7 КЛАС (дистанційне навчання)

Потужність

Важливою фізичною величиною, яка пов'язана з роботою, є, потужність.

 

Сходами можна піднятися, а можна і вибігти. В обох випадках виконується однакова робота, однак, у другому випадку вона виконується швидше.

 

Швидкість (інтенсивність) виконання роботи характеризує потужність. Чим більша потужність, тим менше часу необхідно для виконання роботи.

Потужність є швидкістю виконання роботи.

N=At,

де A — робота, t — час, N — потужність.

 

Зверни увагу!

Одиницею вимірювання потужності в системі СІ є ват (Вт) на честь шотландського винахідника Джеймса Ватта, в міжнародній системі потужність позначається — W.

Потужність дорівнює 1 ват, якщо за 1 секунду виконується работа величиною в 1 джоуль.

1 кіловат (кВт) =1000 Вт
1 мегават (МВт) =1000000 Вт
1 гігават (ГВт) =1000000000 Вт

Приклади потужності у повсякденному житті:

 

Вид роботи	Потужність, Вт
Людина крокує зі швидкістю 7 км/ч	60
Людина виконує важку фізичну роботу	200
Людина їде на велосипеді зі швидкістю 20 км/ч	700

Що таке “кінські сили”? Звідки вони взялися ?

Коли говорять про потужність двигуна, ми часто чуємо вираз “кінські сили” і вже звикли до нього. Але придивившись до нього очима фізика легко помітити протиріччя – так СИЛА чи ПОТУЖНІСТЬ, адже це різні речі. Отже “кінська сила” зовсім і не сила, при тому навіть і не кінська – це потужність. За визначенням потужність – це робота, яку виконує двигун за кожну секунду своєї праці. Кінська сила – потужність двигуна, який щосекунди виконує роботу, що дорівнює 75 кілограмометрів роботи. Тобто двигун потужністю в 1 кінську силу щосекунди виконує роботу, що дорівнює роботі по підняттю 1 кілограма на висоту 75 метрів (або навпаки 75 кілограм підняти на висоту 1 метр). Це нічого не говорить нам про силу, яку докладає двигун, а саме про роботу, яку він виконує щосекунди.

Чи може кінь при роботі щосекунди виконувати 75 кілограмометрів роботи? В окремі секунди він здатен розвинути і більшу потужність, наприклад коли перестрибує бар’єр, то протягом 1-2 секунд піднімає вагу свого тіла (а це близько 300 – 400 кілограм) на висоту 1 метра. Але працювати в такому ритмі протягом цілого дня, а потім і день за днем. як це робить механічний двигун, живий кінь не може.

Звідки ж взялася така назва “кінська сила”, якщо вона не відповідає потужності коня? Назва народилася випадково і ось при яких обставинах. За днів відомого шотландського винахідника парової машини Джеймса Уатта, жив в Англії пивовар. І ось він вирішив поставити у себе парову машину для приведення у дію водяного насоса. До того часу насос працював на кінській тязі і замовник поставив винахіднику умову – щоб машина була не менш продуктивна ніж кінь. Уатт прийняв цю вимогу. Щоб порівняти роботу машини і коня, пивовар вибрав самого сильного коня і наказав робітникам цілий день нещадно ганяти бідну тварину. При таких екстремальних умовах кінь накачав скільки води, що враховуючи глибину, з якої її брали, потужність коня треба було оцінити в 70 кілограмометрів.

Уатт знав про хитрість замовника, але також він добре знав і високу потужність своєї парової машини. Тому він прийняв перебільшену оцінку пивовара і навіть підняв її до 75 кілограмометрів. З тих пір і прийнято рахувати “кінську силу” рівною 75 кілограмометрам, хоча потужність живого коня ледь досягає 2/3 цієї величини.

Механічна робота 

    Слово «робота» нас супроводжує протягом всього життя. Однак у побуті цим словом ми називаємо будь-який вид людської діяльності: фізичну, розумову, творчу. У фізиці в це поняття вкладають інший зміст, а саме поняття механічної роботи. 

