Номер 6, страница 173 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Механика. Глава 6. Статика. Законы гидро- и аэростатики. Параграф 31. Простые механизмы. Коэффициент полезного действия механизмов и машин. Вопросы - номер 6, страница 173.

Условие.

6. Почему КПД реального механизма всегда меньше единицы?

Решение.

Решение

Коэффициент полезного действия (КПД), обозначаемый греческой буквой $\eta$ (эта), является мерой эффективности любого механизма. Он определяется как отношение полезной работы $A_{полезная}$, совершаемой механизмом, к полной (затраченной) работе $A_{затраченная}$, которая была совершена для приведения механизма в действие.

Формула для расчёта КПД выглядит так:
$\eta = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}}$

В любом реальном механизме, работающем в реальных условиях, полная затраченная работа всегда больше полезной работы. Это связано с законом сохранения энергии. Согласно этому закону, затраченная работа расходуется не только на совершение полезной работы, но и на преодоление различных сил сопротивления. Работу, затраченную на преодоление этих сил, называют потерями ($A_{потерь}$). Таким образом, для любого механизма справедливо равенство:
$A_{затраченная} = A_{полезная} + A_{потерь}$

В реальном мире невозможно создать механизм, в котором бы полностью отсутствовали потери энергии. Основные причины потерь:

1. Трение. Между движущимися частями механизма всегда возникает сила трения (в осях, подшипниках, между соприкасающимися поверхностями). На её преодоление затрачивается работа, которая превращается во внутреннюю энергию (теплоту) и рассеивается в окружающее пространство.

2. Сопротивление среды. Любой механизм работает в какой-либо среде (чаще всего в воздухе). При движении возникает сила сопротивления воздуха (или другой среды), на преодоление которой также расходуется энергия.

3. Другие факторы. Часть энергии может теряться на создание шума, вибраций или на деформацию частей самого механизма.

Поскольку в реальном механизме всегда есть хотя бы одна из этих причин потерь, работа потерь всегда положительна: $A_{потерь} > 0$.

Из уравнения закона сохранения энергии $A_{затраченная} = A_{полезная} + A_{потерь}$ следует, что если $A_{потерь} > 0$, то $A_{затраченная} > A_{полезная}$.

Возвращаясь к формуле КПД $\eta = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}}$, мы видим, что числитель этой дроби ($A_{полезная}$) всегда строго меньше знаменателя ($A_{затраченная}$). Дробь, у которой числитель меньше знаменателя, всегда меньше единицы.

Таким образом, КПД любого реального механизма всегда меньше 1 (или 100%). КПД, равный единице, мог бы быть только у идеального механизма, в котором полностью отсутствуют трение и другие потери, что на практике недостижимо.

Ответ: КПД реального механизма всегда меньше единицы, потому что часть затраченной на его работу энергии неизбежно теряется, в основном на преодоление сил трения и сопротивления среды. Эти потери энергии превращаются в тепло, звук и другие виды энергии, не идущие на совершение полезной работы. В результате полезная работа всегда оказывается меньше, чем полная затраченная работа.