- •Дорогі друзі!
- •Вступ
- •Розділ 1
- •Фізика як природнича наука. Методи наукового пізнання
- •§ 1. Фізика — наука про природу. Фізичні тіла та фізичні явища
- •§ 2. Початкові відомості про будову речовини. Молекули. Атоми
- •§ 3. Наукові методи вивчення природи
- •Лабораторна робота № 1
- •§ 5. Похибки й оцінювання точності вимірювань
- •Лабораторна робота № 2
- •§ 6. Творці фізичної науки. Внесок українських учених у розвиток фізики
- •Підбиваємо підсумки розділу 1 «Фізика як природнича наука. Методи наукового пізнання»
- •Завдання для самоперевірки до розділу 1 «Фізика як природнича наука. Методи наукового пізнання»
- •Чому в сучасному світі важко загубитись
- •Теми рефератів і повідомлень
- •Теми експериментальних досліджень
- •Розділ 2
- •Механічний рух
- •§ 8. Матеріальна точка. Траєкторія руху. Шлях. Переміщення
- •§ 9. Рівномірний рух. Швидкість руху
- •§ 10. Графіки рівномірного руху
- •§ 12. Нерівномірний рух. Середня швидкість нерівномірного руху
- •§ 13. Рівномірний рух матеріальної точки по колу. Період обертання
- •§ 14. Швидкість рівномірного руху по колу
- •Лабораторна робота № 4
- •Лабораторна робота № 5
- •Завдання для самоперевірки до розділу 2 «Механічний рух»
- •Космодром в океані
- •Теми рефератів і повідомлень
- •Теми експериментальних досліджень
- •Розділ 3
- •Взаємодія тіл. Сила
- •ЧАСТИНА І. СИЛА. ВИДИ СИЛ
- •§ 16. Явище інерції
- •§ 17. Інертність тіла. Маса як міра інертності
- •Лабораторна робота № 6
- •§ 18. Густина. Одиниці густини
- •Лабораторна робота № 7
- •§ 19. Учимося розв’язувати задачі
- •§ 20. Сила — міра взаємодії. Графічне зображення сил. Додавання сил
- •§ 21. Деформація тіла. Види деформації
- •§ 22. Сила пружності. Закон гука
- •Лабораторна робота № 8
- •§ 23. Сила тяжіння. Вага тіла. Невагомість
- •§ 24. Тертя. Сили тертя
- •Лабораторна робота № 9
- •Завдання для самоперевірки до розділу 3. «Взаємодія тіл. Сила». Частина 1. Сила. Види сил
- •§ 25. Тиск твердих тіл на поверхню. Сила тиску
- •§ 26. Тиск газів і рідин. Закон паскаля
- •§ 27. Гідростатичний тиск
- •§ 28. Атмосферний тиск і його вимірювання. Барометри
- •§ 30. Гідравлічні машини. Насоси
- •§ 31. Виштовхувальна сила в рідинах і газах. Закон Архімеда
- •§ 32. Умови плавання тіл
- •Лабораторна робота № 10
- •§ 33. Судноплавство та повітроплавання
- •Завдання для самоперевірки до розділу 3 «Взаємодія тіл. Сила»
- •Підбиваємо підсумки розділу 3 «Взаємодія тіл. Сила»
- •Навіщо нирцю повітряна куля
- •Теми рефератів і повідомлень
- •Теми експериментальних досліджень
- •Розділ 4
- •Механічна робота та енергія
- •§ 34. Механічна робота. Одиниці роботи
- •§ 35. Потужність
- •§ 36. Енергія. Потенціальна енергія тіла
- •§ 37. Кінетична енергія тіла. Повна механічна енергія
- •§ 38. Закон збереження і перетворення механічної енергії
- •§ 39. Момент сили. Умови рівноваги важеля
- •Лабораторна робота № 11
- •§ 40. Рухомий і нерухомий блоки
- •§ 41. Прості механізми. «Золоте правило» механіки
- •§ 42. Коефіцієнт корисної дії механізмів
- •Лабораторна робота № 12
- •Завдання для самоперевірки до розділу 4 «Механічна робота та енергія»
- •Навіщо свідомо знищувати автомобілі
- •Відповіді до вправ та завдань для самоперевірки
- •Алфавітний покажчик
Розділ 4. МЕХАНІЧНА РОБОТА ТА ЕНЕРГІЯ
Експериментальне завдання
Визначте роботу, яку ви виконуєте, піднімаючи з підлоги на стілець відерце з водою. Яку роботу при цьому виконує сила тяжіння, що діє на відерце? За можливості зробіть фотографію досліду. Оформте звіт, у якому зазначте, які прилади ви використовували для визначення роботи, які вимірювання та розрахунки здійснювали, які результати отримали.
Фізика і техніка в Україні
Видатний український вчений-астроном Микола Павлович Барабашов (1894–1971) майже все своє життя мешкав у Харкові. Світове визнання йому принесли дослідження Марса і Венери. Зокрема, М. П. Барабашов відкрив так звані «полярні шапки» на Марсі, виявив кристали льоду в атмосфері Венери.
