- Главная
- Справочник
- Физика
Для того чтобы характеризовать скорость с которой совершается работа ($A$) используют понятие мощности (P), которую определяют как:
\[P=\frac{dA}{dt}\left(1\right),\]
выражение (1) — это мгновенная мощность.
Мгновенную мощность можно определить как:
\[P=\overline{F}\overline{v}\left(2\right),\]
где $\overline{F}$ — вектор силы, которая совершает работу; $\overline{v}$ — вектор скорости перемещения точки, к которой приложена сила $\overline{F}$.
Ватт — единица измерения мощности в системе СИ
Из определения мощности видно, что за единицу измерения мощности можно принять:
\[\left[P\right]=\frac{Дж}{с}.\]
Однако у единицы мощности есть собственное название: ватт — единица измерения мощности. Обозначается ватт как Вт. Мощность равна 1 Вт, если за одну секунду совершается работа равная одному джоулю. Необходимо отметить, что ватт — единица измерения мощности в Международной системе единиц (СИ). Ватт не является основной единицей измерения в системе СИ. Свое название ватт получил в честь изобретателя Дж. Ватта.
Ватт как единицу измерения мощности стали применять после 1882 года. До этого момента мощность рассчитывали в лошадиных силах или в фут-фунтах в минуту. В системе СИ ватт — единица измерения мощности, начиная с 1960 г (с момента принятия самой системы).
Используя определение мгновенной мощности (2), легко получить комбинацию основных единиц измерения, из которых получается ватт.
\[\left[P\right]=Н\cdot \frac{м}{с}=кг\cdot \frac{м}{с^2}\cdot \frac{м}{с}=кг\cdot \frac{м^2}{с^3}.\]
Определения (1) и (2) — это механические определения мощности. Выделим еще электрическую мгновенную мощность:
\[P=UI\ \left(3\right),\]
где $I$ — сила тока на некотором участке цепи; $U$ — напряжение на рассматриваемом участке. Ватт — единица измерения электрической мощности, при этом из определения (3), следует, что:
\[\left[P\right]=А\cdot B,\]
где $\left[I\right]=A$ (ампер); $\left[U\right]=B$ (вольт).
Основные понятия и законы динамики
Часть механики, изучающая причины, вызвавшие ускорение тел, называется динамикой
Первый закон Ньютона:
Cуществуют такие системы отсчёта, относительно которых тело сохраняет свою скорость постоянной или покоится, если на него не действуют другие тела или действие других тел скомпенсировано. Свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при уравновешенных внешних силах, действующих на него, называется
инертностью.
Явление сохранения скорости тела при уравновешенных внешних силах называют инерцией.
Инерциальными системами отсчёта
называют системы, в которых выполняется первый закон Ньютона.
Принцип относительности Галилея:
во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых начальных условиях все механические явления протекают одинаково, т.е. подчиняются одинаковым законам
Масса
— это мера инертности тела
Сила
— это количественная мера взаимодействия тел.
Второй закон Ньютона:
Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение, сообщаемое этой силой: $F↖{→} = m⋅a↖{→}$
Сложение сил заключается в нахождении равнодействующей нескольких сил, которая производит такое же действие, как и несколько одновременно действующих сил.
Третий закон Ньютона:
Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, расположены на одной прямой, равны по модулю и противоположны по направлению: $F_1↖{→} = -F_2↖{→} $
III закон Ньютона подчёркивает, что действие тел друг на друга носит характер взаимодействия. Если тело A действует на тело B, то и тело B действует на тело A (см. рис.).
Или короче, сила действия равна силе противодействия. Часто возникает вопрос: почему лошадь тянет сани, если эти тела взаимодействуют с равными силами? Это возможно только за счёт взаимодействия с третьим телом — Землёй. Сила, с которой копыта упираются в землю, должна быть больше, чем сила трения саней о землю. Иначе копыта будут проскальзывать, и лошадь не сдвинется с места. Если тело подвергнуть деформации, то возникают силы, препятствующие этой деформации. Такие силы называют силами упругости
.
Закон Гука
записывают в виде где k — жёсткость пружины, x — деформация тела. Знак «−» указывает, что сила и деформация направлены в разные стороны.
При движении тел друг относительно друга возникают силы, препятствующие движению. Эти силы называются силами трения.
Различают трение покоя и трение скольжения.
Сила трения скольжения
подсчитывается по формуле где N — сила реакции опоры, µ — коэффициент трения. Эта сила не зависит от площади трущихся тел. Коэффициент трения зависит от материала, из которого сделаны тела, и качества обработки их поверхности.
