La corrente elettrica viene generata per essere utilizzata in futuro per determinati scopi, per eseguire qualche tipo di lavoro. Grazie all'elettricità, tutti i dispositivi, i dispositivi e le apparecchiature funzionano. Il lavoro stesso rappresenta un certo sforzo applicato per spostare una carica elettrica su una determinata distanza. Convenzionalmente, tale lavoro all'interno di una sezione del circuito sarà uguale al valore numerico della tensione in questa sezione.

Per eseguire i calcoli necessari, è necessario sapere come viene misurato il lavoro della corrente. Tutti i calcoli vengono eseguiti sulla base dei dati iniziali ottenuti utilizzando strumenti di misurazione. Maggiore è la carica, maggiore sarà lo sforzo necessario per spostarla e maggiore sarà il lavoro svolto.

Come si chiama il lavoro della corrente?

La corrente elettrica, come quantità fisica, di per sé non ha significato pratico. Il fattore più importante è l'effetto della corrente, caratterizzato dal lavoro che svolge. L'opera stessa rappresenta determinate azioni durante le quali un tipo di energia si trasforma in un altro. Ad esempio, l'energia elettrica viene convertita in energia meccanica ruotando l'albero del motore. Il lavoro stesso corrente elettrica consiste nel movimento di cariche in un conduttore sotto l'influenza di un campo elettrico. In effetti, tutto il lavoro compiuto dalle particelle cariche in movimento è svolto dal campo elettrico.

Per eseguire i calcoli, è necessario derivare una formula per il funzionamento della corrente elettrica. Per compilare le formule, avrai bisogno di parametri come la forza attuale e. Poiché il lavoro compiuto da una corrente elettrica e il lavoro compiuto da un campo elettrico sono la stessa cosa, sarà espresso come il prodotto della tensione e della carica che scorre nel conduttore. Cioè: A = Uq. Questa formula è stata ricavata dalla relazione che determina la tensione nel conduttore: U = A/q. Ne consegue che la tensione rappresenta il lavoro compiuto dal campo elettrico A per trasportare una particella carica q.

La particella carica o carica stessa viene visualizzata come il prodotto della corrente e del tempo impiegato a spostare questa carica lungo il conduttore: q = It. In questa formula è stata utilizzata la relazione per l'intensità di corrente nel conduttore: I = q/t. Cioè, è il rapporto tra la carica e il periodo di tempo durante il quale la carica attraversa la sezione trasversale del conduttore. Nella sua forma finale, la formula per il lavoro della corrente elettrica assomiglierà al prodotto di quantità note: A = UIt.

In quali unità si misura il lavoro della corrente elettrica?

Prima di affrontare direttamente la questione di come si misura il lavoro della corrente elettrica, è necessario raccogliere le unità di misura di tutti quantità fisiche, con l'aiuto del quale viene calcolato questo parametro. Ad ogni lavoro effettuato, quindi, l'unità di misura di tale quantità sarà 1 Joule (1 J). La tensione viene misurata in volt, la corrente in ampere e il tempo in secondi. Ciò significa che l'unità di misura sarà simile a questa: 1 J = 1 V x 1 A x 1 s.

Sulla base delle unità di misura ottenute, il lavoro della corrente elettrica sarà determinato come il prodotto dell'intensità di corrente in una sezione del circuito, della tensione alle estremità della sezione e del periodo di tempo durante il quale la corrente scorre attraverso la sezione conduttore.

Le misurazioni vengono eseguite utilizzando un voltmetro e un orologio. Questi dispositivi ti consentono di risolvere efficacemente il problema di come trovarlo valore esatto questo parametro. Quando si collega un amperometro e un voltmetro al circuito, è necessario monitorare le loro letture per un periodo di tempo specificato. I dati ottenuti vengono inseriti nella formula, dopodiché viene visualizzato il risultato finale.

Le funzioni di tutti e tre i dispositivi sono combinate in contatori elettrici che tengono conto dell'energia consumata e, di fatto, del lavoro svolto dalla corrente elettrica. Qui viene utilizzata un'altra unità: 1 kW x h, che significa anche la quantità di lavoro svolto nell'unità di tempo.

Conosci già il lavoro meccanico (lavoro della forza) dal corso di fisica scolastica di base. Ricordiamo la definizione di lavoro meccanico ivi data per i seguenti casi.

Se la forza è diretta nella stessa direzione del movimento del corpo, allora il lavoro compiuto dalla forza

In questo caso il lavoro compiuto dalla forza è positivo.

