Работа двигателя формула: Работа, мощность, энергия — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Содержание

Работа, мощность, энергия — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Механическая работа

К оглавлению…

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы. Работой, совершаемой постоянной силой F, называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла между векторами силы F и перемещения S:

Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 ньютон на перемещении 1 метр в направлении действия силы.

Если же сила изменяется с течением времени, то для нахождения работы строят график зависимости силы от перемещения и находят площадь фигуры под графиком – это и есть работа:

Примером силы, модуль которой зависит от координаты (перемещения), может служить сила упругости пружины, подчиняющаяся закону Гука (

Fупр = kx).

 

Мощность

К оглавлению…

Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью. Мощность P (иногда обозначают буквой N) – физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа:

По этой формуле рассчитывается средняя мощность, т.е. мощность обобщенно характеризующая процесс. Итак, работу можно выражать и через мощность: A = Pt (если конечно известна мощность и время совершения работы). Единица мощности называется ватт (Вт) или 1 джоуль за 1 секунду. Если движение равномерное, то:

По этой формуле мы можем рассчитать мгновенную мощность (мощность в данный момент времени), если вместо скорости подставим в формулу значение мгновенной скорости. Как узнать, какую мощность считать? Если в задаче спрашивают мощность в момент времени или в какой-то точке пространства, то считается мгновенная. Если спрашивают про мощность за какой-то промежуток времени или участок пути, то ищите среднюю мощность.

КПД – коэффициент полезного действия, равен отношению полезной работы к затраченной, либо же полезной мощности к затраченной:

Какая работа полезная, а какая затраченная определяется из условия конкретной задачи путем логического рассуждения. К примеру, если подъемный кран совершает работу по подъему груза на некоторую высоту, то полезной будет работа по поднятию груза (так как именно ради нее создан кран), а затраченной – работа, совершенная электродвигателем крана.

Итак, полезная и затраченная мощность не имеют строгого определения, и находятся логическим рассуждением. В каждой задаче мы сами должны определить, что в этой задаче было целью совершения работы (полезная работа или мощность), а что было механизмом или способом совершения всей работы (затраченная мощность или работа).

В общем случае КПД показывает, как эффективно механизм преобразует один вид энергии в другой. Если мощность со временем изменяется, то работу находят как площадь фигуры под графиком зависимости мощности от времени:

 

Кинетическая энергия

К оглавлению…

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела (энергией движения):

То есть если автомобиль массой 2000 кг движется со скоростью 10 м/с, то он обладает кинетической энергией равной Ек = 100 кДж и способен совершить работу в 100 кДж. Эта энергия может превратиться в тепловую (при торможении автомобиля нагревается резина колес, дорога и тормозные диски) или может быть потрачена на деформацию автомобиля и тела, с которым автомобиль столкнулся (при аварии). При вычислении кинетической энергии не имеет значения куда движется автомобиль, так как энергия, как и работа, величина скалярная.

Тело обладает энергией, если способно совершить работу. Например, движущееся тело обладает кинетической энергией, т.е. энергией движения, и способно совершать работу по деформации тел или придания ускорения телам, с которыми произойдёт столкновение.

Физический смысл кинетической энергии: для того чтобы покоящееся тело массой m стало двигаться со скоростью v необходимо совершить работу равную полученному значению кинетической энергии. Если тело массой m движется со скоростью v, то для его остановки необходимо совершить работу равную его первоначальной кинетической энергии. При торможении кинетическая энергия в основном (кроме случаев соударения, когда энергия идет на деформации) «забирается» силой трения.

Теорема о кинетической энергии: работа равнодействующей силы равна изменению кинетической энергии тела:

Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения. Применять данную теорему удобно в задачах на разгон и торможение тела.

 

Потенциальная энергия

К оглавлению…

Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями (так называемые консервативные силы). Работа таких сил на замкнутой траектории равна нулю. Таким свойством обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести Земли рассчитывается по формуле:

Физический смысл потенциальной энергии тела: потенциальная энергия равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень (h – расстояние от центра тяжести тела до нулевого уровня). Если тело обладает потенциальной энергией, значит оно способно совершить работу при падении этого тела с высоты h до нулевого уровня. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

Часто в задачах на энергию приходится находить работу по поднятию (переворачиванию, доставанию из ямы) тела. Во всех этих случаях нужно рассматривать перемещение не самого тела, а только его центра тяжести.

Потенциальная энергия Ep зависит от выбора нулевого уровня, то есть от выбора начала координат оси OY. В каждой задаче нулевой уровень выбирается из соображения удобства. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.

Потенциальная энергия растянутой пружины рассчитывается по формуле:

где: k – жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Растяжение или сжатие х надо рассчитывать от недеформированного состояния тела.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией. Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x1, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x2 сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком (так как сила упругости всегда направлена против деформации тела):

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

Работа силы трения зависит от пройденного пути (такой вид сил, чья работа зависит от траектории и пройденного пути называется: диссипативные силы). Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

 

Коэффициент полезного действия

К оглавлению…

Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой (формула уже приведена выше).

КПД можно рассчитывать как через работу, так и через мощность. Полезная и затраченная работа (мощность) всегда определяются путем простых логических рассуждений.

В электрических двигателях КПД – отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника. В тепловых двигателях – отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты. В электрических трансформаторах – отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т.д.

Из–за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т.п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД характеризует как эффективно работает машина или механизм. КПД тепловых электростанций достигает 35–40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением – 40–50%, динамомашин и генераторов большой мощности – 95%, трансформаторов – 98%.

Задачу, в которой нужно найти КПД или он известен, надо начать с логического рассуждения – какая работа является полезной, а какая затраченной.

 

Закон сохранения механической энергии

К оглавлению…

Полной механической энергией называется сумма кинетической энергии (т.е. энергии движения) и потенциальной (т.е. энергии взаимодействия тел силами тяготения и упругости):

Если механическая энергия не переходит в другие формы, например, во внутреннюю (тепловую) энергию, то сумма кинетической и потенциальной энергии остаётся неизменной. Если же механическая энергия переходит в тепловую, то изменение механической энергии равно работе силы трения или потерям энергии, или количеству выделившегося тепла и так далее, другими словами изменение полной механической энергии равно работе внешних сил:

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему (т.е. такую в которой не действует внешних сил, и их работа соответственно равна нолю) и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной:

Это утверждение выражает закон сохранения энергии (ЗСЭ) в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой силами упругости и тяготения. Во всех задачах на закон сохранения энергии всегда будет как минимум два состояния системы тел. Закон гласит, что суммарная энергия первого состояния будет равна суммарной энергии второго состояния.

Алгоритм решения задач на закон сохранения энергии:

  1. Найти точки начального и конечного положения тела.
  2. Записать какой или какими энергиями обладает тело в данных точках.
  3. Приравнять начальную и конечную энергию тела.
  4. Добавить другие необходимые уравнения из предыдущих тем по физике.
  5. Решить полученное уравнение или систему уравнений математическими методами.

Важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими силами действуют силы трения или силы сопротивления среды. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание). Таким образом энергия в целом (т.е. не только механическая) в любом случае сохраняется.

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии.

 

Разные задачи на работу

К оглавлению…

Если в задаче требуется найти механическую работу, то сначала выберите способ её нахождения:

  1. Работу можно найти по формуле: A = FS∙cosα. Найдите силу, совершающую работу, и величину перемещения тела под действием этой силы в выбранной системе отсчёта. Обратите внимание, что угол должен быть выбран между векторами силы и перемещения.
  2. Работу внешней силы можно найти, как разность механической энергии в конечной и начальной ситуациях. Механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела.
  3. Работу по подъёму тела с постоянной скоростью можно найти по формуле: A = mgh, где h – высота, на которую поднимается центр тяжести тела.
  4. Работу можно найти как произведение мощности на время, т.е. по формуле: A = Pt.
  5. Работу можно найти, как площадь фигуры под графиком зависимости силы от перемещения или мощности от времени.

 

Закон сохранения энергии и динамика вращательного движения

К оглавлению…

Задачи этой темы являются достаточно сложными математически, но при знании подхода решаются по совершенно стандартному алгоритму. Во всех задачах Вам придется рассматривать вращение тела в вертикальной плоскости. Решение будет сводиться к следующей последовательности действий:

  1. Надо определить интересующую Вас точку (ту точку, в которой необходимо определить скорость тела, силу натяжения нити, вес и так далее).
  2. Записать в этой точке второй закон Ньютона, учитывая, что тело вращается, то есть у него есть центростремительное ускорение.
  3. Записать закон сохранения механической энергии так, чтобы в нем присутствовала скорость тела в той самой интересной точке, а также характеристики состояния тела в каком-нибудь состоянии про которое что-то известно.
  4. В зависимости от условия выразить скорость в квадрате из одного уравнения и подставить в другое.
  5. Провести остальные необходимые математические операции для получения окончательного результата.

При решении задач надо помнить, что:

  • Условие прохождения верхней точки при вращении на нити с минимальной скоростью – сила реакции опоры N в верхней точке равна 0. Такое же условие выполняется при прохождении верхней точки мертвой петли.
  • При вращении на стержне условие прохождения всей окружности: минимальная скорость в верхней точке равна 0.
  • Условие отрыва тела от поверхности сферы – сила реакции опоры в точке отрыва равна нулю.

 

Неупругие соударения

К оглавлению…

Закон сохранения механической энергии и закон сохранения импульса позволяют находить решения механических задач в тех случаях, когда неизвестны действующие силы. Примером такого рода задач является ударное взаимодействие тел.

Ударом (или столкновением) принято называть кратковременное взаимодействие тел, в результате которого их скорости испытывают значительные изменения. Во время столкновения тел между ними действуют кратковременные ударные силы, величина которых, как правило, неизвестна. Поэтому нельзя рассматривать ударное взаимодействие непосредственно с помощью законов Ньютона. Применение законов сохранения энергии и импульса во многих случаях позволяет исключить из рассмотрения сам процесс столкновения и получить связь между скоростями тел до и после столкновения, минуя все промежуточные значения этих величин.

С ударным взаимодействием тел нередко приходится иметь дело в обыденной жизни, в технике и в физике (особенно в физике атома и элементарных частиц). В механике часто используются две модели ударного взаимодействия – абсолютно упругий и абсолютно неупругий удары.

Абсолютно неупругим ударом называют такое ударное взаимодействие, при котором тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело.

При абсолютно неупругом ударе механическая энергия не сохраняется. Она частично или полностью переходит во внутреннюю энергию тел (нагревание). Для описания любых ударов Вам нужно записать и закон сохранения импульса, и закон сохранения механической энергии с учетом выделяющейся теплоты (предварительно крайне желательно сделать рисунок).

 

Абсолютно упругий удар

К оглавлению…

Абсолютно упругим ударом называется столкновение, при котором сохраняется механическая энергия системы тел. Во многих случаях столкновения атомов, молекул и элементарных частиц подчиняются законам абсолютно упругого удара. При абсолютно упругом ударе наряду с законом сохранения импульса выполняется закон сохранения механической энергии. Простым примером абсолютно упругого столкновения может быть центральный удар двух бильярдных шаров, один из которых до столкновения находился в состоянии покоя.

Центральным ударом шаров называют соударение, при котором скорости шаров до и после удара направлены по линии центров. Таким образом, пользуясь законами сохранения механической энергии и импульса, можно определить скорости шаров после столкновения, если известны их скорости до столкновения. Центральный удар очень редко реализуется на практике, особенно если речь идет о столкновениях атомов или молекул. При нецентральном упругом соударении скорости частиц (шаров) до и после столкновения не направлены по одной прямой.

Частным случаем нецентрального упругого удара может служить соударения двух бильярдных шаров одинаковой массы, один из которых до соударения был неподвижен, а скорость второго была направлена не по линии центров шаров. В этом случае векторы скоростей шаров после упругого соударения всегда направлены перпендикулярно друг к другу.