    Механічна робота виконується тоді, коли на тіло діє сила і тіло під дією цієї сили переміщується. 

    Цікаво, що крок людини еквівалентний роботі в 60,44 Дж (для людини масою 60 кг): занесення ноги – 2,8 Дж, горизонтальне переміщення тіла – 18,12 Дж; вертикальне переміщення тіла – 39,52 Дж. А протягом життя серце людини виконує таку ж роботу, яка потрібна була б для підйому поїзда на найвищу гору Європи – Монблан (4810 м).

         Величина, яку ми називаємо роботою, з’явилася в механіці лише в XIX ст. (майже через 150 років після відкриття законів руху Ньютона), коли людство все ширше стало використовувати машини і механізми. Адже про діючу машину так і кажуть, що вона «працює». Робота відбувається, коли трактор тягне плуг, орють ґрунт, коли двигун верстата обертає оброблювану деталь, коли підйомний кран піднімає вгору важкий вантаж, і т. д. 
        Це не означає, що робота виконується тільки машинами та механізмами. Адже і до появи тракторів, верстатів, підйомних кранів орали землю, обробляли вироби, піднімали вантажі. Робота виконується також тоді, коли збігає вода гірської річки, потужний двигун піднімає літак у небо, людина викочує бочку на певну висоту. Ви заходите до школи, відчиняєте двері, розтягуючи пружину вхідних дверей. Ви виконуєте роботу, прикладаючи силу, щоб відчинити двері й розтягти пружину. Розтягнута пружина теж виконує роботу – зачиняє за вами двері, якщо ви не робите цього самі. Отже, механічна робота виконується тоді, коли тіла переміщуються під дією сили.  

Цікаві задачі

Задача1.  Олексій та його приятелі вирушили в похід. Через деякий час вони зробили зупинку, щоб зварити каші. Олексій вирішив набрати води в криниці, яку вони знайшли в лісі. Криниця була наповнена водою лише до половини. Опустивши відро на дно криниці хлопчик почав його рівномірно піднімати. В якому випадку він виконав більшу роботу: на нижній чи верхні половині шляху? 

Задача 2.  В казці про Вовка та Лисицю є епізод, де Лисиця хитрістю забралася на віз з рибою, який тягнув старий кінь. Визначити, яку роботу виконав кінь, який впродовж 2 годин рівномірно тягнув сани горизонтальною дорогою зі швидкістю 9 км/год? Маса саней з рибою та Лисицею дорівнювала 500 кг, коефіцієнт тертя між полозам саней і поверхнею дороги становить 0,1. 

Задача 3. Ядро, на якому вилетів з дула гармати довжиною 2 м барон Мюнхаузен, має радіус 10 см. Тиск порохових газів дорівнює 40 МПа, атмосферний тиск становить 100 кПа. Визначити роботу, яку виконує сила тиску порохових газів і сила атмосферного тиску під час вильоту ядра.  

Виштовхувальна сила в рідинах та газах. Закон Архімеда

02.04.2020. 7Д, 7В, 7Є, 7Б. Повторити параграфи 22-29, 
пройти тест -онлайн.
https://forms.gle/NxidtzzhmiMXd9nU9

Пройти тест-онлайн

https://forms.gle/35CY66GTmTFyJuJD8

Чому можливе плавання величезних океанських судів, підводних човнів, повітряних куль, чому м’яч, який занурили у воду і відпустили, вискакує над поверхнею води, чому важкий камінь, який на суходолі не можна посунути з місця, легко підняти під водою.

Для доведення існування виштовхувальної сили проводимо фронтальний експеримент. Прикріплюємо циліндр до динамометра і, обережно занурюючи тіло у воду, спостерігаємо за пружиною динамометра. Спостерігаємо, що покази динамометра змінюються.  Отже, якась сила намагається виштовхнути, тіло занурене в воду.

З власного досвіду ви знаєте, що у воді підняти камінь значно легше, ніж коли він лежить на березі, тому що у воді на допомогу приходить виштовхувальна сила.

Закон, за яким можна розраховувати виштовхувальну силу, що діє на занурене в рідину тіло, відкрив давньогрецький вчений Архімед.