Se la forza è diretta in modo opposto al movimento del corpo, allora il lavoro svolto dalla forza

In questo caso il lavoro compiuto dalla forza è negativo.

Se la forza f_vec è diretta perpendicolarmente allo spostamento s_vec del corpo, allora il lavoro compiuto dalla forza è zero:

Il lavoro è una quantità scalare. L'unità di lavoro è chiamata joule (simbolo: J) in onore dello scienziato inglese James Joule, che ebbe un ruolo importante nella scoperta della legge di conservazione dell'energia. Dalla formula (1) segue:

1J = 1N*m.

1. Un blocco del peso di 0,5 kg è stato spostato lungo il tavolo per 2 m, applicando ad esso una forza elastica di 4 N (Fig. 28.1). Il coefficiente di attrito tra il blocco e il tavolo è 0,2. Qual è il lavoro che agisce sul blocco?
a) gravità m?
b) forze di reazione normali?
c) forze elastiche?
d) forze di attrito radente tr?

Il lavoro totale compiuto da più forze agenti su un corpo può essere calcolato in due modi:
1. Trova il lavoro di ciascuna forza e somma questi lavori, tenendo conto dei segni.
2. Trova la risultante di tutte le forze applicate al corpo e calcola il lavoro della risultante.

Entrambi i metodi portano allo stesso risultato. Per accertartene, torna all'attività precedente e rispondi alle domande dell'attività 2.

2. A cosa equivale:
a) la somma del lavoro compiuto da tutte le forze agenti sul blocco?
b) la risultante di tutte le forze agenti sul blocco?
c) lavoro risultante? Nel caso generale (quando la forza f_vec è diretta con un angolo arbitrario rispetto allo spostamento s_vec) la definizione del lavoro della forza è la seguente.

Il lavoro A di una forza costante è uguale al prodotto del modulo di forza F per il modulo di spostamento s e il coseno dell'angolo α tra la direzione della forza e la direzione dello spostamento:

A = Fs cos α (4)

3. Mostrare che la definizione generale di lavoro porta alle conclusioni mostrate nel diagramma seguente. Formulateli verbalmente e annotateli sul tuo quaderno.

4. Ad un blocco situato sul tavolo viene applicata una forza, il cui modulo è 10 N. Perché l'angolo è uguale tra questa forza e il movimento del blocco, se spostando il blocco lungo il tavolo di 60 cm, questa forza ha compiuto il lavoro: a) 3 J; b) –3 J; c) –3 J; d) –6J? Realizza disegni esplicativi.

2. Lavoro di gravità

Lasciamo che un corpo di massa m si sposti verticalmente dall'altezza iniziale h n all'altezza finale h k.

Se il corpo si muove verso il basso (h n > h k, Fig. 28.2, a), la direzione del movimento coincide con la direzione della gravità, quindi il lavoro della gravità è positivo. Se il corpo si muove verso l'alto (h n< h к, рис. 28.2, б), то работа силы тяжести отрицательна.

In entrambi i casi, il lavoro compiuto dalla gravità

A = mg(h n – h k). (5)

Cerchiamo ora di trovare il lavoro compiuto dalla gravità quando ci si muove ad angolo rispetto alla verticale.

5. Un piccolo blocco di massa m scivola lungo un piano inclinato di lunghezza s e altezza h (Fig. 28.3). Il piano inclinato forma un angolo α con la verticale.

a) Qual è l'angolo tra la direzione della gravità e la direzione del movimento del blocco? Realizza un disegno esplicativo.
b) Esprimere il lavoro della gravità in termini di m, g, s, α.
c) Esprimere s in termini di h e α.
d) Esprimere il lavoro della gravità in termini di m, g, h.
e) Qual è il lavoro compiuto dalla gravità quando il blocco si muove verso l'alto lungo tutto lo stesso piano?

Dopo aver completato questo compito, sei convinto che il lavoro di gravità sia espresso dalla formula (5) anche quando il corpo si muove ad angolo rispetto alla verticale, sia verso il basso che verso l'alto.

Ma allora la formula (5) per il lavoro di gravità è valida quando un corpo si muove lungo una traiettoria qualsiasi, perché qualsiasi traiettoria (Fig. 28.4, a) può essere rappresentata come un insieme di piccoli “piani inclinati” (Fig. 28.4, b) .

Così,
il lavoro compiuto dalla gravità quando si muove lungo una traiettoria qualsiasi è espresso dalla formula

A t = mg(h n – h k),

dove h n è l'altezza iniziale del corpo, h k è la sua altezza finale.
Il lavoro compiuto dalla gravità non dipende dalla forma della traiettoria.

