Enciclopedia scolastica. Lavoro meccanico e potenza della forza

Quasi tutti, senza esitazione, risponderanno: nella seconda. E si sbaglieranno. Il caso è esattamente l'opposto. In fisica si descrive il lavoro meccanico le seguenti definizioni: Il lavoro meccanico viene compiuto quando una forza agisce su un corpo e questo si muove. Il lavoro meccanico è direttamente proporzionale alla forza applicata e alla distanza percorsa.

Formula del lavoro meccanico

Il lavoro meccanico è determinato dalla formula:

dove A è il lavoro, F la forza, s la distanza percorsa.

POTENZIALE(funzione potenziale), concetto che caratterizza un'ampia classe di campi di forze fisiche (elettrico, gravitazionale, ecc.) e, in generale, campi di quantità fisiche rappresentate da vettori (campo di velocità dei fluidi, ecc.). Nel caso generale, il potenziale del campo vettoriale a( X,sì,z) è una funzione scalare di questo tipo tu(X,sì,z) che a=grad

35. Conduttori in un campo elettrico. Capacità elettrica.conduttori in un campo elettrico. I conduttori sono sostanze caratterizzate dalla presenza al loro interno di un gran numero di portatori di carica liberi che possono muoversi sotto l'influenza di un campo elettrico. I conduttori includono metalli, elettroliti, carbone. Nei metalli, i portatori di cariche libere sono gli elettroni dei gusci esterni degli atomi, che, quando gli atomi interagiscono, perdono completamente i loro legami con i “loro” atomi e diventano proprietà dell'intero conduttore nel suo insieme. Gli elettroni liberi partecipano al movimento termico come le molecole del gas e possono muoversi attraverso il metallo in qualsiasi direzione. Capacità elettrica- una caratteristica di un conduttore, una misura della sua capacità di accumulare una carica elettrica. Nella teoria dei circuiti elettrici, la capacità è la capacità reciproca tra due conduttori; parametro dell'elemento capacitivo del circuito elettrico, presentato sotto forma di una rete a due terminali. Tale capacità è definita come il rapporto tra l'entità della carica elettrica e la differenza di potenziale tra questi conduttori

36. Capacità di un condensatore piatto.

Capacità di un condensatore piatto.

Quello. la capacità di un condensatore piatto dipende solo dalla sua dimensione, forma e costante dielettrica. Per creare un condensatore ad alta capacità è necessario aumentare l'area delle armature e ridurre lo spessore dello strato dielettrico.

37. Interazione magnetica delle correnti nel vuoto. Legge di Ampere.Legge di Ampere. Nel 1820, Ampère (uno scienziato francese (1775-1836)) stabilì sperimentalmente una legge mediante la quale si può calcolare forza che agisce su un elemento conduttore di lunghezza con corrente.

dove è il vettore dell'induzione magnetica, è il vettore dell'elemento di lunghezza del conduttore trascinato nella direzione della corrente.

Modulo di forza, dove è l'angolo tra la direzione della corrente nel conduttore e la direzione del campo magnetico. Per un conduttore rettilineo con corrente in un campo uniforme

La direzione della forza agente può essere determinata utilizzando regole della mano sinistra:

Se il palmo della mano sinistra è posizionato in modo tale che la componente normale (alla corrente) del campo magnetico entri nel palmo e quattro dita tese siano dirette lungo la corrente, il pollice indicherà la direzione in cui agisce la forza di Ampère .

38. Intensità del campo magnetico. Legge di Biot-Savart-LaplaceIntensità del campo magnetico(designazione standard H ) - vettore quantità fisica, uguale alla differenza del vettore induzione magnetica B E vettore di magnetizzazione J .

IN Sistema internazionale di unità (SI): Dove- costante magnetica.

Legge BSL. La legge che determina il campo magnetico di un singolo elemento corrente

39. Applicazioni della legge Biot-Savart-Laplace. Per campo in corrente continua

Per un ciclo circolare.

E per il solenoide

40. Induzione del campo magnetico Il campo magnetico è caratterizzato da una quantità vettoriale, chiamata induzione del campo magnetico (una quantità vettoriale, che è la forza caratteristica del campo magnetico in un dato punto dello spazio). MI. (B) questa non è una forza che agisce sui conduttori, è una quantità che si trova attraverso una data forza secondo la seguente formula: B \u003d F / (I * l) (Verbalmente: Modulo vettoriale MI. (B) è uguale al rapporto tra il modulo di forza F, con cui il campo magnetico agisce su un conduttore percorso da corrente situato perpendicolare alle linee magnetiche, con l'intensità della corrente nel conduttore I e la lunghezza del conduttore l. L'induzione magnetica dipende solo dal campo magnetico. A questo proposito l'induzione può essere considerata una caratteristica quantitativa del campo magnetico. Determina con quale forza (forza di Lorentz) agisce il campo magnetico su una carica che si muove velocemente. L'IM è misurata in Tesla (1 T). In questo caso, 1 Tl \u003d 1 N / (A * m). MI ha una direzione. Graficamente può essere disegnato come linee. In un campo magnetico uniforme, gli MI sono paralleli e il vettore MI sarà diretto allo stesso modo in tutti i punti. Nel caso di un campo magnetico non uniforme, ad esempio un campo attorno a un conduttore con corrente, il vettore di induzione magnetica cambierà in ogni punto dello spazio attorno al conduttore e le tangenti a questo vettore creeranno cerchi concentrici attorno al conduttore.

41. Moto di una particella in un campo magnetico. Forza di Lorentz. a) - Se una particella vola in una regione di campo magnetico uniforme e il vettore V è perpendicolare al vettore B, allora si muove lungo una circonferenza di raggio R=mV/qB, poiché la forza di Lorentz Fl=mV^2 /R svolge il ruolo di una forza centripeta. Il periodo di rivoluzione è T=2piR/V=2pim/qB e non dipende dalla velocità della particella (questo è vero solo per V<<скорости света) - Если угол между векторами V и B не равен 0 и 90 градусов, то частица в однородном магнитном поле движется по винтовой линии. - Если вектор V параллелен B, то частица движется по прямой линии (Fл=0). б) Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущиеся в нем заряды, называют силой Лоренца.