Трение покоя
возникает, если тела не перемещаются друг относительно друга. Сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения
Гравитационными силами
называют силы, с которыми любые два тела притягиваются друг к другу.
Закон всемирного тяготения:
любые два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Здесь R — расстояние между телами. Закон всемирного тяготения в таком виде справедлив либо для материальных точек, либо для тел шарообразной формы.
Весом тела
называют силу, с которой тело давит на горизонтальную опору или растягивает подвес.
Сила тяжести
— это сила, с которой все тела притягиваются к Земле: При неподвижной опоре вес тела равен по модулю силе тяжести: Если тело движется по вертикали с ускорением, то его вес будет изменяться. При движении тела с ускорением, направленным вверх, его вес Видно, что вес тела больше веса покоящегося тела.
При движении тела с ускорением, направленным вниз, его вес В этом случае вес тела меньше веса покоящегося тела.
Невесомостью
называется такое движение тела, при котором его ускорение равно ускорению свободного падения, т.е. a = g. Это возможно в том случае, если на тело действует только одна сила — сила тяжести.
Искусственный спутник Земли
— это тело, имеющее скорость V1, достаточную для того, чтобы двигаться по окружности вокруг Земли На спутник Земли действует только одна сила — сила тяжести, направленная к центру Земли
Первая космическая скорость
— это скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно обращалось вокруг планеты по круговой орбите. где R — расстояние от центра планеты до спутника. Для Земли, вблизи её поверхности, первая космическая скорость равна
1.3. Основные понятия и законы статики и гидростатики
Тело (материальная точка) находится в состоянии равновесия, если векторная сумма сил, действующих на него, равна нулю. Различают 3 вида равновесия: устойчивое, неустойчивое и безразличное.
Если при выведении тела из положения равновесия возникают силы, стремящиеся вернуть это тело обратно, это
устойчивое равновесие.
Если возникают силы, стремящиеся увести тело ещё дальше из положения равновесия, это
неустойчивое положение
; если никаких сил не возникает —
безразличное
(см. рис. 3). Когда речь идёт не о материальной точке, а о теле, которое может иметь ось вращения, то для достижения положения равновесия помимо равенства нулю суммы сил, действующих на тело, необходимо, чтобы алгебраическая сумма моментов всех сил, действующих на тело, была равна нулю. Здесь d —плечо силы.
Плечом силы
d называют расстояние от оси вращения до линии действия силы.
Условие равновесия рычага:
алгебраическая сумма моментов всех вращающих тело сил равна нулю.
Давлением
называют физическую величину, равную отношению силы, действующей на площадку, перпендикулярную этой силе, к площади площадки:
Для жидкостей и газов справедлив закон Паскаля:
давление распространяется по всем направлениям без изменений. Если жидкость или газ находятся в поле силы тяжести, то каждый вышерасположенный слой давит на нижерасположенные и по мере погружения внутрь жидкости или газа давление растёт. Для жидкостей где ρ — плотность жидкости, h — глубина проникновения в жидкость.
Однородная жидкость в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне. Если в колена сообщающихся сосудов залить жидкость с разными плотностями, то жидкость с большей плотностью устанавливается на меньшей высоте. В этом случае Высоты столбов жидкости обратно пропорциональны плотностям:
Гидравлический пресс
представляет собой сосуд, заполненный маслом или иной жидкостью, в котором прорезаны два отверстия, закрытые поршнями. Поршни имеют разную площадь. Если к одному поршню приложить некоторую силу, то сила, приложенная ко второму поршню, оказывается другой. Таким образом, гидравлический пресс служит для преобразования величины силы. Поскольку давление под поршнями должно быть одинаковым, то
Тогда A1 = A2.
На тело, погружённое в жидкость или газ, со стороны этой жидкости или газа действует направленная вверх выталкивающая сила, которую называют
силой Архимеда
Величину выталкивающей силы устанавливает
закон Архимеда
: на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости или газа, вытесненного телом: где ρжидк — плотность жидкости, в которую погружено тело; Vпогр — объём погружённой части тела.
Условие плавания тела
— тело плавает в жидкости или газе, когда выталкивающая сила,действующая на тело, равна силе тяжести, действующей на тело.
1.4. Законы сохранения
Импульсом тела
называют физическую величину, равную произведению массы тела на его скорость:
Импульс — векторная величина.
=кг·м/с. Наряду с импульсом тела часто пользуются импульсом силы.
Это произведение силы на время её действия Изменение импульса тела равно импульсу действующей на это тело силы. Для изолированной системы тел (система, тела которой взаимодействуют только друг с другом) выполняется
закон сохранения импульса
: сумма импульсов тел изолированной системы до взаимодействия равна сумме импульсов этих же тел после взаимодействия.