Ad esempio, il lavoro compiuto dalla gravità quando si sposta un corpo dal punto A al punto B (Fig. 28.5) lungo la traiettoria 1, 2 o 3 è lo stesso. Da qui, in particolare, ne consegue che la forza di gravità quando si muove lungo una traiettoria chiusa (quando il corpo ritorna al punto di partenza) è pari a zero.

6. Una palla di massa m appesa a un filo di lunghezza l veniva deviata di 90º, mantenendo il filo teso, e rilasciata senza spinta.
a) Qual è il lavoro compiuto dalla gravità durante il tempo in cui la palla si sposta nella posizione di equilibrio (Fig. 28.6)?
b) Qual è il lavoro compiuto dalla forza elastica del filo nello stesso tempo?
c) Qual è il lavoro compiuto dalle forze risultanti applicate alla palla nello stesso tempo?

3. Lavoro della forza elastica

Quando la molla ritorna in uno stato indeformato, la forza elastica compie sempre un lavoro positivo: la sua direzione coincide con la direzione del movimento (Fig. 28.7).

Troviamo il lavoro compiuto dalla forza elastica.
Il modulo di questa forza è legato al modulo di deformazione x dalla relazione (vedi § 15)

Il lavoro svolto da tale forza può essere trovato graficamente.

Notiamo innanzitutto che il lavoro compiuto da una forza costante è numericamente uguale all'area del rettangolo sotto il grafico della forza rispetto allo spostamento (Fig. 28.8).

La Figura 28.9 mostra un grafico di F(x) per la forza elastica. Dividiamo mentalmente l'intero movimento del corpo in intervalli così piccoli che la forza su ciascuno di essi possa essere considerata costante.

Allora il lavoro su ciascuno di questi intervalli è numericamente uguale all'area della figura sotto la corrispondente sezione del grafico. Tutto il lavoro è uguale alla somma del lavoro in queste aree.

Di conseguenza, in questo caso, il lavoro è numericamente uguale all'area della figura sotto il grafico della dipendenza F(x).

7. Utilizzando la Figura 28.10, dimostralo

il lavoro compiuto dalla forza elastica quando la molla ritorna allo stato indeformato è espresso dalla formula

A = (kx2)/2. (7)

8. Utilizzando il grafico nella Figura 28.11, dimostrare che quando la deformazione della molla cambia da x n a x k, il lavoro della forza elastica è espresso dalla formula

Dalla formula (8) vediamo che il lavoro della forza elastica dipende solo dalla deformazione iniziale e finale della molla Pertanto, se il corpo prima si deforma e poi ritorna allo stato iniziale, allora il lavoro della forza elastica lo è zero. Ricordiamo che il lavoro della gravità ha la stessa proprietà.

9.B momento iniziale l'allungamento di una molla con rigidezza pari a 400 N/m è 3 cm La molla si allunga di altri 2 cm.
a) Qual è la deformazione finale della molla?
b) Qual è il lavoro compiuto dalla forza elastica della molla?

10. Nel momento iniziale, una molla con rigidezza di 200 N/m viene allungata di 2 cm, e nel momento finale viene compressa di 1 cm. Qual è il lavoro compiuto dalla forza elastica della molla?

4. Lavoro della forza di attrito

Lasciare scorrere il corpo lungo un supporto fisso. La forza di attrito radente che agisce sul corpo è sempre diretta in senso opposto al movimento e, pertanto, il lavoro della forza di attrito radente è negativo in qualsiasi direzione del movimento (Fig. 28.12).

Pertanto, se si sposta il blocco a destra e il piolo della stessa distanza a sinistra, anche se tornerà nella sua posizione iniziale, il lavoro totale svolto dalla forza di attrito radente non sarà uguale a zero. Questa è la differenza più importante tra il lavoro dell'attrito radente e il lavoro della gravità e dell'elasticità. Ricordiamo che il lavoro compiuto da queste forze quando si sposta un corpo lungo una traiettoria chiusa è zero.

11. Un blocco con una massa di 1 kg è stato spostato lungo il tavolo in modo che la sua traiettoria risultasse essere un quadrato con un lato di 50 cm.
a) Il blocco è tornato al punto di partenza?
b) Qual è il lavoro totale compiuto dalla forza di attrito che agisce sul blocco? Il coefficiente di attrito tra il blocco e il tavolo è 0,3.

