Номер 15, страница 90, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава V. Работа, мощность, энергия. Параграф 25. «Золотое правило» механики. Коэффициент полезного действия механизмов - номер 15, страница 90.

Условие.

15. Каковы причины того, что КПД любого реального механизма меньше 100 %?

Решение.

Коэффициент полезного действия (КПД) любого реального механизма всегда меньше 100% из-за неизбежных потерь энергии при его работе. Эти потери обусловлены действием сил сопротивления и другими физическими процессами, которые преобразуют часть затраченной энергии в формы, не являющиеся полезной работой.

Решение

КПД, обозначаемый греческой буквой эта ($ \eta $), определяется как отношение полезной работы ($ A_{полезная} $) к полной (или затраченной) работе ($ A_{затраченная} $):

$ \eta = \frac{А_{полезная}}{А_{затраченная}} \cdot 100\% $

Согласно закону сохранения энергии, полная работа, совершаемая приложенными к механизму силами, расходуется на совершение полезной работы и на преодоление сил сопротивления (работа потерь, $ A_{потерь} $):

$ A_{затраченная} = A_{полезная} + A_{потерь} $

В любом реальном, то есть существующем в действительности, механизме всегда существуют факторы, приводящие к потерям энергии ($ A_{потерь} > 0 $). Основные причины этих потерь:

1. Трение. Это главная причина потерь в большинстве механических систем. Трение возникает между любыми движущимися и соприкасающимися частями механизма (например, в осях, подшипниках, между зубьями шестерён). Работа против силы трения приводит к преобразованию механической энергии в тепловую, которая рассеивается в окружающую среду и не используется для выполнения основной задачи механизма.

2. Сопротивление среды. Любой механизм, работающий в воздушной или жидкой среде, испытывает сопротивление этой среды (аэродинамическое или гидродинамическое сопротивление). Часть энергии затрачивается на преодоление этого сопротивления.

3. Вибрации и звук. Работающий механизм часто является источником вибраций и звука. Это также формы энергии, на создание которых расходуется часть затраченной работы, что является бесполезными потерями.

4. Нагрев элементов. В электрических и электромеханических устройствах (например, электродвигателях) часть энергии теряется из-за электрического сопротивления проводников, что вызывает их нагрев (тепловые потери Джоуля-Ленца).

5. Деформация деталей. При работе механизма его детали могут незначительно деформироваться. Если деформация не является абсолютно упругой, часть энергии расходуется на внутреннее трение в материале и теряется.

Поскольку в реальных условиях невозможно полностью устранить все эти факторы потерь, работа потерь ($ A_{потерь} $) всегда будет иметь положительное значение. Следовательно, полезная работа всегда будет меньше затраченной:

$ A_{полезная} < A_{затраченная} $

Из этого следует, что отношение $ \frac{А_{полезная}}{А_{затраченная}} $ всегда будет меньше единицы, а КПД, выраженный в процентах, всегда будет меньше 100%. Создание механизма с КПД, равным 100%, было бы возможно только в идеальных условиях полного отсутствия потерь, что на практике недостижимо.

Ответ: КПД любого реального механизма меньше 100% из-за неизбежного наличия сил сопротивления (трения, сопротивления воздуха и т.д.), работа по преодолению которых приводит к преобразованию части затраченной энергии в другие виды (в основном, в теплоту), не являющиеся полезной работой. Таким образом, полезная работа всегда оказывается меньше затраченной.