Механической работой
называют физическую величину, которая равна произведению силы, действующей на тело, на перемещение тела и на косинус угла между направлением силы и перемещения:
Мощность
— это работа, совершённая в единицу времени:
Способность тела совершать работу характеризуют величиной, которую называют энергией.
Механическую энергию делят на
кинетическую и потенциальную.
Если тело может совершать работу за счёт своего движения, говорят, что оно обладает
кинетической энергией.
Кинетическая энергия поступательного движения материальной точки подсчитывается по формуле Если тело может совершать работу за счёт изменения своего положения относительно других тел или за счёт изменения положения частей тела, оно обладает
потенциальной энергией.
Пример потенциальной энергии: тело, поднятое над землёй, его энергия подсчитывается по формуле где h — высота подъёма
Энергия сжатой пружины:
где k — коэффициент жёсткости пружины, x — абсолютная деформация пружины.
Сумма потенциальной и кинетической энергии составляет механическую энергию.
Для изолированной системы тел в механике справедлив
закон сохранения механической энергии
: если между телами изолированной системы не действуют силы трения (или другие силы, приводящие к рассеянию энергии), то сумма механических энергий тел этой системы не изменяется (закон сохранения энергии в механике). Если же силы трения между телами изолированной системы есть, то при взаимодействии часть механической энергии тел переходит во внутреннюю энергию.
Единицы измерения мощности в других системах единиц
В системе СГС (система основными единицами в которой служат: сантиметр, грамм и секунда) специального названия единица измерения мощности не имеет. В этой системе:
\[\left[P\right]=\frac{эрг}{с},\]
где $эрг$ — единица измерения энергии (работы) в СГС.
\[1\ Вт={10}^7\frac{эрг}{с}.\]
Лошадиная сила (л.с.) — это внесистемная единица измерения мощности. В мире различают несколько разных единиц, называя их «лошадиная сила». В нашей стране имеется в виду «метрическая лошадиная сила», считают:
\[1Вт\approx 1,36\cdot {10}^{-3}л.с.\] \[1\ л.с.=735,49875\ Вт\]
Эта единица практически выведена из использования в расчетах. Однако ее все еще используют, например, при вычислении налогов на транспортные средства.
Как измерить переменную мощность?
Использование электричества – один из примеров применения мощности, которая изменяется со временем.
Минимальные потребности электрической энергии наблюдаются в течение дня, но сопровождаются пиковыми скачками в вечернее время при приготовлении пищи, освещения и обогрева.
Существует три способа выражения мощности, которые здесь важны:
- мгновенная мощность P м г P_{мг} Pмг;
- средняя мощность P с р P_{ср} Pср;
- пиковая P п и к P_{пик} Pпик.
Мгновенная мощность
Это мощность сейчас, в данный момент времени.
Если мы рассмотрим уравнение для мощности P = △ E △ t P\;=\;\frac{\triangle E}{\triangle t} P=△t△E, то это измерение, получается, когда Δ t Δt Δt очень мало.
Средняя мощность
Это мощность, которую считают за очень длительное время, то есть, когда Δ t Δt Δt в уравнении для мощности очень велико.
Пиковая мощность
Это максимальное значение, которое мгновенная мощность может иметь в конкретной системе в течение длительного периода.
Автомобильные двигатели и стереосистемы являются примером систем, способные выдавать пиковую мощность, которая намного выше их номинальной средней мощности. Тем не менее, как правило, это возможно только в течение короткого времени, чтобы избежать повреждений устройств.
КПД
КПД – коэффициент полезного действия. Обычно обозначают греческим символом \(\eta\) «эта». Единиц измерения не имеет, выражается либо десятичной дробью, либо в процентах.
Примечания:
- Процент – это дробь, у которой в знаменателе число 100.
- КПД — это либо правильная дробь, или дробь, равная единице.
Вычисляют коэффициент \(\eta\) для какого-либо устройства, механизма или процесса.
\[ \large \boxed{ \eta = \frac{ A_{\text{полезная}}}{ A_{\text{вся}}} }\]
\(\eta\) – КПД;
\( \large A_{\text{полезная}} \left(\text{Дж} \right)\) – полезная работа;
\(\large A_{\text{вся}} \left(\text{Дж} \right)\) – вся затраченная для выполнения работы энергия;
Примечание: КПД часто меньше единицы, так как всегда есть потери энергии. Коэффициент полезного действия не может быть больше единицы, так как это противоречит закону сохранения энергии.
\[ \large \boxed{ \eta \leq 1 }\]
Величина \(\eta\) является дробной величиной. Если числитель и знаменатель дроби разделить на одно и то же число, полученная дробь будет равна исходной. Используя этот факт, можно вычислять КПД, используя мощности:
\[ \large \boxed{ \eta = \frac{ P_{\text{полезная}}}{ P_{\text{вся затраченная}}} }\]
Отношение к амперам и вольтам
Помимо двух формул, которые были рассмотрены выше, для определения часто используется еще одна. Сфера ее применения — электрика. Между мощностью и основными величинами, характеризующими электрический ток, также прослеживается определенная взаимосвязь.