5.Potenza

Spesso non è importante solo il lavoro svolto, ma anche la velocità con cui viene svolto. È caratterizzato dal potere.

La potenza P è il rapporto tra il lavoro svolto A e il periodo di tempo t durante il quale tale lavoro è stato svolto:

(A volte la potenza in meccanica è indicata con la lettera N, e in elettrodinamica con la lettera P. Troviamo più conveniente usare la stessa designazione per potenza.)

L'unità di potenza è il watt (simbolo: W), dal nome dell'inventore inglese James Watt. Dalla formula (9) segue che

1 W = 1 J/s.

12. Quale potenza sviluppa una persona sollevando uniformemente un secchio d'acqua del peso di 10 kg ad un'altezza di 1 m per 2 s?

Spesso è conveniente esprimere il potere non attraverso il lavoro e il tempo, ma attraverso la forza e la velocità.

Consideriamo il caso in cui la forza è diretta lungo lo spostamento. Allora il lavoro compiuto dalla forza A = Fs. Sostituendo questa espressione nella formula (9) al posto della potenza, otteniamo:

P = (Fs)/t = F(s/t) = Fv. (10)

13. Un'auto viaggia su una strada orizzontale alla velocità di 72 km/h. Allo stesso tempo, il suo motore sviluppa una potenza di 20 kW. Qual è la forza che resiste al movimento dell'auto?

Traccia. Quando un'auto si muove lungo una strada orizzontale a velocità costante, la forza di trazione è uguale in grandezza alla forza di resistenza al movimento dell'auto.

14. Quanto tempo occorrerà per sollevare uniformemente un blocco di cemento del peso di 4 tonnellate ad un'altezza di 30 m se la potenza del motore della gru è di 20 kW e l'efficienza del motore elettrico della gru è del 75%?

Traccia. L'efficienza di un motore elettrico è pari al rapporto tra il lavoro di sollevamento del carico e il lavoro del motore.

Domande e compiti aggiuntivi

15. Una palla con una massa di 200 g è stata lanciata da un balcone con un'altezza di 10 e un angolo di 45º rispetto all'orizzontale. Raggiunta in volo un'altezza massima di 15 m, la palla cadde a terra.
a) Qual è il lavoro compiuto dalla gravità quando si solleva la palla?
b) Qual è il lavoro compiuto dalla gravità quando la palla viene abbassata?
c) Qual è il lavoro compiuto dalla gravità durante l'intero volo della palla?
d) Sono presenti dati aggiuntivi nella condizione?

16. Una palla con una massa di 0,5 kg è sospesa a una molla con rigidezza di 250 N/m ed è in equilibrio. La sfera viene sollevata in modo che la molla non si deformi e si rilasci senza spinta.
a) A quale altezza è stata sollevata la palla?
b) Qual è il lavoro compiuto dalla gravità durante il tempo in cui la palla si sposta nella posizione di equilibrio?
c) Qual è il lavoro compiuto dalla forza elastica durante il tempo in cui la palla si sposta nella posizione di equilibrio?
d) Qual è il lavoro compiuto dalla risultante di tutte le forze applicate alla palla durante il tempo in cui la palla si sposta nella posizione di equilibrio?

17. Una slitta del peso di 10 kg scende da montagna innevata con un angolo di inclinazione α = 30º e percorrere una certa distanza lungo una superficie orizzontale (Fig. 28.13). Il coefficiente di attrito tra la slitta e la neve è 0,1. La lunghezza della base della montagna è l = 15 m.

a) Qual è l'intensità della forza di attrito quando la slitta si muove su una superficie orizzontale?
b) Qual è il lavoro compiuto dalla forza di attrito quando la slitta si muove lungo una superficie orizzontale per una distanza di 20 m?
c) Qual è l'intensità della forza di attrito quando la slitta si muove lungo la montagna?
d) Qual è il lavoro compiuto dalla forza di attrito durante l'abbassamento della slitta?
e) Qual è il lavoro compiuto dalla gravità quando si abbassa la slitta?
f) Qual è il lavoro compiuto dalle forze risultanti che agiscono sulla slitta mentre scende dalla montagna?

18. Un'auto del peso di 1 tonnellata si muove a una velocità di 50 km/h. Il motore sviluppa una potenza di 10 kW. Il consumo di benzina è di 8 litri per 100 km. La densità della benzina è di 750 kg/m 3, e il suo calore specifico combustione 45 MJ/kg. Qual è l'efficienza del motore? Sono presenti dati aggiuntivi nella condizione?
Traccia. L'efficienza di un motore termico è pari al rapporto tra il lavoro svolto dal motore e la quantità di calore rilasciata durante la combustione del carburante.

