Darbas ir galia tiesių judesių efektyvumu. Techninė mechanika. Apsaugos įstatymai. Sudėtingos užduotys

Elektros varikliai turi aukštą našumo (efektyvumo) koeficientą, tačiau jis vis dar toli nuo idealių rodiklių, kurių dizaineriai ir toliau siekia. Reikalas tas, kad maitinimo bloko veikimo metu vienos rūšies energija virsta kita, išsiskiriant šilumai ir neišvengiamiems nuostoliams. Šiluminės energijos išsklaidymas gali būti registruojamas skirtingose ​​bet kokio tipo variklio komponentuose. Elektros variklių galios nuostoliai yra vietinių nuostolių apvijoje, plieninėse dalyse ir mechaninio veikimo metu pasekmė. Prisideda papildomi nuostoliai, nors ir nežymiai.

Magnetinės galios praradimas

Kai elektros variklio armatūros šerdies magnetiniame lauke įvyksta įmagnetinimo apsisukimas, atsiranda magnetinių nuostolių. Jų vertė, kurią sudaro visi sūkurinių srovių nuostoliai ir tie, kurie atsiranda įmagnetinimo apsisukimo metu, priklauso nuo įmagnetinimo apsisukimo dažnio, galinių ir armatūros dantų magnetinės indukcijos verčių. Didelį vaidmenį vaidina naudojamų elektrotechninio plieno lakštų storis ir jo izoliacijos kokybė.

Mechaniniai ir elektriniai nuostoliai

Mechaniniai nuostoliai veikiant elektros varikliui, kaip ir magnetiniai, yra nuolatiniai. Jie susideda iš nuostolių dėl guolių trinties, šepečių trinties ir variklio ventiliacijos. Šiuolaikinių medžiagų, kurių eksploatacinės charakteristikos kasmet gerėja, naudojimas leidžia sumažinti mechaninius nuostolius. Priešingai, elektros nuostoliai nėra pastovūs ir priklauso nuo elektros variklio apkrovos lygio. Dažniausiai jie atsiranda dėl šepečių šildymo ir šepečių kontakto. Efektyvumas mažėja dėl nuostolių armatūros apvijoje ir žadinimo grandinėje. Mechaniniai ir elektriniai nuostoliai yra pagrindiniai variklio efektyvumo pokyčių veiksniai.

Papildomi nuostoliai

Papildomus elektros variklių galios nuostolius sudaro nuostoliai, atsirandantys išlyginant jungtis, ir nuostoliai dėl netolygios indukcijos armatūros pliene esant didelėms apkrovoms. Sūkurinės srovės, taip pat nuostoliai polių atkarpose prisideda prie bendros papildomų nuostolių sumos. Tiksliai nustatyti visas šias reikšmes gana sunku, todėl jų suma paprastai laikoma 0,5–1 % ribose. Šie skaičiai naudojami bendriems nuostoliams apskaičiuoti, siekiant nustatyti elektros variklio efektyvumą.

Efektyvumas ir jo priklausomybė nuo apkrovos

Elektros variklio našumo koeficientas (COP) – tai galios bloko naudingosios galios ir sunaudotos galios santykis. Šis rodiklis varikliams, kurių galia iki 100 kW, svyruoja nuo 0,75 iki 0,9. galingesniems jėgos agregatams efektyvumas žymiai didesnis: 0,9-0,97. Nustačius bendruosius elektros variklių galios nuostolius, galima gana tiksliai apskaičiuoti bet kurio jėgos agregato naudingumo koeficientą. Šis efektyvumo nustatymo būdas vadinamas netiesioginiu ir gali būti naudojamas įvairių galių mašinoms. Mažos galios galios blokams dažnai naudojamas tiesioginės apkrovos metodas, kurį sudaro variklio sunaudotos galios matavimas.

Elektros variklio naudingumo koeficientas nėra pastovi vertė, jis pasiekia maksimalų, kai apkrova sudaro apie 80% galios. Jis greitai ir užtikrintai pasiekia didžiausią vertę, tačiau po maksimumo pradeda lėtai mažėti. Tai siejama su elektros nuostolių padidėjimu, kai apkrova viršija 80 % vardinės galios. Efektyvumo kritimas nėra didelis, o tai rodo aukštus elektros variklių naudingumo rodiklius plačiame galios diapazone.