La forza L. è determinata dalla relazione: Fl = q V B sina (q è l'entità della carica in movimento; V è il modulo della sua velocità; B è il modulo del vettore di induzione del campo magnetico; alfa è l'angolo tra la vettore V e vettore B) La forza di Lorentz è perpendicolare alla velocità e quindi non compie lavoro, non cambia il modulo della velocità della carica e la sua energia cinetica. Ma la direzione della velocità cambia continuamente. La forza di Lorentz è perpendicolare ai vettori B e v, e la sua direzione si determina utilizzando la stessa regola della mano sinistra della direzione della forza di Ampère: se la mano sinistra è posizionata in modo che la componente di induzione magnetica B, perpendicolare alla velocità della carica, entra nel palmo, e quattro dita sono dirette lungo il movimento di una carica positiva (contro il movimento di una negativa), quindi il pollice piegato di 90 gradi indicherà la direzione della forza di Lorentz che agisce sulla carica F l .

Energia- una misura universale di varie forme di movimento e interazione. Viene causato il cambiamento nel movimento meccanico del corpo forze agendo su di esso da altri corpi. Il potere funziona - il processo di scambio energetico tra corpi interagenti.

Se ci si sposta sul corpo semplice Agisce una forza costante F che forma un certo angolo  con la direzione del movimento, quindi il lavoro di questa forza è uguale al prodotto della proiezione della forza F S dalla direzione del movimento moltiplicata per il movimento del punto di applicazione della forza: (1)

Nel caso generale, quindi, la forza può variare sia in valore assoluto che in direzione scalare e valore lavoro elementare forze F sullo spostamento dr:

dove  è l'angolo tra i vettori F e dr; ds = |dr| - modo elementare; F S - proiezione del vettore F sul vettore dr fig. 1

Il lavoro della forza sulla sezione della traiettoria dal punto 1 al punto 2 è pari alla somma algebrica dei lavori elementari su distinti tratti infinitesimi del percorso: (2)

Dove S- passato dal corpo. Quando </2 работа силы положительна, если >/2 il lavoro compiuto dalla forza è negativo. Quando =/2 (la forza è perpendicolare allo spostamento), il lavoro della forza è zero.

Unità di lavoro - joule(J): lavoro compiuto da una forza di 1 N su un percorso di 1 m (1 J = 1 N  m).

Energia- il valore della velocità di lavoro: (3)

Durante il periodo d T forza F compie il lavoro Fdr, e la potenza sviluppata da questa forza, in un dato istante della cinghia: (4)

cioè è uguale al prodotto scalare del vettore forza e del vettore velocità con cui si muove il punto di applicazione di tale forza; N- grandezza scalare.

Alimentatore - watt(W): potenza alla quale viene svolto il lavoro 1J in 1s (1W = 1J/s).

Energie cinetiche e potenziali

Energia cinetica sistema meccanico: l'energia del movimento meccanico di questo sistema.

La forza F, che agisce su un corpo a riposo e ne provoca il movimento, funziona, e la variazione di energia del corpo in movimento (d T) aumenta in base alla quantità di lavoro speso d UN. cioè dA = dT

Usando la seconda legge di Newton (F=mdV/dt) e una serie di altre trasformazioni, otteniamo

(5) - energia cinetica di un corpo di massa m, che si muove ad una velocità v.

L'energia cinetica dipende solo dalla massa e dalla velocità del corpo.

In diversi sistemi di riferimento inerziali che si muovono l'uno rispetto all'altro, la velocità del corpo, e quindi la sua energia cinetica, sarà diversa. Pertanto, l'energia cinetica dipende dalla scelta del sistema di riferimento.

Energia potenziale- energia meccanica di un sistema di corpi, determinata dalla loro disposizione reciproca e dalla natura delle forze di interazione tra loro.

Nel caso dell'interazione dei corpi effettuata mediante campi di forze (campi di forze elastiche, gravitazionali), il lavoro svolto dalle forze agenti durante lo spostamento del corpo non dipende dalla traiettoria di questo movimento, ma dipende solo dalla posizioni iniziali e finali del corpo. Tali campi sono chiamati potenziale, e le forze che agiscono in essi - conservatore. Se il lavoro compiuto dalla forza dipende dalla traiettoria del movimento del corpo da un punto a un altro, tale forza viene chiamata dissipativo(forza di attrito). Il corpo, trovandosi in un potenziale campo di forze, ha un'energia potenziale P. Il lavoro delle forze conservatrici con un cambiamento elementare (infinitamente piccolo) nella configurazione del sistema è uguale all'incremento dell'energia potenziale, preso con un segno meno : dA= - dÏ (6)

Lavoro d UN- il prodotto scalare della forza F per lo spostamento dr e l'espressione (6) può essere scritta: Fdr= -dП (7)

Nei calcoli, l'energia potenziale del corpo in una determinata posizione è considerata uguale a zero (viene scelto il livello di riferimento zero) e l'energia corporea in altre posizioni viene conteggiata rispetto al livello zero.

La forma specifica della funzione P dipende dalla natura del campo di forza. Ad esempio, l'energia potenziale di un corpo di massa T, elevato ad un'altezza H sopra la superficie terrestre è (8)

dov'è l'altezza H viene conteggiato a partire dal livello zero, per il quale P 0 =0.

Poiché l'origine viene scelta arbitrariamente, l'energia potenziale può avere un valore negativo (l'energia cinetica è sempre positiva!). Se prendiamo come zero l'energia potenziale di un corpo che giace sulla superficie della Terra, allora l'energia potenziale di un corpo che si trova sul fondo della miniera (profondità H" ), P= - mgh".

L'energia potenziale di un sistema è una funzione dello stato del sistema. Dipende solo dalla configurazione del sistema e dalla sua posizione rispetto ai corpi esterni.

Energia meccanica totale del sistemaè uguale alla somma dell'energia cinetica e potenziale: E=T+P.

Per poter caratterizzare le caratteristiche energetiche del movimento è stato introdotto il concetto di lavoro meccanico. Ed è a lei nelle sue diverse manifestazioni che è dedicato l'articolo. Comprendere l'argomento è allo stesso tempo facile e piuttosto complesso. L'autore ha cercato sinceramente di renderlo più comprensibile e comprensibile, e si può solo sperare che l'obiettivo sia stato raggiunto.

