Министерство образования и науки Украины

Простые механизмы. КПД. Двигатель внутреннего сгорания. Движение жидкостей и газов по трубам. Закон Бернулли. Подъемная сила крыла самолета. Развитие авиации. Экологические аспекты развития авиации и космонавтики.

Реферат

по физике

учеников 9-А класса

ООШ №3 г. Бердянска

Зюзина Виталия

Сарабеева Евгения

Бердянск 2008

«Простые механизмы, их применение»

Когда римские войска осадили Сиракузы, 75-летний Архимед возглавил оборону родного города. Сконструированные им механизмы поразили воображение современников. Огромный урон, наносимый римским войскам «железными лапами» и метательными машинами Архимеда, привел, по словам Плутарха, к тому, что «римляне стали так трусливы, что если замечали, что над стеной движется кусок каната или бревно, то кричали: «Вот, вот оно!» — и, думая, что Архимед хочет направить на них какую-нибудь машину, ударялись в бегство».

Несколько месяцев длилась осада Сиракуз, и лишь благодаря предателям, открывшим ворота, римляне наконец смогли ворвать­ся в город. «Немало примеров гнусной злобы и гнусной алчности можно было бы припомнить,— пишет Тит Ливии (I в. до н. э.) о разграблении Сиракуз,— но самый знаменитый между ними — убийство Архимеда. Среди дикого смятения, под крики и топот озверевших солдат, Архимед спокойно размышлял, рассматривая начерченные на песке фигуры, и какой-то грабитель заколол его мечом, даже не подозревая, кто это».

Еще с древних времен для облегчения своего труда человек использовал
различные приспособления и механизмы (от греческого «механэ» - маши­на, орудие).

Механические устройства, служащие для преобразования величины или направления силы, называют простыми механизма­ми. К таким механизмам относятся не только рассмотренные нами рычаги и блоки, но и ряд других приспособлений (например, клин, винт, наклонная плоскость, ворот). Обычно их применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, например, клин, вбиваемый в полено, распирает его с большей силой, чем молотобоец бьет по клину. Кроме того, обратите внимание, что молот бьет по клину сверху вниз, а половинки полена раздвигаются влево и вправо, т.е. происходит преобразование направления движения.

Простые механизмы делятся на 2 вида: рычаг и наклонная плоскость.

Давайте вспомним, что мы узнали о рычаге и об одной его разновидности – блоке.

Другой разновидностью рычага является ворот.

Чаще всего его применяли для подъема воды из колодцев. Ворот представляет собой цилиндр (барабан), к которому прикрепле­на рукоятка.

Выигрыш в силе, который дает ворот, определяется отношением радиу­са окружности, по которой движется рукоятка r₁, к радиусу цилиндра, на который наматывается веревка r₂.

Если к рукоятке приложена сила F₁, то сила напряжения веревки равна:

Современным типом ворота является лебедка. Лебедка представляет со­бой сочетание цилиндра и двух зубчатых колес разного радиуса.

Общий выигрыш в силе, который дает лебедка, определяется из совокупного действия 2-х воротов. Современные лебедки дают выигрыш в силе в 40-100 раз.

Часто для подъема тяжелых тел используют еще один простой механизм - наклонную плоскость. наклонная плоскость. Вы­игрыш в силе определяется отношением длины наклонной плоскости к ее высоте, при условии, что трение очень мало.

Часто для того, чтобы создать большие силы (колка дров, работа ледо­кола) применяют клин, как разновидность наклонной плоскости.

Работа клина основана на том, что при больших силах в направлении обуха, создаются много большие силы, которые перпендикулярны боковым поверхностям клина.

Приспособления, служащие для преобразования силы, называют простыми механизмами.

В большинстве случаев простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить силу, действующую на тело, в несколько раз. Рассмотрим наиболее распространённый простой механизм - рычаг.

Рычаг - твёрдое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры.Кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила, называется плечом силы.

Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы. Длина этого перпендикуляра и будет плечом данной силы.

F₁, F₂ - силы, действующие на рычаг.

L₁ L₂ - плечи сил, действующих на рычаг.

Рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

Это правило можно записать в виде формулы.

F₁ / F₂ = L₁ / L₂

Правило равновесия рычага было установлено Архимедом.

Из этого правила видно, что меньшей силой можно уравновесить при помощи рычага большую силу. Во сколько раз одно плечо больше второго, во столько раз силы приложенная к одному плечу больше силы, приложенной ко второму плечу.

Простейший механизм — устройства, дающие выигрыш в силе. Представляют собой элементы более сложных механизмов. Некоторые из простейщих механизмов появились в глубокой древности.

Принято выделять шесть простейших механизмов из которых четыре являются разновидностью двух основных:

• Наклонная плоскость

  • Клин — позволяет увеличить давление за счет концентрации массы на малой площади. Используется в копье, лопате и пуле.

  • Винт — используется в шурупах, для подъема воды (Архимедов винт), в качестве сверла в дрелях и отбойных молотках.