 

Законы сохранения. Сложные задачи

К оглавлению…

Несколько тел

В некоторых задачах на закон сохранения энергии тросы с помощью которых перемещаются некие объекты могут иметь массу (т.е. не быть невесомыми, как Вы могли уже привыкнуть). В этом случае работу по перемещению таких тросов (а именно их центров тяжести) также нужно учитывать.

Если два тела, соединённые невесомым стержнем, вращаются в вертикальной плоскости, то:

  1. выбирают нулевой уровень для расчёта потенциальной энергии, например на уровне оси вращения или на уровне самой нижней точки нахождения одного из грузов и обязательно делают чертёж;
  2. записывают закон сохранения механической энергии, в котором в левой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в начальной ситуации, а в правой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в конечной ситуации;
  3. учитывают, что угловые скорости тел одинаковы, тогда линейные скорости тел пропорциональны радиусам вращения;
  4. при необходимости записывают второй закон Ньютона для каждого из тел в отдельности.
Разрыв снаряда

В случае разрыва снаряда выделяется энергия взрывчатых веществ. Чтобы найти эту энергию надо от суммы механических энергий осколков после взрыва отнять механическую энергию снаряда до взрыва. Также будем использовать закон сохранения импульса, записанный, в виде теоремы косинусов (векторный метод) или в виде проекций на выбранные оси.

Столкновения с тяжёлой плитой

Пусть навстречу тяжёлой плите, которая движется со скоростью v, движется лёгкий шарик массой m со скоростью uн. Так как импульс шарика много меньше импульса плиты, то после удара скорость плиты не изменится, и она будет продолжать движение с той же скоростью и в том же направлении. В результате упругого удара, шарик отлетит от плиты. Здесь важно понять, что не поменяется скорость шарика относительно плиты. В таком случае, для конечной скорости шарика получим:

Таким образом, скорость шарика после удара увеличивается на удвоенную скорость стены. Аналогичное рассуждение для случая, когда до удара шарик и плита двигались в одном направлении, приводит к результату согласно которому скорость шарика уменьшается на удвоенную скорость стены:

Задачи о максимальных и минимальных значениях энергии сталкивающихся шаров

В задачах такого типа главное понять, что потенциальная энергия упругой деформации шаров максимальна, если кинетическая энергия их движения минимальна – это следует из закона сохранения механической энергии. Сумма кинетических энергий шаров минимальна в тот момент, когда скорости шаров будут одинаковы по величине и направлены в одном направлении. В этот момент относительная скорость шаров равна нулю, а деформация и связанная с ней потенциальная энергия максимальна.

Физическая работа — урок. Физика, 8 класс.

Совершённая работа равна изменению энергии, потраченной на совершение работы.

Величину работы можно определить, вычитая из конечного значения энергии начальное значение энергии.

 

A=Eконеч.−Eнач.,или A=ΔE, где A — работа (Дж); E — энергия (Дж).

 

Работу, как и энергию, измеряют в джоулях (Дж).

 

Если энергия тела увеличивается, тогда общая совершённая работа является положительной.

Пример:

Когда автомобиль начинает двигаться, его кинетическая энергия увеличивается. Значит, двигатель автомобиля совершает положительную работу.

Если энергия тела уменьшается, тогда общая совершённая работа является отрицательной.

Пример:

Когда автомобиль свободно катится по горизонтальной поверхности, его скорость и кинетическая энергия уменьшаются. Значит, сила сопротивления совершает отрицательную работу.

 

В физике рассматривают физическую работу, которая связана с перемещением тел.

Если при прямолинейном движении на тело действует неизменная сила, направленная в сторону движения тела, тогда работа, произведённая приложенной силой, равна произведению величины силы на величину проделанного перемещения.

Если к телу приложена сила под вертикальным углом к направлению движения тела, как это показано на рисунке, тогда величина совершённой работы зависит от:

1) величины приложенной силы (F), которая совершает работу;

2) расстояния (l), на которое перемещается тело;

3) угла \(α\) между направлением действия силы и направлением движения тела.

Работа определяется по формуле: A=F⋅l⋅cosα.

  

 

Рис. \(1\). Под углом

  

Обрати внимание!

Если сила направлена параллельно направлению перемещения, тогда угол \(α = 0\), а \(косинус\) угла \(α\) равен \(1\). В этом случае формула упрощается: A=F⋅l.

Если проделанный путь является прямолинейным, тогда вместо пути \(l\) можно использовать перемещение (s). 

В этом случае формула для расчёта работы приобретает такой вид: A=F⋅s.

На трёх рисунках изображены случаи, когда направление силы и направление движения тела совпадают.

1) Действие силы и направление движения тела направлены горизонтально. Например, автомобиль едет по прямому пути, и сила тяги автомобиля приложена в том же направлении.

 

 

Рис. \(2\). Параллельно

 

2) Действие силы и направление движения тела направлены под одинаковым углом наклона по отношению к горизонту. Например, автомобиль едет в гору.

  

 

Рис.\(3\). Движение «в гору»

  

3) Действие силы и направление движения тела направлены вертикально. Например, груз поднимается вверх, и сила упругости троса тоже направлена вверх. В этом случае величину совершённой работы можно рассчитать также по формуле A=m⋅g⋅h, где

(m) — масса тела, (g) — ускорение свободного падения,

(h) — высота подъёма тела над поверхностью земли.

 

 

Рис. \(4\). Движение вверх

 

Обрати внимание!

Если направление действия силы противоположно направлению движения, тогда совершаемая этой силой работа отрицательна.

Работа отрицательна, так как функция \(косинус\) в интервале значений угла \(90° — 180°\) является отрицательной.

Таким образом, любая работа, совершённая силой трения или сопротивления, является отрицательной.

Пример:

Когда автомобиль едет с равномерной скоростью по прямой дороге, как это показано на рисунке, работа силы тяги автомобиля является положительной, а работа силы сопротивления равна по величине, но является отрицательной. В результате этого кинетическая и потенциальная энергия автомобиля остаются неизменными. 

Если сила направлена прямо противоположно направлению движения, тогда работу вычисляют по формуле: A=−F⋅l.

 

Рис. \(5\). Автомобиль

Источники:

Рис. 1. Под углом. © ЯКласс.

Рис. 2. Параллельно. © ЯКласс.

Рис. 3. Движение «в гору». © ЯКласс.

Рис. 4. Движение вверх. © ЯКласс.

Рис. 5. Автомобиль. © ЯКласс.

Работа и мощность в механике определение. А полезная формула

«Физика — 10 класс»

Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, позволяющий описывать большинство происходящих явлений.

Описание движения тел также возможно с помощью таких понятий динамики, как работа и энергия.

Вспомните, что такое работа и мощность в физике.

Совпадают ли эти понятия с бытовыми представлениями о них?

Все наши ежедневные действия сводятся к тому, что мы с помощью мышц либо приводим в движение окружающие тела и поддерживаем это движение, либо же останавливаем движущиеся тела.

Этими телами являются орудия труда (молоток, ручка, пила), в играх — мячи, шайбы, шахматные фигуры. На производстве и в сельском хозяйстве люди также приводят в движение орудия труда.

Применение машин во много раз увеличивает производительность труда благодаря использованию в них двигателей.

Назначение любого двигателя в том, чтобы приводить тела в движение и поддерживать это движение, несмотря на торможение как обычным трением, так и «рабочим» сопротивлением (резец должен не просто скользить по металлу, а, врезаясь в него, снимать стружку; плуг должен взрыхлять землю и т. д.). При этом на движущееся тело должна действовать со стороны двигателя сила.

Работа совершается в природе всегда, когда на какое-либо тело в направлении его движения или против него действует сила (или несколько сил) со стороны другого тела (других тел).

Сила тяготения совершает работу при падении капель дождя или камня с обрыва. Одновременно совершает работу и сила сопротивления, действующая на падающие капли или на камень со стороны воздуха. Совершает работу и сила упругости, когда распрямляется согнутое ветром дерево.

Определение работы.

Второй закон Ньютона в импульсной форме Δ = Δt позволяет определить, как меняется скорость тела по модулю и направлению, если на него в течение времени Δt действует сила .

Воздействия на тела сил, приводящих к изменению модуля их скорости, характеризуются величиной, зависящей как от сил, так и от перемещений тел. Эту величину в механике и называют работой силы .

Изменение скорости по модулю возможно лишь в том случае, когда проекция силы F r на направление перемещения тела отлична от нуля. Именно эта проекция определяет действие силы, изменяющей скорость тела по модулю. Она совершает работу. Поэтому работу можно рассматривать как произведение проекции силы F r на модуль перемещения |Δ| (рис. 5.1):

А = F r |Δ| . (5.1)

Если угол между силой и перемещением обозначить через α, то F r = Fcosα .

Следовательно, работа равна:

А = |Δ|cosα . (5.2)

Наше бытовое представление о работе отличается от определения работы в физике. Вы держите тяжёлый чемодан, и вам кажется, что вы совершаете работу. Однако с точки зрения изики ваша работа равна нулю.

Работа постоянной силы равна произведению модулей силы и перемещения точки приложения силы и косинуса угла между ними.

В общем случае при движении твёрдого тела перемещения его разных точек различны, но при определении работы силы мы под Δ понимаем перемещение её точки приложения. При поступательном движении твёрдого тела перемещение всех его точек совпадает с перемещением точки приложения силы.

Работа, в отличие от силы и перемещения, является не векторной, а скалярной величиной. Она может быть положительной, отрицательной или равной нулю.

Знак работы определяется знаком косинуса угла между силой и перемещением. Если α 0, так как косинус острых углов положителен. При α > 90° работа отрицательна, так как косинус тупых углов отрицателен. При α = 90° (сила перпендикулярна перемещению) работа не совершается.

Если на тело действует несколько сил, то проекция равнодействующей силы на перемещение равна сумме проекций отдельных сил:

F r = F 1r + F 2r + … .

Поэтому для работы равнодействующей силы получаем

А = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + … = А 1 + А 2 + … . (5.3)

Если на тело действует несколько сил, то полная работа (алгебраическая сумма работ всех сил) равна работе равнодействующей силы.

Совершённую силой работу можно представить графически. Поясним это, изобразив на рисунке зависимость проекции силы от координаты тела при его движении по прямой.

Пусть тело движется вдоль оси ОХ (рис. 5.2), тогда

Fcosα = F x , |Δ| = Δ х .

Для работы силы получаем

А = F|Δ|cosα = F x Δx .

Очевидно, что площадь прямоугольника, заштрихованного на рисунке (5.3, а), численно равна работе при перемещении тела из точки с координатой х1 в точку с координатой х2.

Формула (5.1) справедлива в том случае, когда проекция силы на перемещение постоянна. В случае криволинейной траектории, постоянной или переменной силы мы разделяем траекторию на малые отрезки, которые можно считать прямолинейными, а проекцию силы на малом перемещении Δ — постоянной.

Тогда, вычисляя работу на каждом перемещении Δ а затем суммируя эти работы, мы определяем работу силы на конечном перемещении (рис. 5.3, б).

Единица работы.

Единицу работы можно установить с помощью основной формулы (5.2). Если при перемещении тела на единицу длины на него действует сила, модуль которой равен единице, и направление силы совпадает с направлением перемещения её точки приложения (α = 0), то и работа будет равна единице. В Международной системе (СИ) единицей работы является джоуль (обозначается Дж):

1 Дж = 1 Н 1 м = 1 Н м .

Джоуль — это работа, совершаемая силой 1 Н на перемещении 1 если направления силы и перемещения совпадают.

Часто используют кратные единицы работы — килоджоуль и мега джоуль:

1 кДж = 1000 Дж ,
1 МДж = 1000000 Дж .

Работа может быть совершена как за большой промежуток времени, так и за очень малый. На практике, однако, далеко не безразлично, быстро или медленно может быть совершена работа. Временем, в течение которого совершается работа, определяют производительность любого двигателя. Очень большую работу может совершить и крошечный электромоторчик, но для этого понадобится много времени. Потому наряду с работой вводят величину, характеризующую быстроту, с которой она производится, — мощность.