Cos'è il lavoro meccanico?

Come si chiama? Se una certa forza agisce sul corpo e, come risultato dell'azione di questa forza, il corpo si muove, questo viene chiamato lavoro meccanico. Se affrontati dal punto di vista della filosofia scientifica, qui si possono distinguere diversi aspetti aggiuntivi, ma l'articolo tratterà l'argomento dal punto di vista della fisica. Il lavoro meccanico non è difficile se pensi attentamente alle parole scritte qui. Ma la parola "meccanico" di solito non viene scritta e tutto si riduce alla parola "lavoro". Ma non tutti i lavori sono meccanici. Qui un uomo si siede e pensa. Funziona? Mentalmente sì! Ma è un lavoro meccanico? NO. Cosa succede se la persona sta camminando? Se il corpo si muove sotto l'influenza di una forza, si tratta di lavoro meccanico. Tutto è semplice. In altre parole, la forza che agisce sul corpo compie un lavoro (meccanico). E ancora una cosa: è il lavoro che può caratterizzare il risultato dell'azione di una certa forza. Quindi, se una persona cammina, alcune forze (attrito, gravità, ecc.) Eseguono un lavoro meccanico su una persona e, come risultato della loro azione, una persona cambia il suo punto di posizione, in altre parole, si muove.

Il lavoro come quantità fisica è uguale alla forza che agisce sul corpo, moltiplicata per il percorso compiuto dal corpo sotto l'influenza di questa forza e nella direzione da essa indicata. Possiamo dire che il lavoro meccanico veniva svolto se 2 condizioni erano soddisfatte contemporaneamente: la forza agiva sul corpo e questo si muoveva nella direzione della sua azione. Ma non è stato eseguito o non viene eseguito se la forza ha agito e il corpo non ha cambiato la sua posizione nel sistema di coordinate. Ecco alcuni piccoli esempi in cui il lavoro meccanico non viene eseguito:

1. Quindi una persona può cadere su un enorme masso per spostarlo, ma non ha abbastanza forza. La forza agisce sulla pietra, ma questa non si muove e non avviene lavoro.
2. Il corpo si muove nel sistema di coordinate e la forza è uguale a zero oppure sono tutte compensate. Questo può essere osservato durante il movimento inerziale.
3. Quando la direzione in cui si muove il corpo è perpendicolare alla forza. Quando il treno si muove lungo una linea orizzontale, la forza di gravità non fa il suo lavoro.

A seconda di determinate condizioni, il lavoro meccanico può essere negativo e positivo. Quindi, se le direzioni, le forze e i movimenti del corpo sono gli stessi, si verifica un lavoro positivo. Un esempio di lavoro positivo è l'effetto della gravità su una goccia d'acqua che cade. Ma se la forza e la direzione del movimento sono opposte, si verifica un lavoro meccanico negativo. Un esempio di tale opzione è un palloncino che si alza e la gravità, che fa un lavoro negativo. Quando un corpo è soggetto all'influenza di più forze, tale lavoro è chiamato "lavoro della forza risultante".

Caratteristiche di applicazione pratica (energia cinetica)

Passiamo dalla parte teorica alla parte pratica. Separatamente dovremmo parlare del lavoro meccanico e del suo utilizzo in fisica. Come molti probabilmente ricordano, tutta l'energia del corpo è divisa in cinetica e potenziale. Quando un oggetto è in equilibrio e non si muove da nessuna parte, la sua energia potenziale è uguale all'energia totale e la sua energia cinetica è zero. Quando inizia il movimento, l'energia potenziale inizia a diminuire, l'energia cinetica ad aumentare, ma in totale sono pari all'energia totale dell'oggetto. Per un punto materiale, l'energia cinetica è definita come il lavoro della forza che ha accelerato il punto da zero al valore H e, in forma di formula, la cinetica del corpo è ½ * M * H, dove M è la massa. Per scoprire l'energia cinetica di un oggetto composto da molte particelle, devi trovare la somma di tutta l'energia cinetica delle particelle, e questa sarà l'energia cinetica del corpo.

Caratteristiche di applicazione pratica (energia potenziale)

Nel caso in cui tutte le forze che agiscono sul corpo siano conservative e l'energia potenziale sia uguale a quella totale, non viene svolto alcun lavoro. Questo postulato è noto come legge di conservazione dell’energia meccanica. L'energia meccanica in un sistema chiuso è costante nell'intervallo di tempo. La legge di conservazione è ampiamente utilizzata per risolvere problemi della meccanica classica.

Caratteristiche di applicazione pratica (termodinamica)

In termodinamica, il lavoro compiuto da un gas durante l'espansione è calcolato dall'integrale della pressione moltiplicato per il volume. Questo approccio è applicabile non solo nei casi in cui esiste una funzione esatta del volume, ma anche a tutti i processi che possono essere visualizzati nel piano pressione/volume. La conoscenza del lavoro meccanico si applica anche non solo ai gas, ma a tutto ciò che può esercitare una pressione.

Caratteristiche dell'applicazione pratica nella pratica (meccanica teorica)

Nella meccanica teorica, tutte le proprietà e le formule sopra descritte sono considerate in modo più dettagliato, in particolare si tratta di proiezioni. Dà anche una propria definizione di varie formule di lavoro meccanico (un esempio della definizione dell'integrale di Rimmer): il limite a cui tende la somma di tutte le forze di lavoro elementare quando la finezza della partizione tende a zero è chiamato lavoro della forza lungo la curva. Probabilmente difficile? Ma niente, con la meccanica teorica tutto. Sì, e tutto il lavoro meccanico, la fisica e altre difficoltà sono finiti. Inoltre ci saranno solo esempi e una conclusione.