Yra žinoma, kad amžinasis variklis yra neįmanomas. Taip yra dėl to, kad bet kuriam mechanizmui galioja toks teiginys: bendras darbas, atliktas šio mechanizmo pagalba (įskaitant mechanizmo ir aplinkos šildymą, trinties jėgos įveikimą) visada yra didesnis už naudingą darbą.

Pavyzdžiui, daugiau nei pusė vidaus degimo variklio darbo iššvaistoma variklio komponentų šildymui; dalį šilumos nuneša išmetamosios dujos.

Dažnai reikia įvertinti mechanizmo efektyvumą ir jo panaudojimo galimybes. Todėl norint apskaičiuoti, kokia dalis atlikto darbo yra iššvaistoma, o kokia yra naudinga, įvedamas specialus fizikinis dydis, parodantis mechanizmo efektyvumą.

Ši vertė vadinama mechanizmo efektyvumu

Mechanizmo efektyvumas lygus naudingo darbo ir bendro darbo santykiui. Akivaizdu, kad efektyvumas visada yra mažesnis nei vienas. Ši vertė dažnai išreiškiama procentais. Paprastai jis žymimas graikiška raide η (skaitykite „tai“). Naudingumo koeficientas sutrumpintai vadinamas efektyvumu.

η = (A_visa / A_naudinga) * 100%,

kur η efektyvumas, A_visas bendras darbas, A_naudingas naudingas darbas.

Tarp variklių elektrinis variklis turi didžiausią efektyvumą (iki 98%). Vidaus degimo variklių naudingumo koeficientas siekia 20–40%, o garo turbinos – apie 30%.

Atkreipkite dėmesį, kad už mechanizmo efektyvumo didinimas dažnai bando sumažinti trinties jėgą. Tai galima padaryti naudojant įvairius tepalus arba rutulinius guolius, kuriuose slydimo trintį pakeičia riedėjimo trintis.

Efektyvumo skaičiavimo pavyzdžiai

Pažiūrėkime į pavyzdį. 55 kg sveriantis dviratininkas 5 kg sveriančiu dviračiu važiavo į 10 m aukščio kalvą, atlikdamas 8 kJ darbą. Raskite dviračio efektyvumą. Neatsižvelgti į ratų riedėjimo trintį kelyje.

Sprendimas. Raskime bendrą dviračio ir dviratininko masę:

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Raskime bendrą jų svorį:

P = mg = 60 kg * 10 N/kg = 600 N

Raskime atliktus darbus pakeliant dviratį ir dviratininką:

Naudingas = PS = 600 N * 10 m = 6 kJ

Raskime dviračio efektyvumą:

A_pilnas / A_naudingas * 100 % = 6 kJ / 8 kJ * 100 % = 75 %

Atsakymas: Dviračio efektyvumas siekia 75%.

Pažvelkime į kitą pavyzdį. Ant svirties svirties galo pakabinamas m masės kūnas. Žemyn nukreipta jėga F taikoma kitai rankai, o jos galas nuleidžiamas h. Raskite, kiek kėbulas pakilo, jei svirties efektyvumas yra η%.

Sprendimas. Raskime darbą, atliktą jėga F:

η% šio darbo atliekama m masės kūnui pakelti. Vadinasi, kūno pakėlimui buvo išleista Fhη / 100. Kadangi kūno svoris lygus mg, kūnas pakilo iki Fhη / 100 / mg aukščio.

Praktiškai svarbu žinoti, kaip greitai veikia mašina ar mechanizmas.

Darbo greitis pasižymi galia.

Vidutinė galia skaitine prasme yra lygi darbo ir laiko, per kurį atliekamas darbas, santykiui.

= DA/Dt. (6)

Jei Dt ® 0, tada, eidami į ribą, gauname momentinę galią:

. (8)

, (9)

N = Fvcos.

SI galia matuojama vatais(Wt).

Praktikoje svarbu žinoti mechanizmų ir mašinų ar kitos pramonės ir žemės ūkio įrangos veikimą.

Tam naudojamas našumo (efektyvumo) koeficientas .

Naudingumo koeficientas yra naudingo darbo ir visų išleistų darbų santykis.

. (10)

.