Зная напряжение и силу тока, можно безошибочно определить электрическую мощность. Для этого достаточно перемножить два известных значения. Например, если сила тока составляет 5 ампер, а напряжение — 50 вольт, то искомая величина в этом случае будет равна 250 Вт. Такое число получается в результате умножения 5 на 50.
Формула для определения электрической величины записывается в виде P=IV. Буквенные обозначения следующие:
- P — электрическая мощность;
- I — сила тока;
- V — напряжение.
Если использовать вольтметр и амперметр, можно определить мощность. Но чтобы узнать мощность участка цепи, необязательно проводить вычислительные операции. Существует специальное измерительное устройство, которое по аналогии с вольтметром и амперметром называется ваттметром. Его достаточно включить в сеть, чтобы узнать значение.
Работа силы тяжести — разность потенциальной энергии
Рассмотрим теперь следующий пример. Яблоко массой 0,2 кг упало на садовый стол с ветки, находящейся на высоте 3 метра от поверхности земли. Столешница располагается на высоте 1 метр от поверхности (рис. 3). Найдем работу силы тяжести в этом процессе.
Рис. 3. На рисунке указано начальное 1 положение тела (яблока) и его конечное 2 положение, отмечены высоты для подсчета работы по вертикальному перемещению тела
Посчитаем потенциальную энергию яблока до его падения и энергию яблока на столешнице.
\( E_{p1} \left(\text{Дж} \right) \) – начальная потенциальная энергия яблока;
\( E_{p2} \left(\text{Дж} \right) \) – конечная потенциальная энергия яблока;
Примечание: Работу можно рассчитать через разность потенциальной энергии тела.
Потенциальную энергию будем вычислять, используя формулу:
\[ \large E_{p} = m \cdot g \cdot h\]
\( m \left( \text{кг}\right) \) – масса яблока;
Величина \( \displaystyle g \approx 10 \left(\frac{\text{м}}{c^{2}} \right) \) – ускорение свободного падения.
\( h \left( \text{м}\right) \) – высота, на которой находится яблоко относительно поверхности земли.
Начальная высота яблока над поверхностью земли равна 3 метрам
\[ \large E_{p2} = 0,2 \cdot 10 \cdot 3 = 6 \left(\text{Дж} \right) \]
Потенциальная энергия яблока на столе
\[ \large E_{p1} = 0,2 \cdot 10 \cdot 1 = 2 \left(\text{Дж} \right) \]
Теперь найдем разницу потенциальной энергии яблока в конце падения и перед его началом.
\[ \large \Delta E_{p} = E_{p2} — E_{p1} \]
\[ \large \Delta E_{p} = 2 – 6 = — 4 \left(\text{Дж} \right) \]
Важно помнить: Когда тело падает на землю, его потенциальная энергия уменьшается. Сила тяжести при этом совершает положительную работу!
Чтобы работа получилась положительной, в правой части формулы перед \( \Delta E_{p}\) дополнительно допишем знак «минус».
\[ \large \boxed{ A = — \Delta E_{p} }\]
Значит, работа, которую потребовалось совершить силе тяжести, чтобы яблоко массой 0,2 кг упало с высоты 3 м на высоту 1 метр, равняется 4 Джоулям.
Примечания:
- Если тело падает на землю, работа силы тяжести положительна;
- Когда мы поднимаем тело над землей, мы совершаем работу против силы тяжести. Наша работа при этом положительна, а работа силы тяжести будет отрицательной;
- Сила тяжести относится к консервативным силам. Для консервативных сил перед разностью потенциальной энергии мы дописываем знак «минус»;
- Работа силы тяжести не зависит от траектории, по которой двигалось тело;
- Работа для силы \(\displaystyle F_{\text{тяж}}\) зависит только от разности высот, в которых тело находилось в конечный и начальный моменты времени.
Рисунок 4 иллюстрирует факт, что для силы \(\displaystyle F_{\text{тяж}}\) работа зависит только от разности высот и не зависит от траектории, по которой тело двигалось.
Рис. 4. Разность высот между начальным и конечным положением тела во всех случаях на рисунке одинакова, поэтому, работа силы тяжести для представленных случаев будет одинаковой