Unità di lavoro meccanico

Il SI utilizza i joule per misurare il lavoro, mentre il GHS utilizza gli erg:

1. 1 J = 1 kg m²/s² = 1 Nm
2. 1 erg = 1 g cm²/s² = 1 dine cm
3. 1 erg = 10 −7 J

Esempi di lavoro meccanico

Per comprendere finalmente un concetto come il lavoro meccanico, dovresti studiare alcuni esempi separati che ti permetteranno di considerarlo da molti, ma non tutti, i lati:

1. Quando una persona solleva una pietra con le mani, il lavoro meccanico avviene con l'aiuto della forza muscolare delle mani;
2. Quando un treno viaggia lungo le rotaie, viene trainato dalla forza di trazione della motrice (locomotiva elettrica, locomotiva diesel, ecc.);
3. Se prendi una pistola e spari da essa, grazie alla forza di pressione creata dai gas in polvere, il lavoro verrà svolto: il proiettile viene spostato lungo la canna della pistola contemporaneamente all'aumento della velocità del proiettile stesso ;
4. Si ha lavoro meccanico anche quando la forza di attrito agisce sul corpo costringendolo a ridurre la velocità del suo movimento;
5. L'esempio sopra con le palle, quando salgono nella direzione opposta rispetto alla direzione della gravità, è anche un esempio di lavoro meccanico, ma oltre alla gravità, la forza di Archimede agisce anche quando tutto ciò che è più leggero dell'aria sale.

Cos'è il potere?

Infine, voglio toccare il tema del potere. Il lavoro compiuto da una forza nell'unità di tempo si chiama potenza. In effetti, la potenza è una quantità fisica che riflette il rapporto tra lavoro e un certo periodo di tempo durante il quale questo lavoro è stato svolto: M = P / B, dove M è potenza, P è lavoro, B è tempo. L'unità SI di potenza è 1 watt. Un watt è pari alla potenza che compie il lavoro di un joule in un secondo: 1 W = 1J\1s.

Informazioni teoriche di base

lavoro meccanico

Sulla base del concetto vengono introdotte le caratteristiche energetiche del movimento lavoro meccanico o lavoro di forza. Lavoro compiuto da una forza costante F, è una quantità fisica pari al prodotto dei moduli di forza e spostamento, moltiplicato per il coseno dell'angolo compreso tra i vettori di forza F e spostamento S:

Il lavoro è una quantità scalare. Può essere positivo (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). A α = 90° il lavoro compiuto dalla forza è zero. Nel sistema SI il lavoro si misura in joule (J). Un joule è uguale al lavoro compiuto da una forza di 1 newton per spostarsi di 1 metro nella direzione della forza.

Se la forza cambia nel tempo, per trovare il lavoro, costruiscono un grafico della dipendenza della forza dallo spostamento e trovano l'area della figura sotto il grafico: questo è il lavoro:

Un esempio di forza il cui modulo dipende dalla coordinata (spostamento) è la forza elastica di una molla, che obbedisce alla legge di Hooke ( F estr = kx).

Energia

Si chiama il lavoro compiuto da una forza per unità di tempo energia. Energia P(a volte indicato come N) è una quantità fisica pari al rapporto di lavoro UN all'arco temporale T durante il quale è stato completato questo lavoro:

Questa formula calcola potenza media, cioè. potere che caratterizza generalmente il processo. Quindi il lavoro può essere espresso anche in termini di potenza: UN = Pt(a meno che, ovviamente, non si conoscano la potenza e il tempo di esecuzione del lavoro). L'unità di potenza è chiamata watt (W) o 1 joule al secondo. Se il moto è uniforme allora:

Con questa formula possiamo calcolare potenza istantanea(potenza in un dato istante), se al posto della velocità sostituiamo nella formula il valore della velocità istantanea. Come sapere quale potenza contare? Se l'attività richiede potenza in un determinato momento o in qualche punto dello spazio, allora è considerata istantanea. Se chiedi informazioni sulla potenza in un determinato periodo di tempo o in una sezione del percorso, cerca la potenza media.

Efficienza - fattore di efficienza, è uguale al rapporto tra lavoro utile e spesa, o potenza utile e spesa:

Quale lavoro è utile e quanto viene speso è determinato dalle condizioni di un particolare compito mediante ragionamento logico. Ad esempio, se una gru esegue il lavoro di sollevamento di un carico a una certa altezza, il lavoro di sollevamento del carico sarà utile (poiché la gru è stata creata per questo) e il lavoro svolto dal motore elettrico della gru verrà speso .

Pertanto, il potere utile e quello speso non hanno una definizione rigorosa e si trovano mediante un ragionamento logico. In ogni compito, noi stessi dobbiamo determinare quale fosse lo scopo del lavoro in questo compito (lavoro utile o potere) e quale fosse il meccanismo o il modo di svolgere tutto il lavoro (potere o lavoro speso).

Nel caso generale, l'efficienza mostra quanto efficientemente il meccanismo converte un tipo di energia in un altro. Se la potenza cambia nel tempo, il lavoro si trova come l'area della figura sotto il grafico della potenza in funzione del tempo:

Energia cinetica

Viene chiamata una quantità fisica pari alla metà del prodotto della massa del corpo per il quadrato della sua velocità energia cinetica del corpo (energia del movimento):

Cioè, se un'auto con una massa di 2000 kg si muove ad una velocità di 10 m/s, allora ha un'energia cinetica pari a E k \u003d 100 kJ ed è in grado di svolgere un lavoro di 100 kJ. Questa energia può trasformarsi in calore (quando l'auto frena, i pneumatici delle ruote, la strada e i dischi dei freni si riscaldano) o può essere spesa per deformare l'auto e la carrozzeria con cui l'auto si è scontrata (in un incidente). Quando si calcola l'energia cinetica, non importa dove si muove l'auto, poiché l'energia, come il lavoro, è una quantità scalare.

Un corpo ha energia se può compiere un lavoro. Ad esempio, un corpo in movimento ha energia cinetica, cioè l'energia del movimento ed è in grado di compiere lavoro per deformare i corpi o imprimere accelerazione ai corpi con cui avviene una collisione.

Il significato fisico dell'energia cinetica: in ordine per un corpo a riposo con massa M cominciò a muoversi a una velocità vè necessario compiere un lavoro pari al valore ottenuto dell'energia cinetica. Se la massa corporea M muovendosi ad una velocità v, allora per fermarlo è necessario compiere un lavoro pari alla sua energia cinetica iniziale. Durante la frenata l'energia cinetica viene principalmente (tranne nei casi di urto, quando l'energia viene utilizzata per la deformazione) “portata via” dalla forza di attrito.

