Номер 10, страница 158, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 9. Простые механизмы. «золотое правило» механики. Параграф 87. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 10, страница 158.

Условие.

• Механизмы с идеальным КПД.

Решение.

Механизмы с идеальным КПД — это теоретическая, абстрактная модель, используемая в физике для упрощения анализа и расчетов. Идеальный КПД (коэффициент полезного действия) равен 100%, что означает полное преобразование затраченной работы или энергии в полезную работу без каких-либо потерь.

Коэффициент полезного действия, обозначаемый греческой буквой эта ($η$), определяется как отношение полезной работы $A_{полезная}$ к полной (затраченной) работе $A_{затраченная}$, выраженное в процентах: $η = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}} \cdot 100\%$.

Для идеального механизма полезная работа равна затраченной, $A_{полезная} = A_{затраченная}$, и, следовательно, $η = 100\%$. Это означает, что вся подводимая к механизму энергия используется исключительно для выполнения той задачи, для которой он предназначен.

Однако в реальном мире механизмы с идеальным КПД не существуют. При работе любого реального механизма всегда происходят необратимые процессы, приводящие к потерям энергии. Из-за этого полезная работа всегда меньше затраченной ($A_{полезная} < A_{затраченная}$), а КПД, соответственно, всегда меньше 100%. Основными причинами потерь энергии являются:

1. Трение. Силы трения, возникающие между движущимися частями механизма (в подшипниках, осях, зубчатых передачах), а также внутреннее трение в деформируемых элементах, приводят к преобразованию части механической энергии в теплоту, которая рассеивается в окружающей среде и не совершает полезной работы.

2. Сопротивление среды. При движении в воздухе или жидкости механизм испытывает сопротивление, на преодоление которого также бесполезно затрачивается энергия.

3. Вибрации и шум. Часть энергии может преобразовываться в энергию звуковых волн (шум) и механических колебаний (вибраций), которые также являются формой потерь.

4. Термодинамические ограничения. Для тепловых двигателей второй закон термодинамики накладывает фундаментальное ограничение на КПД. Даже идеальный тепловой двигатель (работающий по циклу Карно) не может преобразовать в работу всю полученную от нагревателя теплоту. Его максимальный (термодинамический) КПД зависит от абсолютных температур нагревателя ($T_{нагрев}$) и холодильника ($T_{холод}$): $η_{Карно} = 1 - \frac{T_{холод}}{T_{нагрев}}$. Так как температура холодильника всегда выше абсолютного нуля ($T_{холод} > 0 \text{ К}$), КПД цикла Карно всегда меньше 100%.

Таким образом, понятие "идеального механизма" является важным инструментом в теоретической механике. Оно позволяет вывести основные законы и принципы работы механизмов, например, "золотое правило механики" (во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии), игнорируя второстепенные факторы потерь. В инженерной практике стремятся максимально приблизить КПД реальных устройств к теоретически возможному пределу, используя качественные смазки, улучшая аэродинамику и оптимизируя рабочие процессы.

Ответ: Механизмы с идеальным КПД — это физическая модель, в которой предполагается, что вся затраченная энергия преобразуется в полезную работу (КПД = 100%). В реальности такие механизмы не существуют из-за неизбежных потерь энергии на трение, сопротивление среды, вибрации, а также из-за фундаментальных ограничений, накладываемых законами термодинамики. Понятие идеального механизма используется для упрощенного анализа и понимания основных принципов работы механических устройств.