Мощность — это отношение работы А к интервалу времени Δt, за который эта работа совершена, т. е. мощность — это скорость совершения работы:

Подставляя в формулу (5.4) вместо работы А её выражение (5.2), получаем

Таким образом, если сила и скорость тела постоянны, то мощность равна произведению модуля вектора силы на модуль вектора скорости и на косинус угла между направлениями этих векторов. Если же эти величины переменные, то по формуле (5.4) можно определить среднюю мощность подобно определению средней скорости движения тела.

Понятие мощности вводится для оценки работы за единицу времени, совершаемой каким-либо механизмом (насосом, подъёмным краном, мотором машины и т. д.). Поэтому в формулах (5.4) и (5.5) под всегда подразумевается сила тяги.

В СИ мощность выражается в ваттах (Вт) .

Мощность равна 1 Вт, если работа, равная 1 Дж, совершается за 1 с.

Наряду с ваттом используются более крупные (кратные) единицы мощности:

1 кВт (киловатт) = 1000 Вт ,
1 МВт (мегаватт) = 1 000 000 Вт .

Коэффициент полезного действия показывает отношение полезной работы, которая выполняется механизмом или устройством, к затраченной. Часто за затраченную работу принимают количество энергии, которое потребляет устройство для того, чтобы выполнить работу.

Вам понадобится

  1. — автомобиль;
  2. — термометр;
  3. — калькулятор.

Инструкция

  1. Для того чтобы рассчитать коэффициент полезного действия (КПД) поделите полезную работу Ап на работу затраченную Аз, а результат умножьте на 100% (КПД=Ап/Аз∙100%). Результат получите в процентах.
  2. При расчете КПД теплового двигателя, полезной работой считайте механическую работу, выполненную механизмом. За затраченную работу берите количество теплоты, выделяемое сгоревшим топливом, которое является источником энергии для двигателя.
  3. Пример. Средняя сила тяги двигателя автомобиля составляет 882 Н. На 100 км пути он потребляет 7 кг бензина. Определите КПД его двигателя. Сначала найдите полезную работу. Она равна произведению силы F на расстояние S, преодолеваемое телом под ее воздействием Ап=F∙S. Определите количество теплоты, которое выделится при сжигании 7 кг бензина, это и будет затраченная работа Аз=Q=q∙m, где q – удельная теплота сгорания топлива, для бензина она равна 42∙10^6 Дж/кг, а m – масса этого топлива.6∙7)∙100%=30%.
  4. В общем случае чтобы найти КПД, любой тепловой машины (двигателя внутреннего сгорания, парового двигателя, турбины и т.д.), где работа выполняется газом, имеет коэффициент полезного действия равный разности теплоты отданной нагревателем Q1 и полученной холодильником Q2, найдите разность теплоты нагревателя и холодильника, и поделите на теплоту нагревателя КПД= (Q1-Q2)/Q1. Здесь КПД измеряется в дольных единицах от 0 до 1, чтобы перевести результат в проценты, умножьте его на 100.
  5. Чтобы получить КПД идеальной тепловой машины (машины Карно), найдите отношение разности температур нагревателя Т1 и холодильника Т2 к температуре нагревателя КПД=(Т1-Т2)/Т1. Это предельно возможный КПД для конкретного типа тепловой машины с заданными температурами нагревателя и холодильника.
  6. Для электродвигателя найдите затраченную работу как произведение мощности на время ее выполнения. Например, если электродвигатель крана мощностью 3,2 кВт поднимает груз массой 800 кг на высоту 3,6 м за 10 с, то его КПД равен отношению полезной работы Ап=m∙g∙h, где m – масса груза, g≈10 м/с² ускорение свободного падения, h – высота на которую подняли груз, и затраченной работы Аз=Р∙t, где Р – мощность двигателя, t – время его работы. Получите формулу для определения КПД=Ап/Аз∙100%=(m∙g∙h)/(Р∙t) ∙100%=%=(800∙10∙3,6)/(3200∙10) ∙100%=90%.

Какая формула у полезной работы?

Используя тот или иной механизм, мы совершаем работу, всегда превышающую ту, которая необходима для достижения поставленной цели. В соответствии с этим различают полную или затраченную работу Аз и полезную работу Ап. Если, например, наша цель-поднять груз массой m на высоту Н, то полезная работа — это та, которая обусловлена лишь преодолением силы тяжести, действующей на груз. При равномерном подъеме груза, когда прикладываемая нами сила равна силе тяжести груза, эта работа может быть найдена следующим образом:
Ап =FH= mgH
Полезная работа всегда составляет лишь некоторую часть полной работы, которую совершает человек, используя механизм.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет полезная работа от всей затраченной работы, называется коэффициентом полезного действия механизма.

Что такое работа в физике определение формула. нн

Помогите расшифровать формулу по физике

КПД тепловых двигателей.физика (формулы,определения,примеры) напишите! физика (формулы,определения,примеры) напишите!

В нашем повседневном опыте слово «работа» встречается очень часто. Но следует различать работу физиологическую и работу с точки зрения науки физики. Когда вы приходите с уроков, вы говорите: «Ой, как я устал!». Это работа физиологическая. Или, к примеру, работа коллектива в народной сказке «Репка».

Рис 1. Работа в повседневном смысле слова

Мы же будем говорить здесь о работе с точки зрения физики.

Механическая работа совершается, если под действием силы происходит перемещение тела. Работа обозначается латинской буквой А. Более строго определение работы звучит так.

Работой силы называется физическая величина, равная произведению величины силы на расстояние, пройденное телом в направлении действия силы.

Рис 2. Работа — это физическая величина

Формула справедлива, когда на тело действует постоянная сила.

В международной системе единиц СИ работа измеряется в джоулях.

Это означает, что если под действием силы в 1 ньютон тело переместилось на 1 метр, то данной силой совершена работа 1 джоуль.

Единица работы названа в честь английского ученого Джеймса Прескотта Джоуля.

Рис 3. Джеймс Прескотт Джоуль (1818 — 1889)

Из формулы для вычисления работы следует, что возможны три случая, когда работа равна нулю.

Первый случай — когда на тело действует сила, но тело не перемещается. Например, на дом действует огромная сила тяжести. Но она не совершает работы, поскольку дом неподвижен.

Второй случай — когда тело перемещается по инерции, то есть на него не действуют никакие силы. Например, космический корабль движется в межгалактическом пространстве.

Третий случай — когда на тело действует сила, перпендикулярная направлению движения тела. В этом случае, хотя и тело перемещается, и сила на него действует, но нет перемещения тела в направлении действия силы .

Рис 4. Три случая, когда работа равна нулю

Следует также сказать, что работа силы может быть отрицательной. Так будет, если перемещение тела происходит против направления действия силы . Например, когда подъемный кран с помощью троса поднимает груз над землей, работа силы тяжести отрицательна (а работа силы упругости троса, направленная вверх, наоборот, положительна).

Предположим, при выполнении строительных работ котлован необходимо засыпать песком. Экскаватору для этого понадобится несколько минут, а рабочему с помощью лопаты пришлось бы трудиться несколько часов. Но и экскаватор, и рабочий при этом выполнили бы одну и ту же работу .

Рис 5. Одну и ту же работу можно выполнить за разное время

Чтобы охарактеризовать быстроту выполнения работы в физике используется величина, называемая мощностью.

Мощностью называется физическая величина, равная отношению работы ко времени ее выполнения.

Мощность обозначается латинской буквой N .

Единицей измерения мощности я системе СИ является ватт.

Один ватт — это мощность, при которой работа в один джоуль совершается за одну секунду.

Единица мощности названа в честь английского ученого, изобретателя паровой машины Джеймса Уатта.

Рис 6. Джеймс Уатт (1736 — 1819)

Объединим формулу для вычисления работы с формулой для вычисления мощности.

Вспомним теперь, что отношение пути, пройденного телом, S , ко времени движения t представляет собой скорость движения тела v .

Таким образом, мощность равна произведению численного значения силы на скорость движения тела в направлении действия силы .

Этой формулой удобно пользоваться при решении задач, в которых сила действует на тело, движущееся с известной скоростью.

Список литературы

  1. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. — 17-е изд. — М.: Просвещение, 2004.
  2. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. — 14-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2010.
  3. Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. — М: Издательство «Экзамен», 2010.
  1. Интернет-портал Physics.ru ().
  2. Интернет-портал Festival.1september.ru ().
  3. Интернет-портал Fizportal.ru ().
  4. Интернет-портал Elkin52.narod.ru ().

Домашнее задание

  1. В каких случаях работа равна нулю?
  2. Как находится работа на пути, пройденном в направлении действия силы? В противоположном направлении?
  3. Какую работу совершает сила трения, действующая на кирпич, при его перемещении на 0,4 м? Сила трения равна 5 Н.

1. Механическая работа ​\(A \) ​ — физическая величина, равная произведению вектора силы, действующей на тело, и вектора его перемещения: ​\(A=\vec{F}\vec{S} \) ​. Работа — скалярная величина, характеризуется числовым значением и единицей.

За единицу работы принимают 1 джоуль (1 Дж).\circ \) ​ = 0. Так, нулю равна работа силы, сообщающей телу центростремительное ускорение при его равномерном движении по окружности, так как эта сила перпендикулярна направлению движения тела в любой точке траектории.

4. Работа силы можетбыть как положительной, так и отрицательной. Работа положительная ​\(A \) ​ > 0, если угол 90° > ​\(\alpha \) ​ ≥ 0°; если угол 180° > ​\(\alpha \) ​ ≥ 90°, то работа отрицательная ​\(A \) ​

Если угол ​\(\alpha \) ​ = 0°, то ​\(\cos\alpha \) ​ = 1, ​\(A=FS \) ​. Если угол ​\(\alpha \) ​ = 180°, то ​\(\cos\alpha \) ​ = -1, ​\(A=-FS \) ​.

5. При свободном падении с высоты ​\(h \) ​ тело массой ​\(m \) ​ перемещается из положения 1 в положение 2 (рис. 43). При этом сила тяжести совершает работу, равную:

\[ A=F_тh=mg(h_1-h_2)=mgh \]

​При движении тела вертикально вниз сила и перемещение направлены в одну сторону, и сила тяжести совершает положительную работу.

Если тело поднимается вверх, то сила тяжести направлена вниз, а перемещение вверх, то сила тяжести совершает отрицательную работу, т.е.

\[ A=-F_тh=-mg(h_1-h_2)=-mgh \]

6. Работу можно представить графически. На рисунке изображён график зависимости силы тяжести от высоты тела относительно поверхности Земли (рис. 44). Графически работа силы тяжести равна площади фигуры (прямоугольника), ограниченного графиком, координатными осями и перпендикуляром, восставленным к оси абсцисс
в точке ​\(h \) ​.

Графиком зависимости силы упругости от удлинения пружины является прямая, проходящая через начало координат (рис. 45). По аналогии с работой силы тяжести работа силы упругости равна площади треугольника, ограниченного графиком, координатными осями и перпендикуляром, восставленным к оси абсцисс в точке ​\(x \) ​.
​\(A=Fx/2=kx\cdot x/2 \) ​.

7. Работа силы тяжести не зависит от формы траектории, по которой перемещается тело; она зависит от начального и конечного положений тела. Пусть тело сначала перемещается из точки А в точку В по траектории АВ (рис. 46). Работа силы тяжести в этом случае

\[ A_{AB}=mgh \]

Пусть теперь тело движется из точки А в точку В сначала вдоль наклонной плоскости АС, затем вдоль основания наклонной плоскости ВС. Работа силы тяжести при перемещении по ВС равна нулю. Работа силы тяжести при перемещении по АС равна произведению проекции силы тяжести на наклонную плоскость ​\(mg\sin\alpha \) ​ и длины наклонной плоскости, т.е. ​\(A_{AC}=mg\sin\alpha\cdot l \) ​. Произведение ​\(l\cdot\sin\alpha=h \) ​. Тогда \(A_{AC}=mgh \) . Работа силы тяжести при перемещении тела по двум различным траекториям не зависит от формы траектории, а зависит от начального и конечного положений тела.