Teorema dell'energia cinetica: il lavoro della forza risultante è uguale alla variazione dell'energia cinetica del corpo:

Il teorema dell'energia cinetica è valido anche nel caso generale in cui il corpo si muove sotto l'azione di una forza variabile, la cui direzione non coincide con la direzione del movimento. È conveniente applicare questo teorema ai problemi di accelerazione e decelerazione di un corpo.

Energia potenziale

Insieme all'energia cinetica o all'energia del movimento in fisica, un ruolo importante è giocato dal concetto energia potenziale o energia di interazione dei corpi.

L'energia potenziale è determinata dalla posizione reciproca dei corpi (ad esempio, la posizione del corpo rispetto alla superficie terrestre). Il concetto di energia potenziale può essere introdotto solo per forze il cui lavoro non dipende dalla traiettoria del corpo ed è determinato solo dalle posizioni iniziale e finale (le cosiddette forze conservatrici). Il lavoro di tali forze su una traiettoria chiusa è zero. Questa proprietà è posseduta dalla forza di gravità e dalla forza di elasticità. Per queste forze possiamo introdurre il concetto di energia potenziale.

Energia potenziale di un corpo nel campo gravitazionale terrestre calcolato con la formula:

Il significato fisico dell'energia potenziale del corpo: l'energia potenziale è uguale al lavoro svolto dalla forza di gravità quando si abbassa il corpo al livello zero ( Hè la distanza dal centro di gravità del corpo al livello zero). Se un corpo ha energia potenziale, allora è in grado di compiere lavoro quando cade da un'altezza H fino a zero. Il lavoro di gravità è uguale alla variazione dell'energia potenziale del corpo, presa con il segno opposto:

Spesso nei compiti per l'energia, devi trovare lavoro per sollevare (girare, uscire dalla fossa) il corpo. In tutti questi casi è necessario considerare il movimento non del corpo stesso, ma solo del suo baricentro.

L'energia potenziale Ep dipende dalla scelta del livello zero, cioè dalla scelta dell'origine dell'asse OY. In ogni problema il livello zero viene scelto per ragioni di comodità. Non è l'energia potenziale in sé ad avere un significato fisico, ma il suo cambiamento quando il corpo si sposta da una posizione all'altra. Questa variazione non dipende dalla scelta del livello zero.

Energia potenziale di una molla allungata calcolato con la formula:

Dove: K- rigidità della molla. Una molla allungata (o compressa) è in grado di mettere in movimento un corpo ad essa attaccato, cioè di impartire energia cinetica a questo corpo. Pertanto, una tale molla ha una riserva di energia. Stretching o compressione X deve essere calcolato dallo stato indeformato del corpo.

L'energia potenziale di un corpo deformato elasticamente è uguale al lavoro della forza elastica durante la transizione da un dato stato a uno stato con deformazione nulla. Se nello stato iniziale la molla era già deformata e il suo allungamento era pari a X 1, quindi al passaggio ad un nuovo stato con allungamento X 2, la forza elastica compirà un lavoro pari alla variazione di energia potenziale, presa con il segno opposto (poiché la forza elastica è sempre diretta contro la deformazione del corpo):

L'energia potenziale durante la deformazione elastica è l'energia di interazione delle singole parti del corpo tra loro mediante forze elastiche.

Il lavoro della forza di attrito dipende dalla distanza percorsa (questo tipo di forza il cui lavoro dipende dalla traiettoria e dalla distanza percorsa si chiama: forze dissipative). Non è possibile introdurre il concetto di energia potenziale per la forza di attrito.

Efficienza

Fattore di efficienza (COP)- una caratteristica dell'efficienza di un sistema (dispositivo, macchina) in relazione alla conversione o al trasferimento di energia. È determinato dal rapporto tra l'energia utile utilizzata e la quantità totale di energia ricevuta dal sistema (la formula è già stata fornita sopra).

L’efficienza può essere calcolata sia in termini di lavoro che in termini di potenza. Il lavoro utile e speso (potere) è sempre determinato da un semplice ragionamento logico.

Nei motori elettrici, l'efficienza è il rapporto tra il lavoro meccanico svolto (utile) e l'energia elettrica ricevuta dalla fonte. Nei motori termici, rapporto tra lavoro meccanico utile e quantità di calore spesa. Nei trasformatori elettrici, rapporto tra l'energia elettromagnetica ricevuta nell'avvolgimento secondario e l'energia consumata dall'avvolgimento primario.

Per la sua generalità, il concetto di efficienza consente di confrontare e valutare da un punto di vista unificato sistemi diversi come reattori nucleari, generatori e motori elettrici, centrali termiche, dispositivi a semiconduttore, oggetti biologici, ecc.

A causa delle inevitabili perdite di energia dovute all'attrito, al riscaldamento dei corpi circostanti, ecc. L'efficienza è sempre inferiore all'unità. Di conseguenza, l'efficienza è espressa come frazione dell'energia spesa, cioè come frazione propria o come percentuale, ed è una quantità adimensionale. L'efficienza caratterizza l'efficienza con cui funziona una macchina o un meccanismo. L'efficienza delle centrali termoelettriche raggiunge il 35-40%, i motori a combustione interna con sovralimentazione e preraffreddamento - 40-50%, dinamo e generatori ad alta potenza - 95%, trasformatori - 98%.

Il compito in cui è necessario trovare l'efficienza o è noto, è necessario iniziare con un ragionamento logico: quale lavoro è utile e quanto viene speso.