1.5. Kinetinė energija

Energija, kurią turi judantys kūnai, vadinama kinetine energija(W k).

Raskime bendrą jėgos atliktą darbą judant m.t (kūnui) tako atkarpa 1–2. Veikiant jėgai, m.t. gali keisti savo greitį, pavyzdžiui, padidėja (sumažėja) nuo v 1 iki v 2.

M.T. judesio lygtį užrašome formoje

Pilnas darbas
arba
.

Po integracijos
,

Kur
vadinama kinetine energija. (vienuolika)

Todėl,

. (12)

Išvada: Darbas, kurį atlieka jėga judant materialųjį tašką, yra lygus jo kinetinės energijos pokyčiui.

Gautą rezultatą galima apibendrinti savavališkos m.t. sistemos atveju:
.

Vadinasi, bendra kinetinė energija yra adityvus dydis. Plačiai naudojama kita kinetinės energijos formulės rašymo forma:
. (13)

komentaras: kinetinė energija yra sistemos būsenos funkcija, priklauso nuo atskaitos sistemos pasirinkimo ir yra santykinis dydis.

Formulėje A 12 = W k, A 12 reikia suprasti kaip visų išorinių ir vidinių jėgų darbą. Tačiau visų vidinių jėgų suma lygi nuliui (remiantis trečiuoju Niutono dėsniu), o bendras impulsas lygus nuliui.

Tačiau taip nėra izoliuotos m.t arba kūnų sistemos kinetinės energijos atveju. Pasirodo, visų vidinių jėgų atliktas darbas nėra nulis.

Kaip matyti iš fig. 6, darbas, atliktas jėga f 12 judant m.t., kurios masė m 1, yra teigiamas

A 12 = (– f 12) (– r 12) > 0

o jėgos f 21 darbas judėti m.t. (kūnas), kurio masė m 2, taip pat yra teigiamas:

A 21 = (+ f 21) (+ r 21) > 0.

Vadinasi, bendras izoliuotos m.t. sistemos vidinių jėgų darbas nėra lygus nuliui:

A = A 12 + A 21  0.

Taigi, bendras visų vidinių ir išorinių jėgų darbas eina keisti kinetinę energiją.

Galia iš prigimties yra darbo atlikimo greitis. Kuo didesnė atliekamo darbo galia, tuo daugiau darbų atliekama per laiko vienetą.

Vidutinė galia yra darbas, atliktas per laiko vienetą.

Galios kiekis yra tiesiogiai proporcingas atlikto darbo kiekiui \( A\) ir atvirkščiai proporcinga laikui \( t\) dėl kurių darbai buvo baigti.

Galia\( N\) nustatoma pagal formulę:

Galios matavimo vienetas \(SI\) sistemoje yra \(Watt\) (rusiškas pavadinimas - \(W\), tarptautinis - \(W\)).

Automobilių ir kitų transporto priemonių variklio galiai nustatyti naudojamas istoriškai senesnis matavimo vienetas - Arklio jėgos (AG), 1 AG = 736 W.

Pavyzdys:

Automobilio variklio galia yra maždaug \(90 AG = 66240 W\).

Automobilio ar kitos transporto priemonės galią galima apskaičiuoti, jei žinoma automobilio traukos jėga \( F\) ir jo judėjimo greitis ( v).

Ši formulė gaunama transformuojant pagrindinę galios nustatymo formulę.

Naudingam darbui atlikti negali nei vienas įrenginys sunaudoti \(100\)% jam iš pradžių tiekiamos energijos. Todėl svarbi bet kurio įrenginio savybė yra ne tik galia, bet ir efektyvumą , kuris parodo, kaip efektyviai naudojama į įrenginį tiekiama energija.

Pavyzdys:

Kad automobilis galėtų judėti, ratai turi suktis. O tam, kad ratai suktųsi, variklis turi varyti švaistiklio mechanizmą (mechanizmą, kuris variklio stūmoklio grįžtamąjį judesį paverčia sukamuoju ratų judėjimu). Tokiu atveju krumpliaračiai sukasi ir didžioji dalis energijos šilumos pavidalu išleidžiama į supančią erdvę, todėl prarandama tiekiama energija. Automobilio variklio efektyvumas yra \(40–45\)% ribose. Taigi išeina, kad tik apie \(40\)% viso benzino, sunaudojamo automobiliui pripildyti, tenka atlikti mums reikalingą naudingą darbą – automobilio perkėlimą.