Quando i corpi interagiscono impulso un corpo può essere trasferito parzialmente o completamente in un altro corpo. Se un sistema di corpi non è influenzato da forze esterne provenienti da altri corpi, viene chiamato tale sistema Chiuso.

Questa legge fondamentale della natura si chiama legge di conservazione della quantità di moto.È una conseguenza del secondo e del terzo Le leggi di Newton.

Consideriamo due corpi interagenti che fanno parte di un sistema chiuso. Indichiamo le forze di interazione tra questi corpi con e Secondo la terza legge di Newton Se questi corpi interagiscono durante il tempo t, allora gli impulsi delle forze di interazione sono uguali in grandezza e diretti in direzioni opposte: Applichiamo la seconda legge di Newton a questi corpi :

dove e sono gli impulsi dei corpi nel momento iniziale e sono gli impulsi dei corpi alla fine dell'interazione. Da queste relazioni segue:

Questa uguaglianza significa che come risultato dell'interazione di due corpi, la loro quantità di moto totale non è cambiata. Considerando ora tutte le possibili interazioni di coppia di corpi inclusi in un sistema chiuso, possiamo concludere che le forze interne di un sistema chiuso non possono modificare la sua quantità di moto totale, cioè la somma vettoriale della quantità di moto di tutti i corpi inclusi in questo sistema.

Lavoro meccanico e potenza

Le caratteristiche energetiche del movimento vengono introdotte sulla base del concetto lavoro meccanico O lavoro di forza.

Lavoro A compiuto da una forza costanteè una quantità fisica pari al prodotto della forza e dei moduli di spostamento moltiplicato per il coseno dell'angolo α tra i vettori della forza e movimenti(Fig. 1.1.9):

Il lavoro è una quantità scalare. Può essere positivo (0° ≤ α< 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в joule (J).

Un joule è uguale al lavoro compiuto da una forza di 1 N per spostarsi di 1 m nella direzione della forza.

Se la proiezione della forza sulla direzione del movimento non rimane costante, occorre calcolare il lavoro per piccoli spostamenti e sommare i risultati:

Un esempio di forza il cui modulo dipende dalla coordinata è la forza elastica di una molla che obbedisce La legge di Hooke. Per allungare una molla è necessario applicarle una forza esterna, il cui modulo è proporzionale all'allungamento della molla (Fig. 1.1.11).

La dipendenza del modulo della forza esterna dalla coordinata x è rappresentata nel grafico come una linea retta (Fig. 1.1.12).

In base all’area del triangolo di Fig. 1.18.4 si può determinare il lavoro compiuto da una forza esterna applicata all'estremità libera destra della molla:

La stessa formula esprime il lavoro compiuto da una forza esterna quando comprime una molla. In entrambi i casi il lavoro della forza elastica è uguale in grandezza al lavoro della forza esterna e di segno opposto.

Se ad un corpo vengono applicate più forze, il lavoro totale di tutte le forze è uguale alla somma algebrica del lavoro svolto dalle singole forze, ed è uguale al lavoro risultante delle forze applicate.

Si chiama il lavoro compiuto da una forza per unità di tempo energia. La potenza N è una quantità fisica pari al rapporto tra il lavoro A e il periodo di tempo t durante il quale tale lavoro è stato eseguito.

IN Vita di ogni giorno Spesso ci imbattiamo in un concetto come il lavoro. Cosa significa questa parola in fisica e come determinare il lavoro della forza elastica? Troverai le risposte a queste domande nell'articolo.

Lavoro meccanico

Il lavoro è una quantità algebrica scalare che caratterizza la relazione tra forza e spostamento. Se la direzione di queste due variabili coincide, si calcola utilizzando la seguente formula:

• F- modulo del vettore forza che compie il lavoro;
• S- modulo vettore di spostamento.

Non sempre una forza che agisce su un corpo compie lavoro. Ad esempio, il lavoro compiuto dalla gravità è zero se la sua direzione è perpendicolare al movimento del corpo.

Se il vettore forza forma un angolo diverso da zero con il vettore spostamento, è necessario utilizzare un'altra formula per determinare il lavoro:

A=FScosα

α - l'angolo tra i vettori forza e spostamento.

Significa, lavoro meccanico è il prodotto della proiezione della forza sulla direzione dello spostamento e il modulo dello spostamento, oppure il prodotto della proiezione dello spostamento sulla direzione della forza e il modulo di questa forza.