Legge di conservazione dell'energia meccanica

piena energia meccanica la somma dell'energia cinetica (cioè l'energia del movimento) e potenziale (cioè l'energia di interazione dei corpi da parte delle forze di gravità ed elasticità) è chiamata:

Se l'energia meccanica non passa in altre forme, ad esempio nell'energia interna (termica), la somma dell'energia cinetica e potenziale rimane invariata. Se l'energia meccanica viene convertita in energia termica, allora la variazione dell'energia meccanica è uguale al lavoro della forza di attrito o delle perdite di energia, o alla quantità di calore rilasciato, e così via, in altre parole, la variazione dell'energia meccanica totale è uguale al lavoro delle forze esterne:

La somma delle energie cinetica e potenziale dei corpi che compongono un sistema chiuso (cioè in cui non agiscono forze esterne e il loro lavoro è rispettivamente pari a zero) e interagenti tra loro mediante forze gravitazionali e forze elastiche, Rimane invariato:

Questa affermazione esprime legge di conservazione dell'energia (LSE) nei processi meccanici. È una conseguenza delle leggi di Newton. La legge di conservazione dell'energia meccanica è soddisfatta solo quando i corpi in un sistema chiuso interagiscono tra loro mediante forze di elasticità e gravità. In tutti i problemi sulla legge di conservazione dell'energia ci saranno sempre almeno due stati del sistema dei corpi. La legge dice che l'energia totale del primo stato sarà uguale all'energia totale del secondo stato.

Algoritmo per la risoluzione di problemi sulla legge di conservazione dell'energia:

1. Trova i punti della posizione iniziale e finale del corpo.
2. Annota quali o quali energie ha il corpo in questi punti.
3. Equiparare l'energia iniziale e finale del corpo.
4. Aggiungi altre equazioni necessarie da argomenti di fisica precedenti.
5. Risolvere l'equazione o il sistema di equazioni risultante utilizzando metodi matematici.

È importante notare che la legge di conservazione dell'energia meccanica ha permesso di ottenere una connessione tra le coordinate e le velocità del corpo in due diversi punti della traiettoria senza analizzare la legge del movimento del corpo in tutti i punti intermedi. L'applicazione della legge di conservazione dell'energia meccanica può semplificare notevolmente la soluzione di molti problemi.

In condizioni reali, quasi sempre sui corpi in movimento, insieme alle forze gravitazionali, alle forze elastiche e ad altre forze, agiscono le forze di attrito o le forze di resistenza del mezzo. Il lavoro della forza di attrito dipende dalla lunghezza del percorso.

Se tra i corpi che compongono un sistema chiuso agiscono forze di attrito, l’energia meccanica non si conserva. Parte dell'energia meccanica viene convertita in energia interna dei corpi (riscaldamento). In questo modo l'energia nel suo insieme (quindi non solo l'energia meccanica) viene comunque conservata.

In qualsiasi interazione fisica, l'energia non sorge e non scompare. Cambia solo da una forma all'altra. Questo fatto stabilito sperimentalmente esprime la legge fondamentale della natura: legge di conservazione e trasformazione dell'energia.

Una delle conseguenze della legge di conservazione e trasformazione dell'energia è l'affermazione che è impossibile creare una "macchina a moto perpetuo" (perpetuum mobile) - una macchina che possa lavorare indefinitamente senza consumare energia.

Compiti lavorativi vari

Se è necessario trovare lavoro meccanico nel problema, selezionare prima il metodo per trovarlo:

1. I lavori possono essere trovati utilizzando la formula: UN = FS cos α . Trova la forza che compie il lavoro e l'entità dello spostamento del corpo sotto l'azione di questa forza nel sistema di riferimento selezionato. Si noti che l'angolo deve essere scelto tra i vettori forza e spostamento.
2. Il lavoro di una forza esterna può essere trovato come differenza tra l'energia meccanica nella situazione finale e in quella iniziale. L’energia meccanica è uguale alla somma dell’energia cinetica e potenziale del corpo.
3. Il lavoro compiuto per sollevare un corpo a velocità costante può essere trovato dalla formula: UN = mgh, Dove H- l'altezza a cui sale baricentro del corpo.
4. Il lavoro può essere trovato come il prodotto di potenza e tempo, cioè secondo la formula: UN = Pt.
5. Il lavoro può essere trovato come l'area di una figura sotto un grafico di forza rispetto a spostamento o potenza rispetto a tempo.

La legge di conservazione dell'energia e la dinamica del moto rotatorio

I compiti di questo argomento sono matematicamente piuttosto complessi, ma con la conoscenza dell'approccio vengono risolti secondo un algoritmo completamente standard. In tutti i problemi dovrai considerare la rotazione del corpo nel piano verticale. La soluzione sarà ridotta alla seguente sequenza di azioni:

1. È necessario determinare il punto di tuo interesse (il punto in cui è necessario determinare la velocità del corpo, la forza della tensione del filo, il peso e così via).
2. Scrivi a questo punto la seconda legge di Newton, dato che il corpo ruota, cioè ha un'accelerazione centripeta.
3. Annota la legge di conservazione dell'energia meccanica in modo che contenga la velocità del corpo in quel punto molto interessante, nonché le caratteristiche dello stato del corpo in uno stato di cui si sa qualcosa.
4. A seconda della condizione, esprimi la velocità al quadrato da un'equazione e sostituiscila con un'altra.
5. Eseguire il resto delle operazioni matematiche necessarie per ottenere il risultato finale.

Quando risolvi i problemi, ricorda che:

• La condizione per superare il punto superiore durante la rotazione sui fili alla velocità minima è la forza di reazione del supporto N nel punto più alto è 0. La stessa condizione è soddisfatta quando si passa attraverso il punto più alto del circuito morto.
• Quando si ruota su un'asta, la condizione per percorrere l'intero cerchio è: la velocità minima nel punto più alto è 0.
• La condizione per la separazione del corpo dalla superficie della sfera è che la forza di reazione del supporto nel punto di separazione sia zero.

Collisioni anelastiche

La legge di conservazione dell'energia meccanica e la legge di conservazione della quantità di moto consentono di trovare soluzioni a problemi meccanici nei casi in cui le forze agenti sono sconosciute. Un esempio di tali problemi è l'interazione d'impatto dei corpi.

Impatto (o collisione)È consuetudine chiamare l'interazione a breve termine dei corpi, a seguito della quale le loro velocità subiscono cambiamenti significativi. Durante la collisione di corpi, tra loro agiscono forze di impatto a breve termine, la cui entità, di regola, è sconosciuta. Pertanto, è impossibile considerare l'interazione dell'impatto direttamente con l'aiuto delle leggi di Newton. L'applicazione delle leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto in molti casi consente di escludere dalla considerazione il processo di collisione e ottenere una relazione tra le velocità dei corpi prima e dopo la collisione, aggirando tutti i valori intermedi di queste quantità.