Работа силы упругости также не зависит от формы траектории.

Предположим, что тело перемещается из точки А в точку В по траектории АСВ, а затем из точки В в точку А по траектории ВА. При движении по траектории АСВ сила тяжести совершает положительную работу, при движении по траектории В А работа силы тяжести отрицательна, равная по модулю работе при движении по траектории АСВ. Следовательно работа силы тяжести по замкнутой траектории равна нулю. То же относится и к работе силы упругости.

Силы, работа которых не зависит от формы траектории и по замкнутой траектории равна нулю, называют консервативными. К консервативным силам относятся сила тяжести и сила упругости.

8. Силы, работа которых зависит от формы пути, называют неконсервативными. Неконсервативной является сила трения. Если тело перемещается из точки А в точку В (рис. 47) сначала по прямой, а затем по ломаной линии АСВ, то в первом случае работа силы трения ​\(A_{AB}=-Fl_{AB} \) ​, а во втором ​\(A_{ABC}=A_{AC}+A_{CB} \) ​, \(A_{ABC}=-Fl_{AC}-Fl_{CB} \) .

Следовательно, работа ​\(A_{AB} \) ​ не равна работе ​\(A_{ABC} \) ​.

9. Мощностью называется физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, за который она совершена. Мощность характеризует быстроту совершения работы.

Мощность обозначается буквой ​\(N \) ​.

Единица мощности: ​\([N]=[A]/[t] \) ​. ​\([N] \) ​ = 1 Дж/1 с = 1 Дж/с. Эта единица называется ватт (Вт). Один ватт — такая мощность, при которой работа 1 Дж совершается за 1 с.

10. Мощность, развиваемая двигателем, равна: ​\(N = A/t \) ​, ​\(A=F\cdot S \) ​, откуда ​\(N=FS/t \) ​. Отношение перемещения ко времени представляет собой скорость движения: ​\(S/t = v \) ​. Откуда ​\(N = Fv \) ​.

Из полученной формулы видно, что при постоянной силе сопротивления скорость движения прямо пропорциональна мощности двигателя.

В различных машинах и механизмах происходит преобразование механической энергии. За счёт энергии при её преобразовании совершается работа. При этом на совершение полезной работы расходуется только часть энергии. Некоторая часть энергии тратится на совершение работы против сил трения. Таким образом, любая машина характеризуется величиной, показывающей, какая часть передаваемой ей энергии используется полезно. Эта величина называется коэффициентом полезного действия (КПД) .

Коэффициентом полезного действия называют величину, равную отношению полезной работы ​\((A_п) \) ​ ко всей совершённой работе \((A_с) \) : ​\(\eta=A_п/A_с \) ​. Выражают КПД в процентах.

Часть 1

1. Работа определяется по формуле

1) ​\(A=Fv \) ​
2) \(A=N/t \) ​
3) \(A=mv \) ​
4) \(A=FS \) ​

2. Груз равномерно поднимают вертикально вверх за привязанную к нему верёвку. Работа силы тяжести в этом случае

1) равна нулю
2) положительная
3) отрицательная
4) больше работы силы упругости

3. Ящик тянут за привязанную к нему верёвку, составляющую угол 60° с горизонтом, прикладывая силу 30 Н. Какова работа этой силы, если модуль перемещения равен 10 м?

1) 300 Дж
2) 150 Дж
3) 3 Дж
4) 1,5 Дж

4. Искусственный спутник Земли, масса которого равна ​\(m \) ​, равномерно движется по круговой орбите радиусом ​\(R \) ​. Работа, совершаемая силой тяжести за время, равное периоду обращения, равна

1) ​\(mgR \) ​
2) ​\(\pi mgR \) ​
3) \(2\pi mgR \) ​
4) ​\(0 \) ​

5. Автомобиль массой 1,2 т проехал 800 м по горизонтальной дороге. Какая работа была совершена при этом силой трения, если коэффициент трения 0,1?

1) -960 кДж
2) -96 кДж
3) 960 кДж
4) 96 кДж

6. Пружину жёсткостью 200 Н/м растянули на 5 см. Какую работу совершит сила упругости при возвращении пружины в состояние равновесия?

1) 0,25 Дж
2) 5 Дж
3) 250 Дж
4) 500 Дж

7. Шарики одинаковой массы скатываются с горки по трём разным желобам, как показано на рисунке. В каком случае работа силы тяжести будет наибольшей?

1) 1
2) 2
3) 3
4) работа во всех случаях одинакова

8. Работа по замкнутой траектории равна нулю

А. Силы трения
Б. Силы упругости

Верным является ответ

1) и А, и Б
2) только А
3) только Б
4) ни А, ни Б

9. Единицей мощности в СИ является

1) Дж
2) Вт
3) Дж·с
4) Н·м

10. Чему равна полезная работа, если совершённая работа составляет 1000 Дж, а КПД двигателя 40 %?

1) 40000 Дж
2) 1000 Дж
3) 400 Дж
4) 25 Дж

11. Установите соответствие между работой силы (в левом столбце таблицы) и знаком работы (в правом столбце таблицы). В ответе запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

РАБОТА СИЛЫ
A. Работа силы упругости при растяжении пружины
Б. Работа силы трения
B. Работа силы тяжести при падении тела

ЗНАК РАБОТЫ
1) положительная
2) отрицательная
3) равна нулю

12. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Работа силы тяжести не зависит от формы траектории.
2) Работа совершается при любом перемещении тела.
3) Работа силы трения скольжения всегда отрицательна.
4) Работа силы упругости по замкнутому контуру не равна нулю.
5) Работа силы трения не зависит от формы траектории.

Часть 2

13. Лебёдка равномерно поднимает груз массой 300 кг на высоту 3 м за 10 с. Какова мощность лебёдки?

Ответы

Механическая работа. Единицы работы.

В обыденной жизни под понятием «работа» мы понимаем всё.

В физике понятие работа несколько иное. Это определенная физическая величина, а значит, ее можно измерить. В физике изучается прежде всего механическая работа .

Рассмотрим примеры механической работы.

Поезд движется под действием силы тяги электровоза, при этом совершается механическая работа. При выстреле из ружья сила давления пороховых газов совершает работу — перемещает пулю вдоль ствола, скорость пули при этом увеличивается.

Из этих примеров видно, что механическая работа совершается, когда тело движется под действием силы. Механическая работа совершается и в том случае, когда сила, действуя на тело (например, сила трения), уменьшает скорость его движения.

Желая передвинуть шкаф, мы с силой на него надавливаем, но если он при этом в движение не приходит, то механической работы мы не совершаем. Можно представить себе случай, когда тело движется без участия сил (по инерции), в этом случае механическая работа также не совершается.

Итак, механическая работа совершается, только когда на тело действует сила, и оно движется .

Нетрудно понять, что чем большая сила действует на тело и чем длиннее путь, который проходит тело под действием этой силы, тем большая совершается работа.

Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и прямо пропорциональна пройденному пути .

Поэтому, условились измерять механическую работу произведением силы на путь, пройденный по этому направлению этой силы:

работа = сила × путь

где А — работа, F — сила и s — пройденный путь.

За единицу работы принимается работа, совершаемая силой в 1Н, на пути, равном 1 м.

Единица работы — джоуль (Дж ) названа в честь английского ученого Джоуля. Таким образом,

1 Дж = 1Н · м.

Используется также килоджоули (кДж ) .

1 кДж = 1000 Дж.

Формула А = Fs применима в том случае, когда сила F постоянна и совпадает с направлением движения тела.

Если направление силы совпадает с направлением движения тела, то данная сила совершает положительную работу.

Если же движение тела происходит в направлении, противоположном направлению приложенной силы, например, силы трения скольжения, то данная сила совершает отрицательную работу.

Если направление силы, действующей на тело, перпендикулярно направлению движения, то эта сила работы не совершает, работа равна нулю:

В дальнейшем, говоря о механической работе, мы будем кратко называть ее одним словом — работа.

Пример . Вычислите работу, совершаемую при подъеме гранитной плиты объемом 0,5 м3 на высоту 20 м. Плотность гранита 2500 кг/м 3 .

Дано :

ρ = 2500 кг/м 3

Решение :

где F -сила, которую нужно приложить, чтобы равномерно поднимать плиту вверх. Эта сила по модулю равна силе тяж Fтяж, действующей на плиту, т. е. F = Fтяж. А силу тяжести можно определить по массе плиты: Fтяж = gm. Массу плиты вычислим, зная ее объем и плотность гранита: m = ρV; s = h, т. е. путь равен высоте подъема.

Итак, m = 2500 кг/м3 · 0,5 м3 = 1250 кг.

F = 9,8 Н/кг · 1250 кг ≈ 12 250 Н.

A = 12 250 Н · 20 м = 245 000 Дж = 245 кДж.

Ответ : А =245 кДж.

Рычаги.Мощность.Энергия

На совершение одной и той же работы различным двигателям требуется разное время. Например, подъемный кран на стройке за несколько минут поднимает на верхний этаж здания сотни кирпичей. Если бы эти кирпичи перетаскивал рабочий, то ему для этого потребовалось бы несколько часов. Другой пример. Гектар земли лошадь может вспахать за 10-12 ч, трактор же с многолемешным плугом (лемех — часть плуга, подрезающая пласт земли снизу и передающая его на отвал; многолемешный — много лемехов), эту работу выполнит на 40-50 мин.

Ясно, что подъемный кран ту же работу совершает быстрее, чем рабочий, а трактор — быстрее чем лошадь. Быстроту выполнения работы характеризуют особой величиной, называемой мощностью.

Мощность равна отношению работы ко времени, за которое она была совершена.

Чтобы вычислить мощность, надо работу разделить на время, в течение которого совершена эта работа. мощность = работа/время.

где N — мощность, A — работа, t — время выполненной работы.

Мощность — величина постоянная, когда за каждую секунду совершается одинаковая работа, в других случаях отношение A/t определяет среднюю мощность:

N ср = A/t . За единицу мощности приняли такую мощность, при которой в 1 с совершается работа в Дж.

Эта единица называется ваттом (Вт ) в честь еще одного английского ученого Уатта.

1 ватт = 1 джоуль/ 1 секунда , или 1 Вт = 1 Дж/с.

Ватт (джоуль в секунду) — Вт (1 Дж/с).

В технике широко используется более крупные единицы мощности — киловатт (кВт ), мегаватт (МВт ) .

1 МВт = 1 000 000 Вт

1 кВт = 1000 Вт

1 мВт = 0,001 Вт

1 Вт = 0,000001 МВт

1 Вт = 0,001 кВт

1 Вт = 1000 мВт

Пример . Найти мощность потока воды, протекающей через плотину, если высота падения воды 25 м, а расход ее — 120 м3 в минуту.

Дано :

ρ = 1000 кг/м3

Решение :

Масса падающей воды: m = ρV ,

m = 1000 кг/м3 · 120 м3 = 120 000 кг (12 · 104 кг).

Сила тяжести, действующая на воду:

F = 9.8 м/с2 · 120 000 кг ≈ 1 200 000 Н (12 · 105 Н)

Работа, совершаемая потоком в минуту:

А — 1 200 000 Н · 25 м = 30 000 000 Дж (3 · 107 Дж).

Мощность потока: N = A/t,

N = 30 000 000 Дж / 60 с = 500 000 Вт = 0,5 МВт.

Ответ : N = 0.5 МВт.

Различные двигатели имеют мощности от сотых и десятых долей киловатта (двигатель электрической бритвы, швейной машины) до сотен тысяч киловатт (водяные и паровые турбины).

Таблица 5.

Мощность некоторых двигателей, кВт.