Segno di lavoro meccanico

A seconda della direzione della forza rispetto al movimento del corpo, il lavoro A può essere:

• positivo (0°≤ α<90°);
• negativo (90°<α≤180°);
• uguale a zero (α=90°).

Se A>0 la velocità del corpo aumenta. Un esempio è una mela che cade da un albero a terra. All'A<0 сила препятствует ускорению тела. Например, действие силы трения скольжения.

L'unità di lavoro SI (Sistema Internazionale di Unità) è Joule (1N*1m=J). Un joule è il lavoro compiuto da una forza, il cui valore è 1 Newton, quando un corpo si muove di 1 metro nella direzione della forza.

Lavoro della forza elastica

Il lavoro della forza può essere determinato anche graficamente. Per fare ciò, calcola l'area della figura curvilinea sotto il grafico F s (x).

Pertanto, dal grafico della dipendenza della forza elastica dall'allungamento della molla, si può ricavare la formula del lavoro della forza elastica.

È uguale a:

A=kx2/2

• K- rigidità;
• X- allungamento assoluto.

Cosa abbiamo imparato?

Il lavoro meccanico viene eseguito quando viene applicata una forza a un corpo, che ne provoca il movimento. A seconda dell'angolo che si forma tra la forza e lo spostamento, il lavoro può essere nullo oppure avere segno negativo o positivo. Usando l'esempio della forza elastica, hai imparato un metodo grafico per determinare il lavoro.

Informazioni teoriche di base

Lavoro meccanico

Le caratteristiche energetiche del movimento vengono introdotte sulla base del concetto lavoro meccanico o lavoro di forza. Lavoro compiuto da una forza costante F, è una quantità fisica pari al prodotto della forza e dei moduli di spostamento moltiplicato per il coseno dell'angolo tra i vettori della forza F e movimenti 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, costruisci un grafico della forza rispetto allo spostamento e trova 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 controllo = kx).

Energia

Si chiama il lavoro compiuto da una forza per unità di tempo energia. Energia P(a volte indicato con la lettera N) – grandezza fisica pari al rapporto di lavoro UN ad un periodo di tempo 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(se, ovviamente, si conoscono 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:

Usando 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 fai a sapere quale potenza contare? Se il problema richiede potenza in un momento temporale o in un punto qualsiasi dello spazio, allora viene considerato istantaneo. Se chiedono informazioni sulla potenza per un determinato periodo di tempo o parte 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 quale è sprecato viene determinato dalle condizioni di un compito specifico attraverso il ragionamento logico. Ad esempio, se una gru svolge il lavoro di sollevare un carico ad una certa altezza, allora il lavoro utile sarà il lavoro di sollevamento del carico (poiché è per questo scopo che è stata creata la gru), e il lavoro speso sarà il lavoro svolto dal motore elettrico della gru.

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 l'obiettivo del lavoro in questo compito (lavoro utile o potere) e quale fosse il meccanismo o il modo di eseguire tutto il lavoro (potere o lavoro speso).

In generale, l’efficienza mostra quanto efficientemente un 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 di un corpo per il quadrato della sua velocità energia cinetica del corpo (energia del movimento):

Cioè, se un'auto che pesa 2000 kg si muove alla velocità di 10 m/s, allora ha un'energia cinetica pari a E k = 100 kJ ed è in grado di compiere 100 kJ di lavoro. Questa energia può trasformarsi in calore (quando un'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 contro cui l'auto si scontra (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 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 in riposo con una massa M cominciò a muoversi velocemente vè necessario compiere un lavoro pari al valore ottenuto dell'energia cinetica. Se il corpo ha una massa M si muove a velocità v, allora per fermarlo è necessario compiere un lavoro pari alla sua energia cinetica iniziale. In frenata l'energia cinetica viene principalmente (tranne nei casi di impatto, quando l'energia va a deformazione) “portata via” dalla forza di attrito.

Teorema sull'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, quando un corpo si muove sotto l'influenza di una forza variabile, la cui direzione non coincide con la direzione del movimento. È conveniente applicare questo teorema ai problemi che coinvolgono l'accelerazione e la decelerazione di un corpo.