Spesso si ha a che fare con l'interazione d'urto dei corpi nella vita quotidiana, nella tecnologia e nella fisica (soprattutto nella fisica dell'atomo e delle particelle elementari). In meccanica vengono spesso utilizzati due modelli di interazione d'impatto: impatti assolutamente elastici e assolutamente anelastici.

Impatto assolutamente anelastico Si chiama tale interazione shock, in cui i corpi sono collegati (attaccati insieme) tra loro e si muovono come un unico corpo.

In un impatto perfettamente anelastico l’energia meccanica non si conserva. Passa parzialmente o completamente nell'energia interna dei corpi (riscaldamento). Per descrivere eventuali impatti, è necessario scrivere sia la legge di conservazione della quantità di moto che la legge di conservazione dell'energia meccanica, tenendo conto del calore rilasciato (è altamente auspicabile fare prima un disegno).

Impatto assolutamente elastico

Impatto assolutamente elastico si chiama urto in cui si conserva l'energia meccanica di un sistema di corpi. In molti casi, le collisioni di atomi, molecole e particelle elementari obbediscono alle leggi dell'impatto assolutamente elastico. Con un impatto assolutamente elastico, insieme alla legge di conservazione della quantità di moto, viene soddisfatta la legge di conservazione dell'energia meccanica. Un semplice esempio di urto perfettamente elastico sarebbe l'impatto centrale di due palle da biliardo, una delle quali era ferma prima dell'urto.

pugno centrale palle si chiama collisione, in cui le velocità delle palle prima e dopo l'impatto sono dirette lungo la linea dei centri. Pertanto, utilizzando le leggi di conservazione dell'energia meccanica e della quantità di moto, è possibile determinare la velocità delle sfere dopo l'urto, se si conosce la loro velocità prima dell'urto. L'impatto centrale viene realizzato molto raramente nella pratica, soprattutto quando si tratta di collisioni di atomi o molecole. Nell'urto elastico non centrale, le velocità delle particelle (sfere) prima e dopo l'urto non sono dirette lungo la stessa linea retta.

Un caso speciale di impatto elastico non centrale è la collisione di due palle da biliardo della stessa massa, una delle quali era immobile prima dell'urto, e la velocità della seconda non era diretta lungo la linea dei centri delle palle. In questo caso, i vettori velocità delle sfere dopo l'urto elastico sono sempre diretti perpendicolari tra loro.

Leggi di conservazione. Compiti difficili

Corpi multipli

In alcuni compiti sulla legge di conservazione dell'energia, i cavi con cui si muovono alcuni oggetti possono avere massa (cioè non essere privi di peso, come potresti già essere abituato). In questo caso bisogna tenere conto anche del lavoro di spostamento di tali cavi (cioè del loro baricentro).

Se due corpi collegati da un'asta priva di peso ruotano su un piano verticale, allora:

1. scegliere un livello zero per calcolare l'energia potenziale, ad esempio, a livello dell'asse di rotazione o a livello del punto più basso in cui si trova uno dei carichi e realizzare un disegno;
2. è scritta la legge di conservazione dell'energia meccanica, in cui sul lato sinistro è scritta la somma dell'energia cinetica e potenziale di entrambi i corpi nella situazione iniziale, e la somma dell'energia cinetica e potenziale di entrambi i corpi nella situazione finale è scritto sul lato destro;
3. si tenga conto che le velocità angolari dei corpi sono le stesse, allora le velocità lineari dei corpi sono proporzionali ai raggi di rotazione;
4. se necessario, scrivi separatamente la seconda legge di Newton per ciascuno dei corpi.

Scoppio del proiettile

In caso di esplosione del proiettile, viene rilasciata energia esplosiva. Per trovare questa energia è necessario sottrarre l'energia meccanica del proiettile prima dell'esplosione dalla somma delle energie meccaniche dei frammenti dopo l'esplosione. Utilizzeremo anche la legge di conservazione della quantità di moto, scritta sotto forma di teorema del coseno (metodo vettoriale) o sotto forma di proiezioni su assi selezionati.

Collisioni con una piastra pesante

Andiamo verso un piatto pesante che si muove velocemente v, una palla leggera di massa si muove M con velocità tu N. Poiché la quantità di moto della palla è molto inferiore alla quantità di moto della piastra, la velocità della piastra non cambierà dopo l'impatto e continuerà a muoversi alla stessa velocità e nella stessa direzione. Come risultato dell'impatto elastico, la palla volerà via dal piatto. Qui è importante capirlo la velocità della palla rispetto al piatto non cambierà. In questo caso, per la velocità finale della palla otteniamo:

Pertanto, la velocità della palla dopo l'impatto aumenta del doppio della velocità del muro. Un ragionamento simile per il caso in cui la palla e il piatto si muovevano nella stessa direzione prima dell’impatto porta al risultato che la velocità della palla è ridotta del doppio della velocità del muro:

In fisica e matematica, tra le altre cose, devono essere soddisfatte tre condizioni essenziali:

1. Studia tutti gli argomenti e completa tutti i test e i compiti indicati nei materiali di studio su questo sito. Per fare questo, non hai bisogno di nulla, vale a dire: dedicare tre o quattro ore ogni giorno alla preparazione per il CT in fisica e matematica, studiando teoria e risolvendo problemi. Il fatto è che il TC è un esame in cui non basta conoscere solo la fisica o la matematica, bisogna anche essere in grado di risolvere rapidamente e senza errori un gran numero di problemi su argomenti diversi e di varia complessità. Quest'ultimo può essere appreso solo risolvendo migliaia di problemi.
2. Impara tutte le formule e le leggi della fisica e le formule e i metodi della matematica. In effetti, anche questo è molto semplice, le formule necessarie in fisica sono solo circa 200, e in matematica anche un po 'meno. In ognuno di questi argomenti esistono circa una dozzina di metodi standard per risolvere problemi di livello base di complessità, che possono anche essere appresi, e quindi, in modo completamente automatico e senza difficoltà, risolvere la maggior parte della trasformazione digitale al momento giusto. Dopodiché dovrai pensare solo ai compiti più difficili.
3. Partecipa a tutte e tre le fasi delle prove generali di fisica e matematica. Ogni RT può essere visitato due volte per risolvere entrambe le opzioni. Anche in questo caso, nel TC, oltre alla capacità di risolvere problemi in modo rapido ed efficiente e alla conoscenza di formule e metodi, è necessario anche saper pianificare adeguatamente il tempo, distribuire le forze e, soprattutto, compilare correttamente il modulo di risposta. , senza confondere né i numeri delle risposte e delle attività, né il proprio nome. Inoltre, durante il RT, è importante abituarsi allo stile di porre domande nei compiti, che può sembrare molto insolito per una persona impreparata al DT.