Jei į automobilio baką pripilsime \(20\) litrų benzino, tai automobiliui pervežti išleis tik \(8\) litrai, o \(12\) litrai sudegs neatlikę jokio naudingo darbo.

Naudingumo koeficientas žymimas graikų abėcėlės raide \("eta"\) η, tai yra naudingosios galios santykis \( N\)į bendrą arba bendrą galią N sum.

Norėdami jį nustatyti, naudokite formulę: η = N N bendras. Kadangi pagal apibrėžimą efektyvumas yra galios santykis, jis neturi matavimo vieneto.

Jis dažnai išreiškiamas procentais. Jei efektyvumas išreiškiamas procentais, naudokite formulę: η = N N bendras ⋅ 100%.

Darbas A – skaliarinis fizikinis dydis, išmatuotas kūną veikiančios jėgos modulio, jo poslinkio, veikiant šiai jėgai, modulio ir kampo tarp jėgos ir poslinkio vektorių kosinuso sandauga:

Kūno judėjimo modulis, veikiamas jėgos,

Jėgos atliktas darbas

Ant grafikų ašyse F-S(1 pav.) Jėgos darbas yra skaitiniu būdu lygus figūros plotui, kurį riboja grafikas, poslinkio ašis ir tiesės, lygiagrečios jėgos ašiai.

Jei kūną veikia kelios jėgos, tai darbo formulėje F- tai ne visų šių jėgų rezultatas, o būtent jėga, kuri atlieka darbą. Jei lokomotyvas traukia vagonus, tai ši jėga yra lokomotyvo traukos jėga, jei ant lyno pakeliamas kūnas, tai ši jėga yra lyno įtempimo jėga. Tai gali būti ir gravitacijos, ir trinties jėga, jei problemos teiginys susijęs su šių konkrečių jėgų veikimu.

1 pavyzdys. Kūnas, sveriantis 2 kg, veikiamas jėgos F juda aukštyn nuožulnia plokštuma per atstumą.Kūno atstumas nuo Žemės paviršiaus padidėja .

Jėgos vektorius F nukreiptas lygiagrečiai pasvirusiajai plokštumai, jėgos modulis F yra lygus 30 N. Kokį darbą atliko jėga atliekant šį judėjimą atskaitos rėme, susietame su pasvirusia plokštuma F? Paimkite laisvojo kritimo pagreitį, lygų , trinties koeficientas

Sprendimas: Jėgos darbas apibrėžiamas kaip jėgos vektoriaus ir kūno poslinkio vektoriaus skaliarinė sandauga. Todėl stiprybė F atliko darbus, keliant kūną į viršų nuožulnia plokštuma.

Jei problemos teiginyje kalbama apie kurio nors mechanizmo našumo koeficientą (COP), reikia pagalvoti, koks darbas yra naudingas ir koks darbas yra švaistomas.

Mechanizmo naudingumo koeficientas (efektyvumas) η Jie vadina mechanizmu atlikto naudingo darbo ir visų išleistų darbų santykį.

Naudingas darbas yra tas, kurį reikia padaryti, o panaudotas darbas yra tas, kurį iš tikrųjų reikia padaryti.

2 pavyzdys. Tegul kūnas, kurio masė yra m, pakeltas į aukštį h, judinant jį išilgai nuožulnios ilgio plokštumos l veikiamas traukos F trauka. Šiuo atveju naudingas darbas yra lygus sunkio jėgos ir kėlimo aukščio sandaugai:

O sunaudotas darbas bus lygus traukos jėgos ir pasvirusios plokštumos ilgio sandaugai:

Tai reiškia, kad pasvirusios plokštumos efektyvumas yra:

komentuoti: Bet kurio mechanizmo efektyvumas negali būti didesnis nei 100% – auksinė mechanikos taisyklė.

Galia N (W) yra kiekybinis darbo greičio matas. Galia yra lygi darbo ir laiko, per kurį jis buvo atliktas, santykiui:

Galia yra skaliarinis dydis.

Jei kūnas juda tolygiai, gauname:

Kur yra tolygaus judėjimo greitis.