Energia potenziale

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

L'energia potenziale è determinata dalla posizione relativa dei corpi (ad esempio, la posizione del corpo rispetto alla superficie della Terra). 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 compiuto da tali forze su una traiettoria chiusa è zero. Questa proprietà è posseduta dalla gravità e dalla forza elastica. 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 di un corpo: l'energia potenziale è uguale al lavoro compiuto dalla gravità quando si abbassa il corpo al livello zero ( H– distanza dal baricentro del corpo al livello zero). Se un corpo ha energia potenziale, allora è in grado di compiere lavoro quando cade da un'altezza H al livello zero. Il lavoro compiuto dalla gravità è pari alla variazione dell'energia potenziale del corpo, presa con il segno opposto:

Spesso nei problemi energetici bisogna trovare il lavoro di sollevare (girare, uscire da un buco) 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. Ciò che ha un significato fisico non è l'energia potenziale in sé, ma il suo cambiamento quando un corpo si sposta da una posizione all'altra. Questo cambiamento è indipendente dalla scelta del livello zero.

Energia potenziale di una molla allungata calcolato con la formula:

Dove: K– rigidità della molla. Una molla estesa (o compressa) può mettere in movimento un corpo ad essa attaccato, cioè impartire energia cinetica a questo corpo. Di conseguenza, una tale molla ha una riserva di energia. Tensione o compressione X deve essere calcolato dallo stato indeformato del corpo.

L'energia potenziale di un corpo elasticamente deformato è uguale al lavoro compiuto dalla 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, poi 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 dal percorso percorso (questo tipo di forza, il cui lavoro dipende dalla traiettoria e dal percorso percorso si chiama: forze dissipative). Non è possibile introdurre il concetto di energia potenziale per la forza di attrito.

Efficienza

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

L’efficienza può essere calcolata sia attraverso il lavoro che attraverso la potenza. Il lavoro utile e speso (potere) sono sempre determinati 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 unico punto di vista 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 una frazione dell'energia spesa, cioè come una 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%.

Un problema in cui è necessario trovare l'efficienza o è noto, è necessario iniziare con un ragionamento logico: quale lavoro è utile e quale è sprecato.

Legge di conservazione dell'energia meccanica

Energia meccanica totaleè chiamata 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):

Se l'energia meccanica non si trasforma in altre forme, ad esempio in energia interna (termica), la somma dell'energia cinetica e potenziale rimane invariata. Se l'energia meccanica si trasforma 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 dell'energia cinetica e potenziale dei corpi che compongono un sistema chiuso (cioè in cui non agiscono forze esterne e il loro lavoro è corrispondentemente nullo) e delle forze gravitazionali ed elastiche che interagiscono tra loro rimane invariata:

Questa affermazione esprime legge di conservazione dell'energia (LEC) 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 di un sistema di corpi. La legge afferma 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 relazione tra le coordinate e le velocità di un corpo in due diversi punti della traiettoria senza analizzare la legge del moto del corpo in tutti i punti intermedi. L'applicazione della legge di conservazione dell'energia meccanica può semplificare notevolmente la soluzione di molti problemi.

Nelle condizioni reali sui corpi in movimento agiscono quasi sempre, oltre alle forze gravitazionali, alle forze elastiche e ad altre forze, anche forze di attrito o forze di resistenza ambientale. Il lavoro compiuto dalla 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). Pertanto, l’energia nel suo insieme (cioè non solo quella meccanica) viene comunque conservata.

Durante qualsiasi interazione fisica, l'energia non appare né scompare. Cambia semplicemente da una forma all'altra. Questo fatto stabilito sperimentalmente esprime una 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 sull'impossibilità di creare una "macchina a moto perpetuo" (perpetuum mobile) - una macchina che potrebbe lavorare indefinitamente senza consumare energia.

Vari compiti per il lavoro

Se il problema richiede la ricerca di lavoro meccanico, seleziona prima un metodo per trovarlo:

1. Un lavoro può essere trovato utilizzando la formula: UN = FS∙cos α . Trova la forza che compie il lavoro e l'entità dello spostamento del corpo sotto l'influenza di questa forza nel sistema di riferimento scelto. Si noti che l'angolo deve essere scelto tra i vettori forza e spostamento.
2. Il lavoro compiuto da una forza esterna può essere trovato come differenza di 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 calcolato utilizzando la formula: UN = mgh, Dove H- altezza a cui sorge 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 della figura sotto il grafico della forza rispetto allo spostamento o della potenza rispetto al tempo.

