Номер 1, страница 131 - гдз по физике 7 класс рабочая тетрадь Минькова, Иванова

а) Какую работу называют полезной?

Полезной работой называют работу, которая совершается для достижения основной цели, ради которой используется тот или иной механизм. Например, при подъеме груза краном полезной работой является работа по перемещению самого груза на определенную высоту, без учета работы по подъему крюка, тросов или преодолению сил трения. Полезная работа, обозначаемая как $A_п$, вычисляется как произведение силы тяжести перемещаемого тела ($\text{P}$) на высоту его подъема ($\text{h}$).

Формула для полезной работы при подъеме груза: $A_п = P \cdot h = mgh$, где $\text{m}$ — масса груза, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, $\text{h}$ — высота, на которую поднимают груз.

Ответ: Полезная работа – это работа по перемещению того груза или преодолению того сопротивления, ради которого применяется механизм.

б) Какую работу называют полной?

Полной (или затраченной) работой называют всю работу, которую совершает приложенная к механизму сила для его приведения в действие. Полная работа ($A_з$ или $A_{полн}$) всегда больше или, в идеальном случае, равна полезной работе. Она включает в себя не только полезную работу, но и работу, затраченную на преодоление вредных сил, таких как трение в осях, сопротивление воздуха, а также на перемещение частей самого механизма.

Формула для полной работы: $A_з = F \cdot s$, где $\text{F}$ — это сила, приложенная к механизму, а $\text{s}$ — расстояние, которое прошла точка приложения этой силы.

Ответ: Полная работа – это вся работа, совершаемая приложенной к механизму силой.

в) Может ли коэффициент полезного действия быть больше единицы? Почему?

Нет, коэффициент полезного действия (КПД) не может быть больше единицы (или 100%). КПД, обозначаемый греческой буквой эта ($\eta$), определяется как отношение полезной работы ($A_п$) к полной затраченной работе ($A_з$).

Формула КПД: $\eta = \frac{A_п}{A_з}$.

Это ограничение является прямым следствием закона сохранения энергии. Полная работа ($A_з$) — это вся энергия, сообщенная механизму. Полезная работа ($A_п$) — это та часть энергии, которая была использована для достижения цели. В любом реальном механизме всегда существуют потери энергии (например, на нагрев из-за трения), поэтому часть затраченной работы преобразуется во внутреннюю энергию механизма и окружающей среды. Следовательно, полезная работа всегда меньше полной ($A_п < A_з$). Если бы КПД был больше единицы, это означало бы, что механизм производит больше работы, чем получает энергии, что невозможно и противоречит фундаментальным законам физики (по сути, это был бы вечный двигатель первого рода).

Ответ: Нет, не может. Это противоречило бы закону сохранения энергии. В любом механизме полезная работа всегда меньше полной (затраченной) работы из-за неизбежных потерь энергии, в основном на трение.

г) Дают ли выигрыш в работе простые механизмы? Почему?

Нет, простые механизмы не дают выигрыша в работе. Этот принцип известен как «золотое правило механики». Оно гласит: во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз мы проигрываем в расстоянии. Простые механизмы, такие как рычаг, блок или наклонная плоскость, позволяют приложить меньшую силу для совершения работы, но для этого приходится перемещать точку приложения этой силы на большее расстояние.

Работа вычисляется по формуле $A = F \cdot s$. В идеальном механизме без трения работа, приложенная к нему ($A_з$), была бы равна полезной работе ($A_п$). То есть $F_1 \cdot s_1 = F_2 \cdot s_2$. Если мы выигрываем в силе (например, $F_1 < F_2$), то мы обязательно проигрываем в расстоянии ($s_1 > s_2$) ровно во столько же раз. В реальных же механизмах из-за наличия сил трения затраченная работа всегда оказывается больше полезной работы ($A_з > A_п$). Таким образом, простые механизмы позволяют только изменять силу или направление ее действия, делая работу более удобной, но не уменьшая ее величину.

Ответ: Нет, не дают. Согласно «золотому правилу механики», выигрывая в силе, мы проигрываем в расстоянии, поэтому в идеальном случае работа не изменяется. В реальных условиях из-за трения затраченная работа всегда больше полезной.