Простые механизмы. КПД простых механизмов

В процессе труда человек больше опирается не на свою силу, а на свой ум. С древности люди при передвижении тяжелых грузов пользовались простейшими механизмами.

Простые механизмы – это устройства для преобразования силы, точнее, для увеличения и перенаправления силы. Например: рычаг, блок, лебедка, клин и даже наклонная плоскость.

Блок

blokБлок – устройство, состоящее из колесика и веревки. Веревка, двигаясь по окружности колеса, обеспечивает движения груза. Он не даёт выигрыша в силе, но позволяет менять его направление.

Рычаг

richagЭто устройство, где длинное тело, вращаясь вокруг неподвижной опоры, обеспечивает преобразование малой силы, в большую силу.

foto_14

Длина стержня от точки опоры до места приложения силы называется плечом силы.
Сила прикладываемая и сила, получаемая на выходе, связанны следующим равенством:

formula_15

L1 – плечо силы F1
L2 – плечо силы F2
А выигрыш в силе можно рассчитать, разделив большее плечо силы на меньшее.

Наклонная плоскость

Для подъёма тела необходима маленькая сила, но при этом тело проходит большее расстояние.

foto_16

Сила необходимая для движения по плоскости и сила необходимая для подъема, связанны следующим равенством:

formula_17

Необходимо, отметить, что выше такие механизмы (рычаг, наклонная плоскость, лебедка и т.д) дают выигрыш только в силе, при выигрыш в работе отсутствует.

КПД механизмов

Коэффициент полезного действия показывает, насколько эффективна система. Она определяется как отношение полезной работы, то есть затраченной на выполнение самого действия, к полной работе.

formula_18

КПД удобней вычислять в процентах, это можно сделать, умножив отношение полезной работы к полной работе на 100%.
Чтобы повысить КПД, уменьшают вес механизмов, трение и т.д., совершенствуют конструкцию.

Пример задачи

Рассмотрим задачу, тело массой 200 кг, подняли на высоту 0.1 м. К длинному плечу рычага приложили силу 500H, вследствие чего оно опустилось на 0.5 м. Вычислить КПД рычага.
Для начала определим вес груза, то есть, какую силу нужно приложить, что бы поднять груз:
P = mg = 200 кг * 10 м/c2= 2000H
Полезная работа будет равна:
Aпол= F*h1= 2000H* 0.1м= 200 Дж
Общая работа, необходимая для подъема груза будет равна:
Aобщ= F*h2= 500H * 0.5 м = 250 Дж
КПД находим как отношение полезной работы к общей, в процентах:
Ƞ= Aпол/ Aобщ= (200 Дж / 250 Дж)*100% = 80%