На каждом двигателе имеется табличка (паспорт двигателя), на которой указаны некоторые данные о двигателе, в том числе и его мощность.

Мощность человека при нормальный условиях работы в среднем равна 70-80 Вт. Совершая прыжки, взбегая по лестнице, человек может развивать мощность до 730 Вт, а в отдельных случаях и еще бóльшую.

Из формулы N = A/t следует, что

Чтобы вычислить работу, необходимо мощность умножить на время, в течение которого совершалась эта работа.

Пример. Двигатель комнатного вентилятора имеет мощность 35 Вт. Какую работу он совершает за 10 мин?

Запишем условие задачи и решим ее.

Дано :

Решение :

A = 35 Вт * 600с = 21 000 Вт* с = 21 000 Дж = 21 кДж.

Ответ A = 21 кДж.

Простые механизмы.

С незапамятных времен человек использует для совершения механической работы различные приспособления.

Каждому известно, что тяжелый предмет (камень, шкаф, станок), который невозможно сдвинуть руками, можно сдвинуть с помощью достаточно длинной палки — рычага.

На данный момент считается, что с помощью рычагов три тысячи лет назад при строительстве пирамид в Древнем Египте передвигали и поднимали на большую высоту тяжелые каменные плиты.

Во многих случаях, вместо того, чтобы поднимать тяжелый груз на некоторую высоту, его можно вкатывать или втаскивать на ту же высоту по наклонной плоскости или поднимать с помощью блоков.

Приспособления, служащие для преобразования силы, называются механизмами .

К простым механизмам относятся: рычаги и его разновидности — блок, ворот; наклонная плоскость и ее разновидности — клин, винт . В большинстве случаев простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, т. е. увеличить силу, действующую на тело, в несколько раз.

Простые механизмы имеются и в бытовых, и во всех сложных заводских и фабричных машинах, которые режут, скручивают и штампуют большие листы стали или вытягивают тончайшие нити, из которых делаются потом ткани. Эти же механизмы можно обнаружить и в современных сложных автоматах, печатных и счетных машинах.

Рычаг. Равновесие сил на рычаге.

Рассмотрим самый простой и распространенный механизм — рычаг.

Рычаг представляет собой твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры.

На рисунках показано, как рабочий для поднятия груза в качестве рычага, использует лом. В первом случае рабочий с силой F нажимает на конец лома B , во втором — приподнимает конец B .

Рабочему нужно преодолеть вес груза P — силу, направленную вертикально вниз. Он поворачивает для этого лом вокруг оси, проходящей через единственную неподвижную точку лома — точку его опоры О . Сила F , с которой рабочий действует на рычаг, меньше силы P , таким образом, рабочий получает выигрыш в силе . При помощи рычага можно поднять такой тяжелый груз, который своими силами поднять нельзя.

На рисунке изображен рычаг, ось вращения которого О (точка опоры) расположена между точками приложения сил А и В . На другом рисунке показана схема этого рычага. Обе силы F 1 и F 2, действующие на рычаг, направлены в одну сторону.

Кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила, называется плечом силы.

Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы.

Длина этого перпендикуляра и будет плечом данной силы. На рисунке показано, что ОА — плечо силы F 1; ОВ — плечо силы F 2 . Силы, действующие на рычаг могут повернуть его вокруг оси в двух направлениях: по ходу или против хода часовой стрелки. Так, сила F 1 вращает рычаг по ходу часовой стрелки, а сила F 2 вращает его против часовой стрелки.

Условие, при котором рычаг находится в равновесии под действием приложенных к нему сил, можно установить на опыте. При этом надо помнить, что результат действия силы, зависит не только от ее числового значения (модуля), но и от того, в какой точке она приложена к телу, или как направлена.

К рычагу (см рис.) по обе стороны от точки опоры подвешиваются различные грузы так, что каждый раз рычаг оставался в равновесии. Действующие на рычаг силы, равны весам этих грузов. Для каждого случая измеряются модули сил и их плечи. Из опыта изображенного на рисунке 154, видно, что сила 2 Н уравновешивает силу 4 Н . При этом, как видно из рисунка, плечо меньшей силы в 2 раза больше плеча большей силой.

На основании таких опытов было установлено условие (правило) равновесия рычага.

Рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

Это правило можно записать в виде формулы:

F 1/F 2 = l2/ l1 ,

где F 1 и F2 — силы, действующие на рычаг, l 1 и l2 , — плечи этих сил (см. рис.).

Правило равновесия рычага было установлено Архимедом около 287 — 212 гг. до н. э. (но ведь в прошлом параграфе говорилось, что рычаги использовались египтянами? Или тут важную роль играет слово «установлено»?)

Из этого правила следует, что меньшей силой можно уравновесить при помощи рычага бóльшую силу. Пусть одно плечо рычага в 3 раза больше другого (см рис.). Тогда, прикладывая в точке В силу, например, в 400 Н, можно поднять камень весом 1200 Н. Что0бы поднять еще более тяжелый груз, нужно увеличить длину плеча рычага, на которое действует рабочий.

Пример . С помощью рычага рабочий поднимает плиту массой 240 кг (см рис. 149). Какую силу прикладывает он к большему плечу рычага, равному 2,4 м, если меньшее плечо равно 0,6 м?

Запишем условие задачи, и решим ее.

Дано :

Решение :

По правилу равновесия рычага F1/F2 = l2/l1, откуда F1 = F2 l2/l1, где F2 = Р — вес камня. Вес камня asd = gm, F = 9,8 Н · 240 кг ≈ 2400 Н

Тогда, F1 = 2400 Н · 0,6/2,4 = 600 Н.

Ответ : F1 = 600 Н.

В нашем примере рабочий преодолевает силу 2400 Н, прикладывая к рычагу силу 600 Н. Но при этом плечо, на которое действует рабочий, в 4 раза длиннее того, на которое действует вес камня (l 1 : l2 = 2,4 м: 0,6 м = 4).

Применяя правило рычага, можно меньшей силой уравновесить бóльшую силу. При этом плечо меньшей силы должно быть длиннее плеча большей силы.

Момент силы.

Вам уже известно правило равновесия рычага:

F 1 / F2 = l 2 / l1 ,

Пользуясь свойством пропорции (произведение ее крайних членов, равно произведению ее средних членов), запишем его в таком виде:

F 1l 1 = F2 l2 .

В левой части равенства стоит произведение силы F 1 на ее плечо l 1, а в правой — произведение силы F 2 на ее плечо l 2 .

Произведение модуля силы, вращающей тело, на ее плечо называется моментом силы ; он обозначается буквой М. Значит,

Рычаг находится в равновесии под действием двух сил, если момент силы, вращающий его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки.

Это правило, называемое правилом моментов , можно записать в виде формулы:

М1 = М2

Действительно, в рассмотренном нами опыте, (§ 56) действующие силы были равны 2 Н и 4 Н, их плечи соответственно составляли 4 и 2 давления рычага, т. е. моменты этих сил одинаковы при равновесии рычага.

Момент силы, как и всякая физическая величина, может быть измерена. За единицу момента силы принимается момент силы в 1 Н, плечо которой ровно 1 м.

Эта единица называется ньютон-метр (Н · м ).

Момент силы характеризует действие силы, и показывает, что оно зависит одновременно и от модуля силы, и от ее плеча. Действительно, мы уже знаем, например, что действие силы на дверь зависит и от модуля силы, и от того, где приложена сила. Дверь тем легче повернуть, чем дальше от оси вращения приложена действующая на нее сила. Гайку, лучше отвернуть длинным гаечным ключом, чем коротким. Ведро тем легче поднять из колодца, чем длиннее ручка вóрота, и т. д.

Рычаги в технике, быту и природе.

Правило рычага (или правило моментов) лежит в основе действия различного рода инструментов и устройств, применяемых в технике и быту там, где требуется выигрыш в силе или в пути.

Выигрыш в силе мы имеем при работе с ножницами. Ножницы это рычаг (рис), ось вращения которого, происходит через винт, соединяющий обе половины ножниц. Действующей силой F 1 является мускульная сила руки человека, сжимающего ножницы. Противодействующей силой F 2 — сила сопротивления такого материала, который режут ножницами. В зависимости от назначения ножниц их устройство бывает различным. Конторские ножницы, предназначенные для резки бумаги, имеют длинные лезвия и почти такой же длины ручки. Для резки бумаги не требуется большой силы, а длинным лезвием удобнее резать по прямой линии. Ножницы для резки листового металла (рис.) имеют ручки гораздо длиннее лезвий, так как сила сопротивления металла велика и для ее уравновешивания плечо действующей силы приходится значительно увеличивать. Еще больше разница между длиной ручек и расстоянии режущей части и оси вращения в кусачках (рис.), предназначенных для перекусывания проволоки.

Рычаги различного вида имеются у многих машин. Ручка швейной машины, педали или ручной тормоз велосипеда, педали автомобиля и трактора, клавиши пианино — все это примеры рычагов, используемых в данных машинах и инструментах.

Примеры применения рычагов — это рукоятки тисков и верстаков, рычаг сверлильного станка и т. д.

На принципе рычага основано действие и рычажных весов (рис.). Учебные весы, изображенные на рисунке 48 (с. 42), действуют как равноплечий рычаг . В десятичных весах плечо, к которому подвешена чашка с гирями, в 10 раз длиннее плеча, несущего груз. Это значительно упрощает взвешивание больших грузов. Взвешивая груз на десятичных весах, следует умножить массу гирь на 10.

Устройство весов для взвешивания грузовых вагонов автомобилей также основано на правиле рычага.

Рычаги встречаются также в разных частях тела животных и человека. Это, например, руки, ноги, челюсти. Много рычагов можно найти в теле насекомых (прочитав книгу про насекомых и строение их тела), птиц, в строении растений.

Применение закона равновесия рычага к блоку.

Блок представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме. По желобу блока пропускается веревка, трос или цепь.

Неподвижным блоком называется такой блок, ось которого закреплена, и при подъеме грузов не поднимается и не опускается (рис).

Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса (рис): ОА = ОВ = r . Такой блок не дает выигрыша в силе. (F 1 = F 2), но позволяет менять направление действие силы. Подвижный блок — это блок. ось которого поднимается и опускается вместе с грузом (рис.). На рисунке показан соответствующий ему рычаг: О — точка опоры рычага, ОА — плечо силы Р и ОВ — плечо силы F . Так как плечо ОВ в 2 раза больше плеча ОА , то сила F в 2 раза меньше силы Р :

F = P/2 .

Таким образом, подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза .

Это можно доказать и пользуясь понятием момента силы. При равновесии блока моменты сил F и Р равны друг другу. Но плечо силы F в 2 раза больше плеча силы Р , а, значит, сама сила F в 2 раза меньше силы Р .

Обычно на практике применяют комбинацию неподвижного блока с подвижным (рис.). Неподвижный блок применяется только для удобства. Он не дает выигрыша в силе, но изменяет направление действия силы. Например, позволяет поднимать груз, стоя на земле. Это пригождается многим людям или рабочим. Тем не менее, он даёт выигрыш в силе в 2 раза больше обычного!

Равенство работ при использовании простых механизмов. «Золотое правило» механики.

Рассмотренные нами простые механизмы применяются при совершении работы в тех случаях, когда надо действием одной силы уравновесить другую силу.

Естественно, возникает вопрос: давая выигрыш в силе или пути, не дают ли простые механизмы выигрыша в работе? Ответ на поставленный вопрос можно получить из опыта.

Уравновесив на рычаге две какие-нибудь разные по модулю силы F 1 и F 2 (рис.), приводим рычаг в движение. При этом оказывается, что за одно и то же время точка приложения меньшей силы F 2 проходит больший путь s 2 , а точка приложения большей силы F 1 — меньший путь s 1. Измерив эти пути и модули сил, находим, что пути, пройденные точками приложения сил на рычаге, обратно пропорциональны силам:

s 1 / s 2 = F 2 / F 1.