Учений зробив також величезний внесок у дослідження Місяця. Ще задовго до перших космічних польотів на наш природний супутник М. П. Барабашов висунув гіпотезу про
склад гірських порід на Місяці. Після досліджень, проведених за допомогою роботів-міся- цеходів, гіпотеза науковця блискуче підтвердилась.
М. П. Барабашов був одним з авторів і редактором першого «Атласу зворотної сторони Місяця», який був складено за фотографіями, отриманими автоматичною міжпланетною станцією «Місяць-3».
§ 35. Потужність
Можливо, відправною точкою в розвитку людської цивілізації став час, коли людина почала виготовляти прості знаряддя та зброю, будувати примітивне житло, орати землю. Спочатку вона використовувала для виконання роботи тільки м’язову силу своїх рук, потім — силу свійських тварин: коней, волів, вислюків, верблюдів. Це дозволило за менший час і з меншими зусиллями виконувати ту саму роботу.
Але справжній прорив стався завдяки використанню машин і механізмів — автомобілів, суден, потягів, кранів, екскаваторів тощо. Сучасні машини можуть виконувати роботу в тисячі разів швидше за людину. Яка ж характеристика машин є показником їхньої ефективності?
Рис. 35.1. Екскаватор виконує ту саму роботу в декілька разів швидше за грабаря
1 |
Знайомимося з фізичною величиною |
|
«потужність» |
||
|
Різним виконавцям для здійснення тієї самої роботи потрібен різний час. Так, якщо екскаватор і грабар одночасно розпочнуть копати траншеї (рис. 35.1), то зрозуміло, що екскаватор виконає роботу значно швидше за грабаря. Так само кран швидше за вантажника перенесе потрібну кількість цеглин; трактор швидше за коня зоре поле. Немає сумнівів, що кожен з вас може навести ще багато подібних прикладів.
Швидкість виконання роботи у фізиці характеризують потужністю.
220
§ 35. Потужність
Потужність — це фізична величина, яка характеризує швидкість виконання роботи і дорівнює відношенню виконаної роботи до часу, за який цю роботу виконано:
N = At ,
де N — потужність, A — робота; t — час, за який цю роботу виконано.
Одиниця потужності в СІ — ват:
[N] = Джс = Вт.
Ця одиниця дістала свою назву на честь британського інженера та винахідника-механі- ка Дж. Ватта* (рис. 35.2).
1 Вт — це така потужність, за якої протягом 1 с виконується робота 1 Дж:
1Вт = 11Джс .
Рис. 35.2. Джеймс Ватт (1736–1819), британський винахідник-механік, творець універсальної парової машини
Із визначення потужності випливає, що потужність чисельно дорівнює роботі, яку виконано за одну секунду.
Таким чином, під час виконання механічної роботи більшу потужність розвиває те тіло, яке за той самий час виконує більшу роботу. Наприклад, двигун літака АН-225 потужніший за двигун літака АН-140 у 28 разів (див. таблицю), оскільки за 1 с він виконує роботу 52 000 кДж, а двигун літака АН-140 — лише 1850 кДж.
Потужність двигунів деяких технічних засобів
Технічний засіб |
Потужність, |
|
кВт |
||
|
||
|
|
|
Пральні машини |
0,15–0,90 |
|
|
|
|
Пилососи |
1,3–2,0 |
|
|
|
|
Моторолери (скутери) |
3,0–7,5 |
|
|
|
|
Мотоцикли |
11–74 |
|
|
|
|
Легкові автомобілі |
37–150 |
|
|
|
|
Вантажні автомобілі |
35–515 |
|
|
|
Технічний засіб |
Потужність, |
|
кВт |
||
|
||
|
|
|
Трактори |
45–260 |
|
|
|
|
Гелікоптери |
425–7350 |
|
|
|
|
Літак АН-140 (1 двигун) |
1850 |
|
|
|
|
Літак АН-225 «Мрія» |
52 000 |
|
(1 двигун) |
||
|
||
|
|
|
Ракета-носій «Протон» |
≈ 4,4 107 |
|
Ракета-носій «Енергія» |
≈ 1,25 108 |
*Як одиницю потужності Джеймс Ватт увів кінську силу, яка і зараз використовується в техніці: 1 к.с. ≈ 735,5 Вт.
221
|
Розділ 4. МЕХАНІЧНА РОБОТА ТА ЕНЕРГІЯ |
|||
2 |
З’ясовуємо, як потужність залежіть від сили та швидкості руху |
|||
Припустимо, що нам треба визначити потужність транспортного засо- |
||||
|
||||
бу, який рухається з незмінною швидкістю v, і якщо відома сила тяги F |
||||
його двигуна. |
|
|||
Для визначення потужності скористаємося формулою: N = A . |
||||
|
|
|
t |
|
Згадаємо формулу для розрахунку роботи: A = F l , а також те, що |
||||
в разі рівномірного руху шлях l, який подолало тіло, дорівнює добутку |
||||
швидкості руху тіла на час його руху: l = v t. Після перетворень маємо: |
||||
N = |
A |
= F l = |
F v t = F v. |
|
|
t |
t |
t |
|
Отже, отримано формулу для обчислення потужності: |
||||
N = Fv
Зверніть увагу! Ця формула дозволяє розрахувати також миттєву потужність (тобто потужність у певний момент часу) будь-якого транспортного засобу, навіть якщо швидкість його руху і сила тяги його двигуна безперервно змінюються.
