bilim.techО проекте

Работа, энергия и мощность

Сколько энергии нужно, чтобы поднять 220 тонн руды со дна карьера, и куда она девается на спуске? Работа, энергия, мощность и КПД.

01 Что это такое

Энергия не появляется и не исчезает. Она переходит из одного вида в другой, а работа показывает, сколько ее перешло.

Подними тележку на горку, и она запасет потенциальную энергию Ep = m · g · h. Отпусти, и на спуске высота превращается в скорость: растет кинетическая энергия Ek = m · v² / 2. На подъеме все идет обратно. Без трения сумма Ep + Ek не меняется, это закон сохранения энергии.

С трением часть энергии уходит в тепло Q: греются колеса, тормоза, дорога. Сумма Ep + Ek + Q все равно постоянна. Работа A = F · s · cos α говорит, сколько энергии сила передала телу, а мощность P = A / t говорит, как быстро она это сделала.

уровень стартаEпEкQΣНаверхуEпEкQΣВнизуEпEкQΣНа второй горке
Коричневый столбик: потенциальная энергия Ep, зеленый: кинетическая Ek, оранжевый: тепло от трения Q. Внизу высоты нет, вся энергия в скорости. Столбик Σ везде одной высоты: энергия только меняет вид.
A
Работа, Дж. Сколько энергии сила передала телу. 1 Дж: поднять 100 г на 1 м. A = F · s · cos α, считается только часть силы вдоль пути.
E
Энергия, Дж. Запас работы. Потенциальная Ep = m · g · h зависит от высоты, кинетическая Ek = m · v² / 2 от скорости. Счетчик электричества считает ее в кВт·ч: 1 кВт·ч = 3,6 МДж.
P
Мощность, Вт. Как быстро совершается работа: P = A / t = F · v. Мощность двигателя самосвала около 2 МВт, лошадиная сила 735,5 Вт.
02 Опыт
Поднимай груз. Спускайся с тормозом. Следи, куда уходит энергия. БАЛАНС ЭНЕРГИИ СЧИТАЕТСЯ СРАЗУ
ДИНАМИКА

Сколько энергии нужно, чтобы поднять самосвал со дна карьера?

Рис. 3.3
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

ⓘ Скорость на подъеме и спуске постоянна, разгон и остановка не учитываются. Серпантин и карьер нарисованы условно, настоящая длина дороги равна H / sin α и указана в числах. КПД дизеля принят 40 %, теплота сгорания дизеля 36 МДж/л. На горке трение считается сухим: сила трения μ · m · g · cos α против движения.

03 Формулы по буквам

Работа, энергия, мощность и КПД

Числа под формулами берутся из текущего режима опыта: подъема, спуска или горки. Двигай ползунки или время, и подстановка пересчитается.

Сколько энергии передала сила?

A = F · s · cos α

Работа равна силе, умноженной на путь и на косинус угла между ними. Сила вдоль пути работает полностью, поперек пути не работает совсем, против движения работает со знаком минус и забирает энергию, как тормоз.

A
работа, Дж. 1 Дж = 1 Н · 1 м
F
сила, Н. Для самосвала: тяга на колесах
s
путь, м. На подъеме: длина дороги, а не глубина карьера
α
угол между силой и направлением движения, °

Сколько энергии запасено в высоте и в скорости?

Ep = m · g · h
Ek = m · v² / 2

Потенциальная энергия растет с высотой, кинетическая с квадратом скорости. Без трения их сумма постоянна: Ep + Ek = const. С трением к сумме добавляется тепло Q, и тогда постоянна Ep + Ek + Q.

m
масса, кг. 220 т руды = 220 000 кг
g
ускорение свободного падения, 9,81 м/с²
h
высота над выбранным нулем, м. Ноль выбирай сам, например дно карьера
v
скорость, м/с. Вдвое быстрее: энергии вчетверо больше

Как быстро и с какой пользой работает машина?

P = A / t = F · v
η = Aпол / Aзатр

Мощность равна работе за секунду, или силе, умноженной на скорость. Та же работа за вдвое меньшее время требует вдвое большей мощности. КПД показывает, какая доля затраченной энергии ушла в дело, остальное стало теплом.

P
мощность, Вт. 1 Вт = 1 Дж/с, 1 л.с. = 735,5 Вт
t
время, с
v
скорость, м/с. Из км/ч: раздели на 3,6
η
КПД, от 0 до 1 или в процентах. Всегда меньше 100 %

Откуда берется формула и почему форма пути не важна

Пусть груз массой m поднимается по наклонной дороге длиной s с углом α. Сила тяжести m · g смотрит вниз, а дорога идет вверх под углом α, так что угол между силой и путем равен 90° + α. Работа силы тяжести A = m · g · s · cos(90° + α) = −m · g · s · sin α. Но s · sin α это и есть высота подъема h. Значит A = −m · g · h, сколько бы ни был длинным путь.

Серпантин можно разбить на много маленьких наклонных кусочков. На каждом работа силы тяжести равна −m · g · Δh, а сумма всех Δh равна полной высоте H. Поэтому работа силы тяжести зависит только от того, насколько поднялся или опустился груз. Пологая длинная дорога или крутой короткий въезд, клеть в стволе или конвейер: против силы тяжести совершается одна и та же работа m · g · H.

Зачем тогда пологие дороги? Чем меньше уклон, тем меньше сила тяги F = m · g · sin α, и самосвал едет быстрее при той же мощности. Зато путь длиннее, и сопротивление качению f · m · g · cos α действует дольше, так что лишняя работа на качение растет. Кинетическая энергия по той же логике: сила разгоняет тело на пути s, работа F · s = m · a · s, а из темы 1.1 a · s = v² / 2, отсюда Ek = m · v² / 2.

стволкрутой въездсерпантинHвезде A = m · g · Hs · sin α = H
Пути разной длины на одну и ту же высоту H. Работа против силы тяжести везде m · g · H, разница только в силе тяги, времени и потерях на качение.
04 Где и зачем это применяют

От самосвала на серпантине до гидроаккумулирующей станции

Допущения модели+

Самосвал, клеть и тележка считаются точками, скорость на подъеме и спуске постоянна, разгон, торможение у отвала и сопротивление воздуха не учитываются. Сопротивление качению задано одним коэффициентом f, на деле оно зависит от состояния дороги, давления в шинах и температуры. КПД дизеля 40 % и теплота сгорания 36 МДж/л взяты средними; реальный расход больше из-за разгонов, холостого хода и работы на неполной мощности. Массы, мощности двигателей и ретардеров в готовых случаях примерные, близкие к самосвалам грузоподъемностью около 220 т и обычным шахтным подъемам. Расчет нагрева тормозов условный: вся энергия спуска в 1 т стали без охлаждения. Доля возврата энергии при рекуперации принята 70 %. Для насоса масса воды поднимается за время откачки, вода в трубе показана условно. g = 9,81 м/с².

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →