Темы 1. 12, 1. 13. Динамика. Движение материальной точки. Метод кинетостатики.

 

ЛЕКЦИЯ 15

Тема 1.14. Работа и мощность

 

Иметь представление о работе силы при прямолинейном и кри­волинейном перемещениях, о мощности полезной и затраченной, о коэффициенте полезного действия.

Знать зависимости для определения силы трения, формулы для расчета работы и мощности при поступательном и враща­тельном движениях.

Уметь рассчитывать работу и мощность с учетом потерь на трение и сил инерции.

Работа

 

Для характеристики действия силы на некотором перемещении точки ее приложения вводят понятие «работа силы».

Работа служит мерой действия силы, работа — скалярная вели­чина.

Работа постоянной силы на прямолинейном пути

Работа силы в общем случае численно равна произведению модуля силы на длину пройденного пути и на косинус угла между направлением силы и направлением перемещения (рис. 15.1):

 

Единицы измерения работы: 1 Дж (джоуль)= 1 Н-м; 1 кДж (килоджоуль) = 103 Дж.

Рассмотрим частные случаи.

 

1. Силы, совпадающие с направлением перемещения, называ­ются движущими силами.

Направление вектора силы совпадает с направлением перемещения (рис. 15.2). В этом случае α = 0° (cos α = 1). Тогда W = FS > 0.

 

2. Силы, перпендикулярные направлению перемещения, работы не производят (рис. 15.3).

Сила F перпендикулярна направлению перемещения, α = 90° (cos α = 0); W = 0.

 

3. Силы, направленные в обратную от направления перемещения сторону, называются силами сопротивления (рис. 15.4).

Сила F направлена в обратную от перемещения S сторону. В этом случае α = 180° (cos α = — 1), следовательно, W = — FS < 0.

 

Движущие силы увеличивают модуль скорости, силы сопротивления уменьшают скорость.

Таким образом, работа может быть положительной и отрица­тельной в зависимости от направления силы и скорости.

 

Работа постоянной силы на криволинейном пути

Пусть точка М движется по дуге окружности и сила F состав­ляет некоторый угол α с касательной к окружности (рис. 15.5).

 

Вектор силы можно разложить на две составляющие:

 

Используя принцип независимо­сти действия сил, определим работу каждой из составляющих силы отдель­но:

Нормальная составляющая силы Fn всегда направлена перпен­дикулярно перемещению и, следовательно, работы не производит:

При перемещении по дуге обе составляющие силы разворачива­ются вместе с точкой М. Таким образом, касательная составляющая силы всегда совпадает по направлению с перемещением.

Будем иметь:

Касательную силу Ft обычно называют окружной силой.

Работа при криволинейном пути — это работа окружной силы:

Произведение окружной силы на радиус называют вращающим моментом:

Работа силы, приложенной к вращающемуся телу, равна произ­ведению вращающего момента на угол поворота:

Работа силы тяжести

Работа силы тяжести зависит только от изменения высоты и равна произведению модуля силы тяжести на вертикальное перемещение точки (рис. 15.6):

где Δh — изменение высоты. При опускании работа положительна, при подъеме отрицательна.

 

Работа равнодействующей силы

Под действием системы сил точка массой т перемещается из положения М₁ в положение М₂ (рис. 15.7).

В случае движения под действием системы сил пользуются тео­ремой о работе равнодействующей.

Работа равнодействующей на некотором перемещении равна алгебраической сумме работ системы сил на том же перемещении.

 

Примеры решения задач

 

Пример 1. Тело массой 200 кг поднимают по наклонной плос­кости (рис. 15.8).

Определите работу при перемеще­нии на 10 м с постоянной скоростью. Коэффициент трения тела о плоскость f = 0,15.

Решение

1. При равномерном подъеме движущая сила равна сумме сил сопро­тивления движению. Наносим на схему силы, действующие на тело:

1. Используем теорему о работе равнодействующей:

1. Подставляем входящие величины и определяем работу по подъему:

 

Пример 2. Определите работу силы тяжести при перемещении груза из точки А в точку С по наклонной плоскости (рис. 15.9). Сила тяжести тела 1500 Н. АВ = 6 м, ВС = 4 м.

 

Решение

1. Работа силы тяжести зависит только от изменения вы­соты груза. Изменение высоты при перемещении из точки А в С:

2. Работа силы тяжести:

 

Пример 3. Определите работу силы резания за 3 мин. Ско­рость вращения детали 120 об/мин, диаметр обрабатываемой детали 40 мм, сила резания 1 кН (рис. 15.10).

Решение

1. Работа при вращательном движе­нии

где F_peз — сила резания.

2. Угловая частота вращения 120 об/мин.

3. Число оборотов за заданное время составляет z = 120 • 3 = 360 об.

Угол поворота за это время

 

4. Работа за 3 мин Wp = 1 • 0,02 • 2261 = 45,2 кДж.

Пример 4. Тело массой m = 50 кг передвигают по полу при помощи горизонтальной силы Q на расстояние S = 6 м. Определить ра­боту, которую совершит сила трения, если коэф­фициент трения между поверхностью тела и полом f = 0,3 (рис. 1.63).

Решение

 

Согласно закону Аммонтона — Кулона сила трения

Сила трения направлена в сто­рону, противоположную движению, поэтому работа этой силы отрицательна:

 

Пример 5. Определить натяжение ветвей ремен­ной передачи (рис. 1.65), если мощность, передаваемая валом, N = 20 кВт, частота вращения вала п = 150 об/мин.

Решение

 

Вращающий момент, передаваемый валом,

Выразим вращающий мо­мент через усилия в ветвях ременной передачи:

откуда

Тогда

 

Пример 6. Колесо радиусом R = 0,3м катится без скольжения по горизонтальному рельсу (рис. 1.66). Найти работу трения качения при перемещении центра колеса на расстояние S = 30 м, если вертикальная нагрузка на ось колеса составляет Р = 100 кН. Коэффициент трения качения ко­леса по рельсу равен k = 0,005 см.

Решение

 

Трение качения воз­никает из-за деформаций колеса и рельса в зоне их контакта. Нор­мальная реакция N смещается вперед по направлению движения и образует с вертикальной силой давления Р на ось колеса пару, плечо которой равно коэффициен­ту трения качения k, а момент

Эта пара стремится повернуть колесо в направлении, противоположном его вращению. Поэтому работа трения качения будет отрицательной и определится как произве­дение постоянного момента трения на угол поворота ко­леса φ, т. е.

Путь, пройденный колесом, можно определить как про­изведение его угла поворота на радиус

откуда

Вводя значение φ в выражение работы и подставляя числовые значения, получаем

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. Какие силы называют движущими?

2. Какие силы называют силами сопротивления?

3. Запишите формулы для определения работы при поступатель­ном и вращательном движениях.

4. Какую силу называют окружной? Что такое вращающий мо­мент?

5. Сформулируйте теорему о работе равнодействующей.

ЛЕКЦИЯ 16