Legge di conservazione dell'energia e dinamica del moto rotatorio

I problemi di questo argomento sono matematicamente piuttosto complessi, ma se si conosce l'approccio, possono essere risolti utilizzando un algoritmo completamente standard. In tutti i problemi dovrai considerare la rotazione del corpo nel piano verticale. La soluzione si ridurrà alla seguente sequenza di azioni:

1. Devi determinare il punto che ti interessa (il punto in cui devi determinare la velocità del corpo, la forza di tensione del filo, il peso e così via).
2. Scrivi a questo punto la seconda legge di Newton, tenendo conto 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 nell'altra.
5. Eseguire le restanti operazioni matematiche necessarie per ottenere il risultato finale.

Quando risolvi i problemi, devi ricordare che:

• La condizione per superare il punto superiore durante la rotazione su una filettatura alla velocità minima è la forza di reazione del supporto N nel punto più alto è 0. La stessa condizione è soddisfatta quando si supera 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 di un corpo dalla superficie della sfera è che la forza di reazione del supporto nel punto di separazione sia zero.

Urti anelastici

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 questo tipo di problema è l'interazione d'impatto dei corpi.

Per impatto (o collisione)È consuetudine chiamare un'interazione a breve termine dei corpi, a seguito della quale le loro velocità subiscono cambiamenti significativi. Durante una 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 d'impatto utilizzando direttamente le 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 stesso e ottenere una connessione tra le velocità dei corpi prima e dopo la collisione, aggirando tutti i valori intermedi di queste quantità.

Spesso abbiamo a che fare con l'interazione d'impatto dei corpi nella vita di tutti i giorni, 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 Chiamano questa interazione di impatto in cui i corpi si collegano (si attaccano insieme) tra loro e si muovono come un unico corpo.

In un urto completamente anelastico l’energia meccanica non si conserva. Si trasforma parzialmente o completamente nell'energia interna dei corpi (riscaldamento). Per descrivere eventuali impatti è necessario trascrivere sia la legge di conservazione della quantità di moto che la legge di conservazione dell'energia meccanica, tenendo conto del calore sprigionato (è altamente consigliabile fare prima un disegno).

Impatto assolutamente elastico

Impatto assolutamente elastico chiamato 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, è 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.

Colpo 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 una collisione se si conosce la loro velocità prima della collisione. L'impatto centrale viene implementato molto raramente nella pratica, soprattutto quando si tratta di collisioni di atomi o molecole. In un urto elastico non centrale, le velocità delle particelle (sfere) prima e dopo l'urto non sono dirette su una linea retta.

Un caso speciale di impatto elastico decentrato può essere 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 un urto elastico sono sempre diretti perpendicolari tra loro.

Leggi di conservazione. Compiti complessi

Corpi multipli

In alcuni problemi sulla legge di conservazione dell'energia, i cavi con cui si muovono determinati 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 (ovvero del loro baricentro).

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

1. scegli un livello zero per calcolare l'energia potenziale, ad esempio a livello dell'asse di rotazione o a livello del punto più basso di uno dei pesi e assicurati di fare un disegno;
2. annotare la legge di conservazione dell'energia meccanica, in cui sul lato sinistro scriviamo la somma dell'energia cinetica e potenziale di entrambi i corpi nella situazione iniziale, e sul lato destro scriviamo la somma dell'energia cinetica e potenziale di entrambi gli organi nella situazione finale;
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.

Il proiettile è scoppiato

Quando un proiettile esplode, 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

Incontriamo 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 del piatto, dopo l'impatto la velocità del piatto non cambierà e continuerà a muoversi alla stessa velocità e nella stessa direzione. Come risultato dell'impatto elastico, la palla volerà via dal piatto. È importante capirlo qui 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 prima dell'impatto la palla e il piatto si muovevano nella stessa direzione porta al risultato che la velocità della palla diminuisce del doppio della velocità del muro:

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

1. Studia tutti gli argomenti e completa tutti i test e i compiti forniti nei materiali didattici 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 la 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 velocemente 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 da fare; in fisica ci sono solo circa 200 formule necessarie, e anche un po' meno in matematica. In ciascuna di queste materie 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, risolvendo la maggior parte dei CT 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 decidere su entrambe le opzioni. Ancora una volta, nel TC, oltre alla capacità di risolvere problemi in modo rapido ed efficiente e alla conoscenza di formule e metodi, è necessario anche essere in grado di pianificare correttamente il tempo, distribuire le forze e, soprattutto, compilare correttamente il modulo di risposta, senza confondere i numeri delle risposte e dei problemi, o il proprio cognome. Inoltre, durante il RT, è importante abituarsi allo stile di porre domande sui problemi, 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 al CT, il massimo di ciò di cui sei capace.

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