L'implementazione riuscita, diligente e responsabile di questi tre punti ti consentirà di mostrare un risultato eccellente sulla TC, il massimo di ciò di cui sei capace.

Trovato un errore?

Se, come ti sembra, hai trovato un errore nel materiale di formazione, scrivilo via e-mail. Puoi anche scrivere dell'errore sul social network (). Nella lettera, indica l'argomento (fisica o matematica), il nome o il numero dell'argomento o del test, il numero del compito o il punto nel testo (pagina) dove, secondo te, c'è un errore. Descrivi anche qual è il presunto errore. La tua lettera non passerà inosservata, l'errore verrà corretto oppure ti verrà spiegato perché non si tratta di un errore.

Prima di affrontare l’argomento “Come si misura il lavoro”, è necessario fare una piccola digressione. Tutto in questo mondo obbedisce alle leggi della fisica. Ogni processo o fenomeno può essere spiegato sulla base di alcune leggi della fisica. Per ogni grandezza misurabile esiste un'unità in cui è consuetudine misurarla. Le unità di misura sono fisse e hanno lo stesso significato in tutto il mondo.

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Sistema di unità internazionali

La ragione di ciò è la seguente. Nel 1960, all'undicesima conferenza generale sui pesi e le misure, fu adottato un sistema di misurazioni riconosciuto in tutto il mondo. Questo sistema è stato chiamato Le Système International d'Unités, SI (SI System International). Questo sistema è diventato la base per le definizioni delle unità di misura accettate in tutto il mondo e il loro rapporto.

Termini fisici e terminologia

In fisica, l'unità per misurare il lavoro di una forza si chiama J (Joule), in onore del fisico inglese James Joule, che diede un grande contributo allo sviluppo della sezione della termodinamica in fisica. Un Joule equivale al lavoro compiuto da una forza di un N (Newton) quando la sua applicazione sposta di un M (metro) nella direzione della forza. Un N (Newton) equivale ad una forza con una massa di un kg (chilogrammo) con un'accelerazione di un m/s2 (metro al secondo) nella direzione della forza.

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La formula per trovare lavoro

Per vostra informazione. In fisica, tutto è interconnesso, l'esecuzione di qualsiasi lavoro è associata all'esecuzione di azioni aggiuntive. Un esempio è un ventilatore domestico. Quando il ventilatore è acceso, le pale del ventilatore iniziano a ruotare. Le pale rotanti agiscono sul flusso d'aria, conferendogli un movimento direzionale. Questo è il risultato del lavoro. Ma per eseguire l'opera è necessaria l'influenza di altre forze esterne, senza le quali l'esecuzione dell'azione è impossibile. Questi includono la forza della corrente elettrica, la potenza, la tensione e molti altri valori correlati.

La corrente elettrica, nella sua essenza, è il movimento ordinato degli elettroni in un conduttore nell'unità di tempo. La corrente elettrica si basa su particelle cariche positivamente o negativamente. Si chiamano cariche elettriche. Indicato con le lettere C, q, Kl (pendente), dal nome dello scienziato e inventore francese Charles Coulomb. Nel sistema SI è un'unità di misura del numero di elettroni carichi. 1 C è uguale al volume di particelle cariche che fluiscono attraverso la sezione trasversale del conduttore per unità di tempo. L'unità di tempo è un secondo. La formula per la carica elettrica è mostrata sotto nella figura.

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La formula per trovare la carica elettrica

L'intensità della corrente elettrica è indicata con la lettera A (ampere). Un ampere è un'unità fisica che caratterizza la misurazione del lavoro di una forza che viene spesa per spostare le cariche lungo un conduttore. Fondamentalmente, la corrente elettrica è un movimento ordinato di elettroni in un conduttore sotto l'influenza di un campo elettromagnetico. Per conduttore si intende un materiale o sale fuso (elettrolita) che presenta poca resistenza al passaggio degli elettroni. Due quantità fisiche influenzano l'intensità di una corrente elettrica: tensione e resistenza. Saranno discussi di seguito. La corrente è sempre direttamente proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale alla resistenza.

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La formula per trovare la forza attuale

Come accennato in precedenza, la corrente elettrica è il movimento ordinato degli elettroni in un conduttore. Ma c'è un avvertimento: per il loro movimento è necessario un certo impatto. Questo effetto viene creato creando una differenza potenziale. La carica elettrica può essere positiva o negativa. Le cariche positive tendono sempre a cariche negative. Ciò è necessario per l’equilibrio del sistema. La differenza tra il numero di particelle cariche positivamente e negativamente è chiamata tensione elettrica.

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La formula per trovare la tensione

La potenza è la quantità di energia spesa per compiere il lavoro di un J (Joule) in un periodo di tempo di un secondo. L'unità di misura in fisica è indicata come W (Watt), nel sistema SI W (Watt). Poiché si considera l'energia elettrica, qui si tratta del valore dell'energia elettrica spesa per compiere una determinata azione in un periodo di tempo.

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La formula per trovare l'energia elettrica

In conclusione, va notato che l'unità di misura del lavoro è una quantità scalare, ha una relazione con tutte le sezioni della fisica e può essere considerata non solo dal lato dell'elettrodinamica o dell'ingegneria termica, ma anche da altre sezioni. L'articolo considera brevemente il valore che caratterizza l'unità di misura del lavoro della forza.

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