Тому виштовхувальну силу часто називають силою Архімеда (F_A).

Сила Архімеда зумовлена тим, що тиск рідини збільшується з глибиною (на нижню поверхню зануреного в рідину тіла рідина тисне з більшою силою, ніж на верхню, унаслідок цього рівнодійна сил тиску рідини на всі ділянки поверхні тіла напрямлена вгору - ця рівнодійна і є силою Архімеда).

Унаслідок занурення у воду тіла, підвішеного до пружинних ваг, їх покази зменшаться завдяки виштовхувальній силі: коли кажуть, що занурене у воду тіло «втрачає у вазі», насправді, звичайно, ніякої «втрати у вазі» немає (вага тіла, що перебуває у спокої, завжди дорівнює силі тяжіння), але внаслідок занурення тіла у воду (часткового або повного) вага тіла перерозподіляється між підвісом — вагами і опорою — водою (тому показ ваг дорівнює різниці між вагою тіла та модулем виштовхувальної сили). Тільки із цим застереженням можна умовно назвати показ ваг «вагою тіла у воді». Це так зване гідростатичне зважування, його можна застосовувати, коли густина тіла більша за густину рідини, щоб тіло тонуло у рідині (визначити відношення густини тіла до густини рідини за формулою , це співвідношення дозволяє знайти густину тіла, якщо відома густина рідини, або знайти густину рідини, якщо відома густина тіла).

Спочатку з’ясуємо, чому на будь-яке тіло, занурене в рідину, діє сила Архімеда. Тиск у кожній точці рідини передається однаково в усіх напрямках і залежить від глибини. Розглянемо сили тиску, які діють у рідині на всі поверхні зануреного в неї тіла.

Нехай тіло має форму прямокутного паралелепіпеда На верхню грань тіла діє тиск p₁ = р_р gh_l стовпчика рідини висотою h₁. Сила тиску на цю поверхню з боку рідини становить F₁ = p₁S = р_р gh₁S де р_р — густина рідини; S — площа поверхні тіла. Ця сила направлена вертикально вниз.

Тиск рідини на бічні грані змінюється з глибиною. Але на одному й тому самому рівні він однаковий. Тому сили тиску F, які діють на бічні поверхні, однакові й протилежно направлені, а їх рівнодійна дорівнює 0.

Нижня поверхня знаходиться на глибині h₂. Її площа така сама, як і верхньої грані. На нижню поверхню тіла діє сила F₂ = p₂S = р_р gh₂S, яка направлена вертикально вгору. Оскільки нижня поверхня знаходиться глибше ніж верхня (h₂ > h₁), а їх площі однакові, то сила F₂ більша за силу F₁. Їх рівнодійна дорівнює різниці цих сил і направлена вгору. Рівнодійна сил тиску рідини на нижню та верхню грані тіла і є тією результуючою силою, що виштовхує (або намагається виштовхнути) тіло з рідини:

    F_A = F₂ – F₁ = p₂S - p₁S =  р_р gh₂S - р_р gh₁S = ρ_рg(h₂ — h₁)S = ρ_рg V_т

Як видно з мал. h₂ — h₁ = h — висота прямокутного паралелепіпеда, а (h₂ — h₁) S = V_т — його об’єм. Остаточно можна записати, що

Закон Архімеда На тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини або газу в об’ємі тіла.            FA=ρрgVт

Для того, щоб розрахувати силу Архімеда, необхідно перемножити густину рідини, об’єм частини тіла, яка занурена в рідину і сталу величину g - прискорення вільного падіння.

Перевірити закон Архімеда можна за допомогою простого досліду.