Таким образом, действуя на длинное плечо рычага, мы выигрываем в силе, но при этом во столько же раз проигрываем в пути.

Произведение силы F на путь s есть работа. Наши опыты показывают, что работы, совершаемые силами, приложенными к рычагу, равны друг другу:

F 1 s 1 = F 2 s 2, т. е. А 1 = А 2.

Итак, при использовании рычага выигрыша в работе не получится.

Пользуясь рычагом, мы можем выиграть или в силе, или в расстоянии. Действуя же силой на короткое плечо рычага, мы выигрываем в расстоянии, но во столько же раз проигрываем в силе.

Существует легенда, что Архимед, восхищенный открытием правила рычага, воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!».

Конечно, Архимед не мог бы справиться с такой задачей, если бы даже ему и дали бы точку опоры (которая должна была бы быть вне Земли) и рычаг нужной длины.

Для подъема земли всего на 1 см длинное плечо рычага должно было бы описать дугу огромной длины. Для перемещения длинного конца рычага по этому пути, например, со скоростью 1 м/с, потребовались бы миллионы лет!

Не дает выигрыша в работе и неподвижный блок, в чем легко убедиться на опыте (см. рис.). Пути, проходимые точками приложения сил F и F , одинаковы, одинаковы и силы, а значит, одинаковы и работы.

Можно измерить и сравнить между собой работы, совершаемые с помощью подвижного блока. Чтобы при помощи подвижного блока поднять груз на высоту h, необходимо конец веревки, к которому прикреплен динамометр, как показывает опыт (рис.), переместить на высоту 2h.

Таким образом, получая выигрыш в силе в 2 раза, проигрывают в 2 раза в пути, следовательно, и подвижный блок, на дает выигрыша в работе.

Многовековая практика показала, что ни один из механизмов не дает выигрыш в работе. Применяют же различные механизмы для того, чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или в пути.

Уже древним ученым было известно правило, применимое ко всем механизмом: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Это правило назвали «золотым правилом» механики.

Коэффициент полезного действия механизма.

Рассматривая устройство и действие рычага, мы не учитывали трение, а также вес рычага. в этих идеальных условиях работа, совершенная приложенной силой (эту работу мы будем называть полной ), равна полезной работе по подъему грузов или преодоления какого — либо сопротивления.

На практике совершенная с помощью механизма полная работа всегда несколько больше полезной работы.

Часть работы совершается против силы трения в механизме и по перемещению его отдельных частей. Так, применяя подвижный блок, приходится дополнительно совершать работу по подъему самого блока, веревки и по определению силы трения в оси блока.

Какой мы механизм мы не взяли, полезная работа, совершенная с его помощью, всегда составляет лишь часть полной работы. Значит, обозначив полезную работу буквой Ап, полную(затраченную) работу буквой Аз, можно записать:

Ап

Отношение полезной работы к полной работе называется коэффициентом полезного действия механизма.

Сокращенно коэффициент полезного действия обозначается КПД.

КПД = Ап / Аз.

КПД обычно выражается в процентах и обозначается греческой буквой η, читается он как «эта»:

η = Ап / Аз · 100%.

Пример : На коротком плече рычага подвешен груз массой 100 кг. Для его подъема к длинному плечу приложена сила 250 Н. Груз подняли на высоту h2 = 0,08 м, при этом точка приложения движущей силы опустилась на высоту h3 = 0,4 м. Найти КПД рычага.

Запишем условие задачи и решим ее.

Дано :

Решение :

η = Ап / Аз · 100%.

Полная (затраченная) работа Аз = Fh3.

Полезная работа Ап = Рh2

Р = 9,8 · 100 кг ≈ 1000 Н.

Ап = 1000 Н · 0,08 = 80 Дж.

Аз = 250 Н · 0,4 м = 100 Дж.

η = 80 Дж/100 Дж · 100% = 80%.

Ответ : η = 80%.

Но «золотое правило» выполняется и в этом случае. Часть полезной работы — 20% ее-расходуется на преодоление трения в оси рычага и сопротивления воздуха, а также на движение самого рычага.

КПД любого механизма всегда меньше 100%. Конструируя механизмы, люди стремятся увеличить их КПД. Для этого уменьшаются трение в осях механизмов и их вес.

Энергия.

На заводах и фабриках, станки и машины приводятся в движения с помощью электродвигателей, которые расходуют при этом электрическую энергию (отсюда и название).

Сжатая пружина (рис), распрямляясь, совершить работу, поднять на высоту груз, или заставить двигаться тележку.

Поднятый над землей неподвижный груз не совершает работы, но если этот груз упадет, он может совершить работу (например, может забить в землю сваю).

Способностью совершить работу обладает и всякое движущееся тело. Так, скатившийся с наклонной плоскости стальной шарик А (рис), ударившись о деревянный брусок В, передвигает его на некоторое расстояние. При этом совершается работа.

Если тело или несколько взаимодействующих между собой тел (система тел) могут совершить работу, говорится, что они обладают энергией.

Энергия — физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело (или несколько тел). Энергия выражается в системе СИ в тех же единицах, что и работу, т. е. в джоулях .

Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает.

При совершении работы энергия тел изменяется. Совершенная работа равна изменению энергии.

Потенциальная и кинетическая энергия.

Потенциальной (от лат. потенция — возможность) энергией называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел и частей одного и того же тела.

Потенциальной энергией, например, обладает тело, поднятое относительно поверхности Земли, потому что энергия зависит от взаимного положения его и Земли. и их взаимного притяжения. Если считать потенциальную энергию тела, лежащего на Земле, равной нулю, то потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту, определится работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю. Обозначим потенциальную энергию тела Е п, поскольку Е = А , а работа, как мы знаем, равна произведению силы на путь, то

А = Fh ,

где F — сила тяжести.

Значит, и потенциальная энергия Еп равна:

Е = Fh, или Е = gmh,

где g — ускорение свободного падения, m — масса тела, h — высота, на которую поднято тело.

Огромной потенциальной энергией обладает вода в реках, удерживаемая плотинами. Падая вниз, вода совершает работу, приводя в движение мощные турбины электростанций.

Потенциальную энергию молота копра (рис.) используют в строительстве для совершению работы по забиванию свай.

Открывая дверь с пружиной, совершается работа по растяжению (или сжатию) пружины. За счет приобретенной энергии пружина, сокращаясь (или распрямляясь), совершает работу, закрывая дверь.

Энергию сжатых и раскрученных пружин используют, например, в ручных часах, разнообразных заводных игрушках и пр.

Потенциальной энергией обладает всякое упругое деформированное тело. Потенциальную энергию сжатого газа используют в работе тепловых двигателей, в отбойных молотках, которые широко применяют в горной промышленности, при строительстве дорог, выемке твердого грунта и т. д.

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической (от греч. кинема — движение) энергией.

Кинетическая энергия тела обозначается буквой Е к.

Движущаяся вода, приводя во вращение турбины гидроэлектростанций, расходует свою кинетическую энергию и совершает работу. Кинетической энергией обладает и движущийся воздух — ветер.

От чего зависит кинетическая энергия? Обратимся к опыту (см. рис.). Если скатывать шарик А с разных высот, то можно заметить, что чем с большей высоты скатывается шарик, тем больше его скорость и тем дальше он продвигает брусок, т.2 /2,

где m — масса тела, v — скорость движения тела.

Кинетическую энергию тел используют в технике. Удерживаемая плотиной вода обладает, как было уже сказано, большой потенциальной энергией. При падении с плотины вода движется и имеет такую же большую кинетическую энергию. Она приводит в движение турбину, соединенную с генератором электрического тока. За счет кинетической энергии воды вырабатывается электрическая энергия.

Энергия движущейся воды имеет большое значение в народном хозяйстве. Эту энергию используют с помощью мощных гидроэлектростанций.

Энергия падающей воды является экологически чистым источником энергии в отличие от энергии топлива.

Все тела в природе относительно условного нулевого значения обладают либо потенциальной, либо кинетической энергией, а иногда той и другой вместе. Например, летящий самолет обладает относительно Земли и кинетической и потенциальной энергией.

Мы познакомились с двумя видами механической энергии. Иные виды энергии (электрическая, внутренняя и др.) будут рассмотрены в других разделах курса физики.

Превращение одного вида механической энергии в другой.

Явление превращения одного вида механической энергии в другой очень удобно наблюдать на приборе, изображенном на рисунке. Накручивая на ось нить, поднимают диск прибора. Диск, поднятый вверх, обладает некоторой потенциальной энергией. Если его отпустить, то он, вращаясь, начнет падать. По мере падения потенциальная энергия диска уменьшается, но вместе с тем возрастает его кинетическая энергия. В конце падения диск обладает таким запасом кинетической энергии, что может опять подняться почти до прежней высоты. (Часть энергии расходуется на работу против силы трения, поэтому диск не достигает первоначальной высоты.) Поднявшись вверх, диск снова падает, а затем снова поднимается. В этом опыте при движении диска вниз его потенциальная энергия превращается в кинетическую, а при движении вверх кинетическая превращается в потенциальную.

Превращение энергии из одного вида в другой происходит также при ударе двух каких-нибудь упругих тел, например резинового мяча о пол или стального шарика о стальную плиту.

Если поднять над стальной плитой стальной шарик (рис) и выпустить его из рук, он будет падать. По мере падения шарика его потенциальная энергия убывает, а кинетическая растет, так как увеличивается скорость движения шарика. При ударе шарика о плиту произойдет сжатие как шарика, так и плиты. Кинетическая энергия, которой шарик обладал, превратится в потенциальную энергию сжатой плиты и сжатого шарика. Затем благодаря действию упругих сил плита и шарик, примут свою первоначальную форму. Шарик отскочит от плиты, а их потенциальная энергия вновь превратится в кинетическую энергию шарика: шарик отскочит вверх со скоростью, почти равной скорости, которой обладал в момент удара о плиту. При подъеме вверх скорость шарика, а значит, и его кинетическая энергия уменьшаются, потенциальная энергия увеличивается. отскочив от плиты, шарик поднимается почти до той же высоты, с которой начал падать. В верхней точке подъема вся его кинетическая энергия вновь превратится в потенциальную.

Явления природы обычно сопровождается превращением одного вида энергии в другой.

Энергия может и передаваться от одного тела к другому. Так, например, при стрельбе из лука потенциальная энергия натянутой тетивы переходит в кинетическую энергию летящей стрелы.

Пресс-центр компании «Диполь»


Алексей Телегин, ведущий блога по источникам питания Keysight Technologies

Мы продолжаем знакомить читателей с материалами, посвященными базовым понятиям и подходам в использовании источников питания (ИП), современным решениям в данной области и уникальным функциям, помогающим решить самые сложные задачи, возникающие при тестировании. В этом номере менеджер по развитию бизнеса и ведущий раздела по системам электропитания объединенного блога Keysight Technologies в России Алексей Телегин обсуждает такие фундаментальные понятия, как мощность и энергия.

Энергия становится все более ценным товаром, ведь человечество гораздо быстрее находит способы ее потребления, чем способы воспроизводства. Даже если бы мы были способны добывать или преобразовывать энергию в неограниченных количествах, процессы ее производства и потребления все равно оказывали бы огромное влияние на жизнь всей планеты. Для решения проблемы растущих потребностей необходимы более разумные и эффективные способы использования энергии. Нельзя не отметить, что в ряде отраслей происходит постоянное развитие технологий для решения данной задачи, и компания Keysight Technologies является активным участником этого, безусловно, положительного процесса.

Несмотря на то, что мощность и энергия — фундаментальные понятия, и большинство профессионалов прекрасно понимают различие между ними, я иногда встречаю сотрудников, ошибочно использующих одно из этих слов вместо другого. Действительно, эти понятия тесно связаны, но все же являются принципиально разными по смыслу.