3 |
Учимося розв’язувати задачі |
|
Задача. Людина рівномірно піднімає відро з водою на висоту 20 м за |
||
|
||
20 с. Яку потужність розвиває людина, якщо маса відра з водою дорівнює |
||
10 кг? |
||
Дано:
h =20 м t =20 с m =10 кг
g =10 кгН
N — ?
|
Аналіз фізичної проблеми. Щоб визначити |
|
|
||
|
|
||||
потужність, треба розрахувати роботу, яку ви- |
|
||||
|
|||||
конала людина, піднімаючи відро на певну ви- |
F |
|
|||
соту. Для цього слід знайти значення сили F , |
|
|
|||
|
|
||||
з якою людина діє на відро. На відро діють дві |
|
|
|||
сили: сила тяжіння Fтяж і сила F (див. рису- |
|
|
|||
|
|||||
|
|
|
|
|
|
нок). Відро рухається рівномірно, тому ці сили |
|||||
|
|
|
|
Fтяж |
|
скомпенсовані: F = Fтяж . За цих умов і знайдемо |
|||||
шукане значення сили. Задачу розв’язуватимемо |
|
|
|||
в одиницях СІ. |
|
|
|||
|
Пошук математичної моделі, розв’язання. За |
визначен- |
|||
ням потужності: N = At .
Робота, яку виконала людина: A = Fl.
Оскільки F = Fтяж =mg, а l =h, то робота людини A =mgh. Підставивши вираз для роботи у формулу потужності,
отримаємо:
N = mght .
222
§ 35. Потужність
Перевіримо одиницю шуканої величини, знайдемо її значення:
|
кг |
Н |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н м |
|
Дж |
|
10 10 20 |
|
||
[N] = |
кг |
= |
= |
= Вт; N = |
= 100 (Вт). |
|||||
|
с |
|
с |
с |
|
|||||
|
|
20 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Відповідь: людина розвиває потужність 100 Вт.
Підбиваємо підсумки
Потужність — це фізична величина, яка характеризує швидкість виконання роботи і дорівнює відношенню виконаної роботи до часу, за
який цю роботу виконано: N = |
A |
. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
t |
1 Дж |
|
||
Одиниця потужності в CI — ват (Вт); 1Вт = |
. |
||||
|
|||||
|
|
|
1с |
||
Потужність також можна обчислити за формулою: N = Fv.
Контрольні запитання
1. Дайте визначення потужності. 2. Назвіть одиниці потужності в СІ. 3. Що таке ват? 4. Яку позасистемну одиницю потужності ви знаєте? 5. Як визначити потужність, яку розвиває тіло, якщо відомі сила, що діє на тіло, і швидкість руху тіла?
Вправа № 35
1.Першокласник і одинадцятикласник за однаковий час піднялися сходами з першого поверху на другий. Хто з них розвинув під час руху більшу потужність?
2.Рухаючись горизонтально ділянкою дороги, автомобіль під’їхав до підйому (рис. 1). Чи зміниться швидкість руху автомобіля за незмінної потужності двигуна?
3.Горизонтальні ділянки дороги чергуються з підйомами та спусками. Як має змінюватися потужність двигуна під час подолання автомобілем цих ділянок, якщо автомобіль рухається з незмінною швидкістю?
4.Хлопчик, піднімаючись сходами, розвинув потужність 160 Вт. Яку роботу виконав хлопчик за 20 с?
5.За який час двигун автомобіля, розвиваючи потужність 150 кВт, виконає роботу 900 кДж?
6.Загальна потужність двигунів літака становить 10 МВт.
Визначте силу опору рухові, якщо літак |
рухається |
з незмінною швидкістю 720 км/год. |
Рис. 1 |
7.Складіть задачу, обернену до задачі, поданій у пара графі, та розв’яжіть її.
8.На графіку (рис. 2) подано залежність сили тяги мотоцикла від шляху, який він долає за 2 хв руху. Визначте середню потужність двигуна мотоцикла.
9.«Три ущелини» — найпотужніша гідроелектростанція
у світі, розташована в Китаї. Вона може замінити 9 атомних електростанцій середньої потужності. Висота її греблі дорівнює 180 м, потужність водного потоку становить 22,5 ГВт. Знайдіть об’єм води, що падає з греблі за хвилину.
F, кН |
|
2 |
|
1 |
|
0 |
l, м |
600 1200 |
|
Рис. 2 |
|
223