Візьмемо два однакових динамометри і до гачка одного з них підвісимо відерце, а до іншого — невелике тіло. Перший динамометр покаже вагу відерця Р_1в, а другий — вагу тіла в повітрі Р_1т. У відливну посудину наллємо до рівня отвору відливної трубки воду . Підставимо відерце під трубку відливної посудини і зануримо тіло у воду. Покази обох динамометрів змінюються. Так і має бути. Динамометр, до якого підвішено відерце, тепер показує вагу відерця і води, що вилилася з посудини (витиснутої тілом). На занурене в рідину тіло Р_2в діє виштов-хувальна сила Р_2т. Тому покази динамометра, до якого воно підвішене, зменшилися. Проте відерце з водою стало важчим настільки, наскільки зменшилися покази динамометра з тілом: 

 Р_1т   -  Р_2т = Р_2в - Р_1в

Отже, виштовхувальна сила дійсно дорівнює вазі витиснутої тілом води.

Сила Архімеда залежить від густини рідини, об’єму тіла і не залежить від форми тіла, густини тіла.

Розглянемо тіло, повністю занурене в рідину. На нього діє сила тяжіння Р_тяж, направлена вертикально вниз, і сила Архімеда F_A, направлена вгору. Ви знаєте, що за умовою рівноваги тіло перебуває в спокої, якщо рівнодійна усіх сил, які на нього діють, дорівнює 0. Тому можливі такі випадки:

1. Р_тяж = F_a  Тіло плаває всередині рідини, якщо його густина дорівнює густині рідини. р_т = р_р

Далі так само одержимо умови для випадків, коли тіло тоне і спливає.

2. Р_тяж  > F_a  сили тяжіння і сили Архімеда направлена униз; р_т > р_р. Тіло тоне, якщо його густина більша, ніж густина рідини .

3.  Р_тяж  < F_a — рівнодійна сили тяжіння і сили Архімеда направлена угору; р_т < р_р. Тіло спливає, піднімається до поверхні рідини, якщо його густина менша за густину рідини .

Ці три випадки й визначають умови плавання тіл.

Приладом, принцип дії якого ґрунтується на законі Архімеда, є ареометр сталої ваги, який плаває на різних рівнях в рідинах з різною густиною . Ареометр занурюється в рідину доти, доки вага витісненої рідини не зрівняється з його вагою. Ареометр проградуйовано для вимірювання густини рідини в кілограмах на кубічний метр (кг/м³). Він плаває вертикально, оскільки його колба навантажена свинцевими дробинками. Оскільки густина рідин залежить від температури, деякі ареометри у нижній частині мають термометри За допомогою ареометрів контролюють густину електроліту в акумуляторах, густину різних продуктів харчування, зокрема пива, молока, вина для виявлення наявності води. Результат вимірювання густини зчитують за шкалою ареометра так, як показано на мал.

---

Виштовхувальна дія газів

Архімед мабуть не здогадувався, що відкритий ним закон справджується не лише для рідин. Гази так само, як і рідини, мають вагу. Як і рідини, гази згідно із законом Паскаля передають тиск в усіх напрямках однаково. Густина газів у сотні, а то й у тисячі разів менша, ніж густина рідин. Відповідно, вага однакових об’ємів рідин і газів розрізняється у стільки само разів . Тому виштовхувальна сила газів стає помітною для тіл досить великих об’ємів. Ви мабуть неодноразово спостерігали, як зринають у небо надувні кульки, наповнені легким газом . Під дією виш-товхувальної сили атмосферного повітря піднімаються вгору повітряні кулі і стратостати, наповнені теплим повітрям або легким газом .

Переконатися у виштовхувальній дії газу можна так.Під ковпак повітряного насоса поміщають важіль. На одному з його кінців закріплюють закриту скляну порожнисту кулю, а на іншому, для рівноваги, — маленьку гирьку . Якщо відкачати з-під ковпака повітря, то рівновага порушується: куля переважує гирьку. Оскільки об’єм кулі значно більший, ніж гирі, в повітрі на кулю діє значно більша сила Архімеда. Виштовху-вальну силу повітря доводиться враховувати під час точних зважувань, якщо об’єм тіла значно відрізняється від об’єму гир. У результат зважування вносять відповідні поправки.

Закон Архімеда для рідин і газів формулюється так:

На будь-яке тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовху-вальна сила, направлена вертикально вгору, значення якої дорівнює вазі рідини або газу, витіснених цим тілом.

,