Итак, начнем с энергии. Вероятно, лучше всего рассматривать ее с точки зрения классической механики движения заряженных частиц. Уравнение кинетической энергии выглядит следующим образом:

Ek = &frac12 × m × v2,

где Ek — энергия частицы, m — масса, а v — скорость. До тех пор, пока эта движущаяся частица не испытывает воздействия, ее энергия остается неизменной. Но что произойдет с частицей под действием внешней силы? Этот вопрос приводит нас к понятию работы. Механическая работа — это мера силы, зависящая от численной величины, направления силы и от перемещения точки. Если эта сила действует в том же направлении, что и перемещение, работа определяется как положительная. Частица получает энергию. Если сила действует в направлении, противоположном перемещению, тогда работа является отрицательной. Энергия частицы уменьшается. Работа выражается следующим образом:

W = Ek2–Ek1,

где Ek1 — энергия частицы до воздействия на нее силы, а Ek2 — энергия частицы после воздействия.

Работа — это количественная мера изменения энергии этой частицы.

Мы подошли к вопросу определения потенциальной энергии. В механике потенциальную энергию можно описать как нечто, что я буду называть возобновляемой силой, приложенной в направлении, противоположном перемещению. В самом типичном случае это будет масса объекта, поднятого на некоторую высоту, на который действует сила тяжести. Это также может быть сила, использованная для растягивания пружины на некоторое расстояние. В случае силы тяжести потенциальную энергию описывает следующая формула:

Ep = m × g × y,

где Ep — потенциальная энергия частицы, m — масса, g — сила тяжести, а y — высота частицы над заданной точкой отсчета. Обратите внимание, что вес — это произведение массы на силу тяжести. Работа, складываемая или вычитаемая (соответственно), — это подъем или опускание частицы на вертикальное расстояние под действием силы тяжести.

Для электричества понятия работы и энергии точно такие же, как и в контексте механики. Известно, что энергию нельзя создать или уничтожить, ее можно только преобразовать из одной формы в другую. Энергию света можно преобразовать в электрическую при помощи фотоэлемента. Электрическую энергию можно преобразовать в механическую при помощи электродвигателя и т. д. Эти процессы не являются эффективными на все 100%, потому что значительная доля исходной энергии преобразуется также в тепловую. Общепринятой мерой энергии являются джоули, которые равны одной ватт-секунде. Чаще всего мы сталкиваемся с этим понятием, когда оплачиваем счета за электроэнергию: сумма в них рассчитывается на основании количества киловатт-часов электроэнергии, которая израсходована с момента выставления предыдущего счета.

Как и в механике, энергию в электрических системах можно сохранять — в частности, в реактивных компонентах (катушках индуктивности и конденсаторах). Энергия в катушке вычисляется по формуле:

E = &frac12× L × I2,

где E — энергия в джоулях, L — индуктивность в генри, а I — сила тока в амперах. Катушка индуктивности хранит свою энергию в магнитном поле. Соответственно, энергия конденсатора определяется по формуле:

E = &frac12× C × V2,

где E — энергия в джоулях, C — емкость в фарадах, а V — электрический потенциал в вольтах. Конденсатор хранит свою энергию в электрическом поле.

Надеюсь, что теперь вы имеете более четкое представление о том, что представляет собой энергия (и работа). Далее необходимо связать эти понятия с мощностью.

Мы знаем, как можно увеличить энергию или, наоборот, уменьшить ее в системе под воздействием совершаемой работы, и установили, что совершенная работа приводит к изменению количества энергии. Но необходимо также знать, в течение какого периода выполнялась работа. Ведь она могла совершаться в течение минуты, дня или года. Мощность является мерой скорости, с которой выполняется работа, и энергии, добавляемой в систему или удаляемой из системы.

Средняя мощность = совершаемая работа/интервал времени.

Когда мы слышим слово «мощность», чаще всего нам в голову приходит мощность в лошадиных силах, которой обладает какой-нибудь автомобиль (по крайней мере, это утверждение справедливо для большинства автолюбителей). Несмотря на то, что чаще всего это понятие используется в отношении механических систем, лошадиная сила все же остается мерой мощности, точно так же, как и электрическая мощность, которую мы потребляем из розеток у себя дома.

Когда-то, еще во времена тепловых двигателей, Джеймс Ватт придумал термин «лошадиная сила» в качестве средства для сравнения своих паровых двигателей с интенсивностью работы, которую может производить лошадь. Механическая работа — это мера силы (фунты), затраченной на перемещение на расстояние (футы). В результате расчета было принято, что лошадь может переместить 550 футо-фунтов за одну секунду, или производить 550 футо-фунтов мощности в секунду.

Электрическая мощность также является мерой работы, выполняемой за единицу времени. Однако в этом случае она перемещает заряд в 1 Кл (кулон) при потенциале в 1 В (вольт) за 1 с (секунду). Обратите внимание, что 1 А (ампер) равен 1 Кл/с. Одна единица электрической мощности равна одному ватту. Подведем итог:

P (ватты) = Q (кулоны) × V (вольты) / t (секунды) = I (амперы) × V (вольты).

Мы говорили о том, что энергия измеряется в ватт-секундах и киловатт-часах. Разделите количество энергии на интервал времени, за который она была использована, и вы получите мощность в ваттах и киловаттах! Какова взаимосвязь между механической и электрической мощностью? Когда появились первые электродвигатели, необходимо было соотнести работу, которую они могли выполнить, с работой тепловых двигателей, которая измерялась в лошадиных силах, где одна лошадиная сила равна 550 футо-фунтов/с. Было определено, что электромотору с КПД, равным 100%, требуется 746 Вт электрической мощности, чтобы произвести одну лошадиную силу механической мощности. Обратите внимание, что оценка работы в лошадиных силах основана на британских единицах измерения физических величин. Мера лошадиной силы на основании метрической системы немного отличается и составляет около 735 Вт.

Итак, теперь вы умеете рассчитывать количество потребляемой мощности электрическими приборами и в лошадиных силах, и в ваттах. В то же время, вы также можете рассчитать мощность двигателя своего автомобиля в ваттах (или киловаттах) вместо лошадиных сил: в наши дни это довольно полезный навык, поскольку мощность в ваттах признается во всем мире, а в лошадиных силах — не везде.

Тепловые двигатели, цикл Карно, коэффициент полезного действия, прямой и обратный цикл теплового двигателя

Тестирование онлайн

  • Тепловые двигатели. Основные понятия

  • Тепловые двигатели, КПД

Тепловой двигатель

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q2, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q1-Q2, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие — при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q1 и передает нагревателю большее количество теплоты Q2.

Коэффициент полезного действия

Прямой цикл:

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно.

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q1 и изотермически расширяется при температуре T1
участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T2
участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q2
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T1.
Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела

для холодильной машины

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

Механическая работа. Мощность. | Объединение учителей Санкт-Петербурга

Механическая работа (А)

Физическая величина, характеризующая результат действия силы и численно равная скалярному произведению вектора силы и вектора перемещения, совершенного под действием этой силы.

A=Fscosα

A=Fscosα

Работа не совершается, если:

1.Сила действует, а тело не перемещается.

Например: мы действуем с силой на шкаф, но не можем сдвинуть.

2.Тело перемещается, а сила равна нулю или все силы скомпенсированы.

Например: при движении по инерции работа не совершается.

3. Угол между векторами силы и перемещения (мгновенной скорости) равен 900(cosα=0).

Например: центростремительная сила работу не совершает.

Если вектора силы и перемещения сонаправлены (α=00, cos0=1), то  A=Fs

Если вектора силы и перемещения направлены противоположно

(α=1800, cos1800 = -1), то A= -Fs  (например, работа силы сопротивления, трения).

Если угол между векторами силы и перемещения 00 < α < 1800, то работа положительна.

Если угол между векторами силы и перемещения 00 < α < 1800, то работа положительна.

Если на тело действует несколько сил, то полная работа (работа всех сил) равна работе результирующей силы.

 

Если тело движется не по прямой, то можно разбить все движение на бесконечно малые участки, которые можно считать прямолинейными, и просуммировать работы.

Графическое представление работы.

 

 

Рассмотрим движение тела под действием постоянной силы вдоль прямой Ох. График зависимости силы от координаты изображен на рисунке.

Площадь заштрихованного прямоугольника на рисунке численно равна работе силы Fпри перемещении из точки х1 в точку х2.

 

 Если сила меняется с расстоянием (координатой), то необходимо разбить все движение на такие малые участки, на которых силу можно считать неизменной, сосчитать работы на каждом элементарном участке пути, и сложить все элементарные работы. Таким образом: работа численно равна площади фигуры под графиком зависимости силы от координаты  F(x).

Единицы работы.

 

В международной системе единиц (СИ):

[А] = Дж = Н • м

Механическая работа равна одному джоулю, если под действием силы в 1 Н оно перемещается на 1 м в направлении действия этой силы.

1Дж = 1Н • 1м

Мощность

Мощность — физическая величина, характеризующая скорость совершения работы и численно равная отношению работы к интервалу времени, за который эта работа совершена.

Мощность показывает, какая  работа совершается за единицу времени.

 

Единицы мощности

В международной системе единиц (СИ):  

Мощность равна одному ватту, если за 1 с совершается работа 1 Дж.

1 л.с. (лошадиная сила) ≈ 735 Вт

Глава 15. Работа газа в циклическом процессе. Тепловые двигатели. Цикл Карно

В программу школьного курса физики входит ряд вопросов, связанных с тепловыми двигателями. Школьник должен знать основные принципы работы теплового двигателя, понимать определение коэффициента полезного действия (КПД) циклического процесса, уметь находить эту величину в простейших случаях, знать, что такое цикл Карно и его КПД.

Тепловым двигателем (или тепловой машиной) называется процесс, в результате которого внутренняя энергия какого-то тела превращается в механическую работу. Тело, внутренняя энергия которого превращается двигателем в работу, называется нагревателем двигателя. Механическая работа в тепловых машинах совершается газом, который принято называть рабочим телом (или рабочим веществом) тепловой машины. При расширении рабочее тело и совершает полезную работу.

Для того чтобы сделать процесс работы двигателя циклическим, необходимо еще одно тело, температура которого меньше температуры нагревателя и которое называется холодильником двигателя. Действительно, если при расширении газ совершает положительную (полезную) работу (левый рисунок; работа газа численно равна площади «залитой» фигуры), то при сжатии газа он совершает отрицательную («вредную») работу, которая должна быть по абсолютной величине меньше полезной работы. А для этого сжатие газа необходимо проводить при меньших температурах, чем расширение, и, следовательно, газ перед сжатием необходимо охладить. На среднем рисунком показан процесс сжатия газа 2-1, в котором газ совершает отрицательную работу , абсолютная величина которой показана на среднем рисунке более светлой «заливкой». Чтобы суммарная работа газа за цикл была положительна, площадь под графиком расширения должна быть больше площади под графиком сжатия. А для этого газ перед сжатием следует охладить. Кроме того, из проведенных рассуждений следует, что работа газа за цикл численно равна площади цикла на графике

зависимости давления от объема, причем со знаком «плюс», если цикл проходится по часовой стрелке, и «минус» — если против.

Таким образом, двигатель превращает в механическую работу не всю энергию, взятую у нагревателя, а только ее часть; остальная часть этой энергии используется не для совершения работы, а передается холодильнику, т.е. фактически теряется для совершения работы. Поэтому величиной, характеризующей эффективность работы двигателя, является отношение

(15.1)

где — работа, совершаемая газом в течение цикла, — количество теплоты, полученное газом от нагревателя за цикл. Отношение (15.1) показывает, какую часть количества теплоты, полученного у нагревателя, двигатель превращает в работу и называется коэффициентом полезного действия (КПД) двигателя.

Если в течение цикла рабочее тело двигателя отдает холодильнику количество теплоты (эта величина по своему смыслу положительна), то для работы газа справедливо соотношение . Поэтому существует ряд других форм записи формулы (15.1) для КПД двигателя

(15.2)

Французский физик и инженер С. Карно доказал, что максимальным КПД среди всех процессов, использующих некоторое тело с температурой в качестве нагревателя, и некоторое другое тело с температурой ( ) в качестве холодильника, обладает процесс, состоящий из двух изотерм (при температурах нагревателя и холодильника ) и двух адиабат (см. рисунок).