• Рычаг — описан Архимедом. Используется для подъема тяжестей, в качестве выключателей и спусковых крючков (Шатун-кривошип — используется в ткацком станке, паровой машине, двигателях внутреннего сгорания).

  • Ворот — используется для подъема воды в колодцах и для ременной передачи.

  • Блок

• Колесо — используется в транспорте и в системе зубчатой передачи. Изобретено шумерами в III тыс. до н. э.

• Поршень — позволяет использовать энергию расширяющихся нагретых газов или пара. Применяется в огнестрельном оружии и паровой машине

Простые механизмы

С древних времен для облегчения своего труда человек использует различные механизмы (греч. "механэ" - машина, орудие).

Клин, вбиваемый в полено, действует на него сверху вниз. При этом он раздвигает образующиеся половинки влево и вправо. То есть клин изменяет направление действия силы. Кроме того, сила, с которой он раздвигает половинки бревна, гораздо больше силы, с которой молот воздействует на клин. Следовательно, клин изменяет и числовое значение приложенной силы.

Клин - одна из разновидностей простого механизма под названием "наклонная плоскость". Ее применяют, чтобы получить выигрыш в силе, то есть при помощи меньшей силы противодействовать большей силе. Взгляните на рисунок. Вкатывая бочки по наклонной плоскости, пираты прикладывают меньшую силу, нежели если бы они поднимали бочки на веревках. Другими словами, силы, прикладываемые пиратами, меньше веса бочек.

Второй разновидностью наклонной плоскости является винт. Взгляните на рисунок. Вы видите картонный треугольник, расположенный рядом с цилиндром (рис. "б"). Наклонной плоскостью служит ребро картона. Обернув треугольник вокруг цилиндра, мы получим винтовую наклонную плоскость (рис. "в"). Подобно клину, винт может изменять направление и/или числовое значение приложенной силы.

Поворачивая рукоятку штопора по часовой стрелке, мы вызываем продвижение винта штопора вниз. Другими словами, происходит преобразование движения: вращательное движение штопора приводит к его поступательному движению.

В физике приспособления для преобразования движения и силы называют механизмами. Большинство из них были изобретены еще до Нашей эры. Например, блоки, вороты, кабестаны, полиспасты издревле применялись при кораблестроении и мореплавании.

Используемые человеком механизмы могут быть устроены очень сложно, однако для понимания их работы достаточно изучить так называемые простые механизмы - рычаг и наклонную плоскость.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно h = W_пол/W_cyм.

В электрических двигателях КПД — отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника.

В тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты.

В электрических трансформаторах — отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

Для вычисления КПД разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты, и других аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД тепловых электростанций достигает 35-40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением — 40-50% , динамомашин и генераторов большой мощности — 95%, трансформаторов — 98%. КПД процесса фотосинтеза составляет обычно 6-8%, у хлореллы он достигает 20-25%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики КПД имеется верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса), который совершает рабочее вещество. Наибольшим КПД обладает цикл Карно.

Различают КПД отдельного элемента (ступени) машины или устройства и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. КПД первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и другие виды КПД. Общий КПД системы равен произведению частных КПД, или КПД ступеней.

В технической литературе КПД иногда определяют таким образом, что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять КПД отношением W_пол/W_затр, где W_пол — используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный КПД установки меньше единицы, рассмотренный КПД h=W_пол/W_затр может оказаться больше единицы. Например, тепловой КПД кондиционеров в среднем равен 300-400%.

Коэффициент полезного действия (кпд), характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно  = W_пол/W_cyм.

  В электрических двигателях кпд — отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника; в тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты; в электрических трансформаторах — отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой. Для вычисления кпд разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты, и др. аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие кпд позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

  Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. кпд всегда меньше единицы. Соответственно этому кпд выражается в долях затрачиваемой энергии, т. е. в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. Кпд тепловых электростанций достигает 35—40%, двигателей внутреннего сгорания — 40—50%, динамомашин и генераторов большой мощности—95%, трансформаторов—98%. Кпд процесса фотосинтеза составляет обычно 6—8%, у хлореллы он достигает 20—25%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики кпд имеет верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса), который совершает рабочее вещество. Наибольшим кпд обладает Карно цикл.

  Различают кпд отдельного элемента (ступени) машины или устройства и кпд, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. Кпд первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и др. виды кпд. Общий кпд системы равен произведению частных кпд, или кпд ступеней.

  В технической литературе кпд иногда определяют т. о., что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять кпд отношением W_пол/W_затр, где W_пол — используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, W_затр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный кпд установки меньше единицы, рассмотренный кпд  = W_пол/W_затр может оказаться больше единицы.

Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.

Первый практически пригодный газовый Д. в. с. был сконструирован французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый Д. в. с. По сравнению с паромашинной установкой Д. в. с. принципиально более прост, т. к. устранено одно звено энергетического преобразования — парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило большую компактность Д. в. с., меньшую массу на единицу мощности, более высокую экономичность, но для него потребовалось топливо лучшего качества (газ, нефть).