциальная энергия [Дж]

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g ≃ 9,8 м/с 2

За счет чего процесс происходит?

За счет мальчика, он же тянет санки. Значит затраченная работа равна механической работе

Механическая работа

А = FS

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

Заменим формуле КПД полезную работу на потенциальную энергию, а затраченную — на механическую работу:

η = E_п/A · 100% = mgh/FS · 100%

η = 4 · 9,8 · 2/15 · 12 · 100% = 78,4/180 · 100% ≃ 43,6 %

Ответ: КПД процесса приблизительно равен 43,6%

Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Выберите идеального репетитора по физике
15 000+ проверенных преподавателей со средним рейтингом 4,8. Учтём ваш график и цель обучения

КПД в термодинамике

В термодинамике КПД — очень важная величина. Она полностью определяет эффективность такой штуки, как тепловая машина.

• Тепловой двигатель (машина) — это устройство, которое совершает механическую работу циклически за счет энергии, поступающей к нему в ходе теплопередачи.

Схема теплового двигателя выглядит так:

У теплового двигателя обязательно есть нагреватель, который (не может быть!) нагревает рабочее тело, передавая ему количество теплоты Q₁ или Q_{нагревателя} (оба варианта верны, это зависит лишь от учебника, в котором вы нашли формулу).

• Рабочее тело — это тело, на котором завязан процесс (чаще всего это газ или топливо). Оно расширяется при подводе к нему теплоты и сжимается при охлаждении. Часть переданного Q₁ уходит на механическую работу A. Из-за этого производится движение.

Оставшееся количество теплоты Q₂ или Q_{холодильника} отводится к холодильнику, после чего возвращается к нагревателю и процесс повторяется.

КПД такой тепловой машины будет равен:

КПД тепловой машины

η = (A_{полезная}/Q_{нагревателя}) · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

A_{полезная} — полезная работа (механическая) [Дж]

Q_{нагревателя} — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж]

Если мы выразим полезную (механическую) работу через Q_{нагревателя} и Q_{холодильника}, мы получим:

A = Q_{нагревателя} — Q_{холодильника}.

Подставим в числитель и получим такой вариант формулы.

КПД тепловой машины

η = Q_{нагревателя} − Q_{холодильника}/Q_{нагревателя} · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Q_{нагревателя} — количество теплоты, полученное от нагревателя [Дж]

Q_{холодильника} — количество теплоты, отданное холодильнику [Дж]

А возможно ли создать тепловую машину, которая будет работать только за счет охлаждения одного тела?

Точно нет! Если у нас не будет нагревателя, то просто нечего будет передавать на механическую работу. Любой такой процесс — когда энергия не приходит из ниоткуда — означал бы возможность существования вечного двигателя.

Поскольку свидетельств такого процесса в мире не существует, то мы можем сделать вывод: вечный двигатель невозможен. Это второе начало термодинамики.

Запишем его, чтобы не забыть:

Невозможно создать периодическую тепловую машину за счет охлаждения одного тела без изменений в других телах.

Задача

Найти КПД тепловой машины, если рабочее тело получило от нагревателя 20кДж, а отдало холодильнику 10 кДж.

Решение:

Возьмем формулу для расчета КПД:

η = Q_{нагревателя} − Q_{холодильника}/Q_{нагревателя} · 100%

Решать будем в системе СИ, поэтому переведем значения из килоджоулей в джоули и затем подставим в формулу:

η = 20 000 − 10 000/20 000 · 100% = 50%

Ответ: КПД тепловой машины равен 50%.

Идеальная тепловая машина: цикл Карно

Давайте еще чуть-чуть пофантазируем: какая она — идеальная тепловая машина. Кажется, что это та, у которой КПД равен 100%.

На самом деле понятие «идеальная тепловая машина» уже существует. Это тепловая машина, у которой в качестве рабочего тела взят идеальный газ. Такая тепловая машина работает по циклу Карно. Зависимость давления от объема в этом цикле выглядит следующим образом

А КПД для цикла Карно можно найти через температуры нагревателя и холодильника.

КПД цикла Карно

η = T_{нагревателя} − T_{холодильника} / T_{нагревателя} · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

T_{нагревателя} — температура нагревателя [Дж]

T_{холодильника} — температура холодильника [Дж]

КПД в электродинамике

Мы каждый день пользуемся различными электронными устройствами: от чайника до смартфона, от компьютера до робота-пылесоса — и у каждого устройства можно определить, насколько оно эффективно выполняет задачу, для которой оно предназначено, просто посчитав КПД.

КПД

η = (A_{полезная}/A_{затраченная}) · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

A_{полезная} — полезная работа [Дж]

A_{затраченная} — затраченная работа [Дж]

Для электрических цепей тоже есть нюансы. Давайте разбираться на примере задачи.

Задачка, чтобы разобраться

Найти КПД электрического чайника, если вода в нем приобрела 22176 Дж тепла за 2 минуты, напряжение в сети — 220 В, а сила тока в чайнике 1,4 А.

Решение:

Цель электрического чайника — вскипятить воду. То есть его полезная работа — это количество теплоты, которое пошло на нагревание воды. Оно нам известно, но формулу вспомнить все равно полезно ��

Количество теплоты, затраченное на нагревание

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг · ˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

Работает чайник, потому что в розетку подключен. Затраченная работа в данном случае — это работа электрического тока.

Работа электрического тока

A = (I 2 ) · Rt = (U 2 )/R · t = UIt

A — работа электрического тока [Дж]

U — напряжение [В]

R — сопротивление [Ом]

То есть в данном случае формула КПД будет иметь вид:

η = Q/A · 100% = Q/UIt · 100%

Переводим минуты в секунды — 2 минуты = 120 секунд. Теперь нам известны все значения, поэтому подставим их:

η = 22176/220 · 1,4 · 120 · 100% = 60%

Ответ: КПД чайника равен 60%.

Давайте выведем еще одну формулу для КПД, которая часто пригождается для электрических цепей, но применима ко всему. Для этого нужна формула работы через мощность:

Работа электрического тока

A — работа электрического тока [Дж]

Подставим эту формулу в числитель и в знаменатель, учитывая, что мощность разная — полезная и затраченная. Поскольку мы всегда говорим об одном процессе, то есть полезная и затраченная работа ограничены одним и тем же промежутком времени, можно сократить время и получить формулу КПД через мощность.

КПД

η = P_{полезная}/P_{затраченная} · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

P_{полезная} — полезная мощность [Дж]

P_{затраченная} — затраченная мощность [Дж]

Стратегия будущего для вашего ребёнка

Практический курс для родителей от Оксаны Самойловой и Skysmart. Расскажем, чему учить детей, чтобы они стали успешными.