Номер 56.3, страница 200 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 56. Работа и мощность тока. Глава 7. Электрические явления - номер 56.3, страница 200.

56.3 [1393] Почему при работе на токарном или сверлильном станке с неправильно заточенным или затупленным инструментом увеличивается расход электроэнергии?

Работа токарного или сверлильного станка заключается в выполнении механической работы по резанию материала (металла, дерева и т.д.). Эта работа совершается за счет энергии, потребляемой электродвигателем станка от сети.

Полная работа $A_{полн}$, совершаемая станком, складывается из полезной работы $A_{полезн}$ (непосредственно на отделение стружки и формирование новой поверхности) и работы по преодолению сил трения $A_{тр}$ (между инструментом и заготовкой, инструментом и стружкой, а также в механизмах самого станка):

$A_{полн} = A_{полезн} + A_{тр}$

Когда используется острый, правильно заточенный инструмент, режущая кромка имеет очень малый радиус закругления. Давление в зоне резания огромно, и материал легко срезается. Силы резания и трения в этом случае относительно невелики. Основная часть энергии идет на полезную работу, то есть на образование стружки. Работа против сил трения $A_{тр}$ минимальна.

Когда же используется затупленный или неправильно заточенный инструмент, его режущая кромка имеет большой радиус закругления. Вместо того чтобы резать, такой инструмент в значительной степени сминает и "пашет" материал перед собой. Это приводит к тому, что для снятия того же слоя материала двигателю станка необходимо приложить значительно большую силу. Кроме того, резко увеличивается трение, так как площадь контакта затупленного инструмента с заготовкой и стружкой больше, а также возрастает коэффициент трения из-за сильной деформации и высоких температур. В результате работа по преодолению сил трения $A_{тр}$ значительно увеличивается.

Эта дополнительная работа, затрачиваемая на преодоление возросшего трения и на большую пластическую деформацию материала, переходит во внутреннюю энергию, то есть в теплоту ($Q$). Происходит сильный нагрев и заготовки, и инструмента, что не только является бесполезной тратой энергии, но и приводит к быстрому износу инструмента и ухудшению качества обработки.

Таким образом, при использовании затупленного инструмента для выполнения той же самой полезной работы $A_{полезн}$ станку требуется совершить гораздо большую полную работу $A_{полн}$ из-за резкого роста составляющей $A_{тр}$.

Потребляемая из сети электроэнергия $W_{эл}$ связана с полной механической работой через коэффициент полезного действия (КПД) станка $\eta$:

$W_{эл} = \frac{A_{полн}}{\eta} = \frac{A_{полезн} + A_{тр}}{\eta}$

Поскольку при работе тупым инструментом работа трения $A_{тр}$ возрастает, то для выполнения той же задачи увеличивается и полная работа $A_{полн}$, а следовательно, и расход электроэнергии $W_{эл}$.

Ответ: При работе с затупленным или неправильно заточенным инструментом значительно возрастает сила трения между инструментом и обрабатываемой деталью, а также увеличивается работа по деформации материала. Для преодоления этих возросших сил сопротивления двигателю станка необходимо совершить большую механическую работу. Эта дополнительная работа преобразуется в основном в тепло. Чтобы совершить большую работу, двигатель потребляет больше электроэнергии из сети, что и приводит к увеличению её расхода.