Изотермам на графике отвечают участки графика 1-2 (при температуре нагревателя ) и 3-4 (при температуре холодильника ), адиабатам — участки графика 2-3 и 4-1. Этот процесс называется циклом Карно. КПД цикла Карно равен

(15.3)

Теперь рассмотрим задачи. В задаче 15.1.1 необходимо использовать то обстоятельство, что работа газа в циклическом процессе численно равна площади цикла на графике зависимости давления от объема, причем со знаком «плюс», если цикл проходится по часовой стрелке, и «минус» — если против. Поэтому во втором цикле работа газа положительна, в третьем отрицательна. Первый цикл состоит из двух циклов, один из которых проходится по, второй — против часовой стрелки, причем, как следует из графика 1, площади этих циклов равны. Поэтому работа газа за цикл в процессе 1 равна нулю (правильный ответ — 2).

Поскольку в результате совершения циклического процесса газ возвращается в первоначальное состояние (задача 15.1.2), то изменение внутренней энергии газа в этом процессе равно нулю (ответ 2).

Применяя в задаче 15.1.3 первый закон термодинамики ко всему циклическому процессу и учитывая, что изменение внутренней энергии газа равно нулю (см. предыдущую задачу), заключаем, что (ответ 3).

Поскольку работа газа численно равна площади цикла на диаграмме «давление-объем», то работа газа в процессе в задаче 15.1.4 равна (ответ 1). Аналогично в задаче 15.1.5 газ за цикл совершает работу (ответ 1).

Работа газа в любом процессе равна сумме работ на отдельных участках процесса. Поскольку процесс 2-3 в задаче 15.1.6 — изохорический, то работа газа в этом процессе равна нулю. Поэтому (ответ 3).

По определению КПД показывает, какую часть количества теплоты, полученного у нагревателя, двигатель превращает в работу (задача 15.1.7 — ответ 4).

Работа двигателя за цикл равна разности количеств теплоты, полученного от нагревателя и отданного холодильнику : . Поэтому КПД цикла есть

(задача 15.1.8 — ответ 3).

По формуле (15.3) находим КПД цикла Карно в задаче 15.1.9

(ответ 2).

Пусть температура нагревателя первоначального цикла Карно равна , температура холодильника (задача 15.1.10). Тогда по формуле (15.3) для КПД первоначального цикла имеем

Отсюда находим . Поэтому для КПД нового цикла Карно получаем

(ответ 2).

В задаче 15.2.1 формулы (2), (3) и (4) представляют собой разные варианты записи определения КПД теплового двигателя (см. формулы (15.1) и (15.2)). Поэтому не определяет КПД двигателя только формула 1. (ответ 1).

Мощностью двигателя называется работа, совершенная двигателем в единицу времени. Поскольку работа двигателя равна разности полученного от нагревателя и отданного холодильнику количеств теплоты, имеем для мощности двигателя в задаче 15.2.2

(ответ 3).

По формуле (15.2) имеем для КПД двигателя в задаче 15.2.3

где — количество теплоты, полученное от нагревателя, — количество теплоты, отданное холодильнику (правильный ответ — 2).

Для нахождения КПД теплового двигателя в задаче 15.2.4 удобно использовать последнюю из формул (15.2). Имеем

где — работа газа, — количество теплоты, отданное холодильнику. Поэтому правильный ответ в задаче — 3.

Пусть газ совершает за цикл работу (задача 15.2.5). Поскольку количество теплоты, полученное от нагревателя равно ( — количество теплоты, отданное холодильнику), и работа составляет 20 % от этой величины, то для работы справедливо соотношение = 0,2 ( + 100). Отсюда находим = 25 Дж (ответ 1).

Поскольку работа теплового двигателя в задаче 15.2.6 равна 100 Дж при КПД двигателя 25 %, то двигатель получает от нагревателя количество теплоты 400 Дж. Поэтому он отдает холодильнику 300 Дж теплоты в течение цикла (ответ 4).

В задаче 15.2.7 газ получает или отдает теплоту только в процессах 1-2 и 3-1 (процесс 2-3 по условию адиабатический). Поэтому данное в условии задачи количество теплоты является количеством теплоты, полученным от нагревателя в течение цикла, — количеством теплоты, отданном холодильнику. Поэтому работа газа равна (ответ 1).

Цикл, данный в задаче 15.2.8, состоит из двух изотерм 2-3 и 4-1 и двух изохор 1-2 и 3-4. Работа газа в изохорических процессах равна нулю. Сравним работы газа в изотермических процессах. Для этого удобно построить график зависимости давления от объема в рассматриваемом процессе, поскольку работа газа есть площадь под этим графиком. График зависимости давления от объема для заданного в условии процесса приведен на рисунке. Поскольку изотерме 2-3 соответствует бóльшая температура, чем изотерме 4-1, то она будет расположена выше на графике . Объем газа в процессе 2-3 увеличивается, в процессе 4-1 уменьшается. Таким образом, график процесса на графике проходится по часовой стрелке, и, следовательно, работа газа за цикл положительна (ответ 1).

Для сравнения работ газа на различных участках процесса в задаче 15.2.9 построим график зависимости давления от объема. Этот график представлен на рисунке. Из рисунка следует, что работы газа в процессах 1-2 и 3-4 одинаковы по модулю (этим работам отвечают площади прямоугольников, «залитых» на рисунке светлой и темной «заливкой»). Работе газа на участке 4-1 отвечает площадь под графиком 4-1, которая меньше площади под графиком 1-2. Работе газа на участке 2-3 отвечает площадь под кривой 2-3 на рисунке, которая заведомо больше площади «залитых» прямоугольников. Поэтому в процессе 2-3 газ и совершает наибольшую по абсолютной величине (среди рассматриваемых процессов) работу (ответ 2.).

Согласно определению коэффициент полезного действия представляет отношение работы газа за цикл к количеству теплоты , полученному от нагревателя . Как следует из данного в условии задачи 15.2.10 графика, и в процессе 1-2-4-1 и в процессе 1-2-3-1 газ получает теплоту только на участке 1-2. Поэтому количество теплоты, полученное газом от нагревателя в процессах 1-2-4-1 и 1-2-3-1 одинаково. А вот работа газа в процессе 1-2-4-1 вдвое меньше (так площадь треугольника 1-2-4 как вдвое меньше площади треугольника 1-2-4-1). Поэтому коэффициент полезного действия процесса 1-2-4-1 вдвое меньше коэффициента полезного действия процесса 1-2-3-1 (ответ 1).

Термодинамический анализ цикла Отто

Термодинамика это раздел физики, имеющий дело с энергией и работа системы. Он родился в 19 веке как ученые. впервые открыли, как строить и эксплуатировать паровые двигатели. Термодинамика имеет дело только с крупномасштабный ответ системы которые мы можем наблюдать и измерять в экспериментах. Как аэродинамики, нас больше всего интересует термодинамика двигательные установки и высокоскоростные потоки. На этой странице мы рассматриваем термодинамику четырехтактный внутреннее сгорание двигатель.Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов с двигателем внутреннего сгорания (IC) , как и двигатель в вашем семейном автомобиле.

Работа двигателя состоит из двух основных частей: механическая операция принадлежащий части двигателя, и термодинамика через который двигатель производит Работа и сила. На этой странице мы обсуждаем основные термодинамические уравнения, которые позволяют для проектирования и прогнозирования характеристик двигателя.

В двигателе внутреннего сгорания топливо и воздух воспламеняется внутри цилиндра.Горячий выхлоп толкает поршень, который соединен к коленчатый вал производить мощность. Сжигание топлива не является непрерывным процессом, но происходит очень быстро через равные промежутки времени. Между возгоранием детали двигателя двигаться в повторяющейся последовательности, называемой циклом . Двигатель называется четырехтактным, потому что в нем четыре движения, или удары поршня за один цикл.

На рисунке мы показываем сюжет давление против газа объем на протяжении одного цикла. Мы разорвали цикл на шесть пронумерованные этапы на основе механической операции двигателя.Для идеального четырехтактного двигателя впускной ход (1-2) и такт выпуска (6-1) делаются при постоянном давлении и не способствуют генерации мощности двигателем. В течение ход сжатия (2-3), работа производится на газе поршнем. Если предположить, что тепло не поступает газ во время сжатия, мы знаем связи между изменением объема и изменением давления и температуры из наших решений уравнение энтропии для газа. Мы называем соотношение громкости в начале сжатие до объема в конце сжатия степень сжатия , r .(гамма — 1)

где p — давление, T — температура, а гамма это соотношение удельные плавки. В течение процесс горения (3-4), объем поддерживается постоянным и выделяется тепло. Изменение температуры составляет дано

T4 = T3 + f * Q / cv

где Q — это количество тепла, выделяемое на фунт топлива, которое зависит от топлива, f — соотношение топливо / воздух для сгорания, которое зависит от нескольких факторов. связанные с конструкцией и температурой в камере сгорания, и cv — удельная теплоемкость при постоянном объеме.(1 — гамма)

Между этапом 5 и этапом 6 остаточное тепло переведен к окружающей среде так что температура и давление возвращаются к начальным условиям 1 этап (или 2).

Во время цикла Работа производится на газе поршнем между ступенями 2 и 3. Работа выполняется газ на поршне между 4 и 5 ступенями. Разница между работой, проделанной на газ и работа, проделанная с газом, показаны желтым цветом и являются произведенной работой. по циклу. Мы можем рассчитать работу, определив прилегающую площадь по циклу на p-V диаграмме.Но поскольку процессы 2-3 и 4-5 кривые, это сложно. расчет. Мы также можем оценить работу W по разнице тепла в газ. минус тепло, отводимое газом. Зная температуры, это более простой расчет.

W = cv * [(T4 — T3) — (T5 — T2)]

Время работы, умноженное на скорость цикла (циклов в секунду cps ), равно в мощность P производится двигателем.

P = W * cps

На этой странице у нас есть показан идеальный цикл Отто , в котором нет поступления тепла (или уходящий) газ при сжатии и силовых тактах, трения нет потери и мгновенное горение, происходящее при постоянном объеме.В действительности, идеального цикла не происходит, и есть много потерь, связанных с каждый процесс. Эти потери обычно учитываются коэффициентами эффективности. которые умножают и видоизменяют идеальный результат. Для реального цикла форма p-V диаграммы аналогичен идеальному, но площадь (работа) равна всегда меньше идеального значения.



Деятельность:

Экскурсии с гидом

Навигация ..


Руководство для начинающих Домашняя страница

Формульные уравнения для четырехтактного поршневого двигателя

В следующих таблицах определены уравнения для четырехтактных поршневых двигателей.

Мощность
л.с. = ПЛАН / 33,000
P — среднее эффективное давление в тормозной системе, фунт / кв. Дюйм
L — ход поршня, в футах
A — площадь одного поршня, в квадратных дюймах
Н — количество рабочих ходов в минуту
Скорость поршня
См =.166 x длина x ширина
см — средняя скорость поршня в футах в минуту.
L — ход, в дюймах
Н — частота вращения коленчатого вала, об / мин
Среднее эффективное давление в тормозной системе (BMEP)
2-тактный BMEP = (HP x 6500) / (L x RPM)
4-тактный BMEP = (HP x 13000) / (L x RPM)
L = Рабочий объем в литрах
и.е., 80 куб. см = 0,08 литра
1 ci. = 16,39 куб. См
Ускорение поршня
Gmax = ((N 2 x L) / 2189) x (1 + 1 / (2A))
Gmax — максимальное ускорение поршня в футах в секунду в квадрате.
Н — частота вращения коленчатого вала, об / мин.
L — ход, в дюймах
A — отношение длины шатуна между центрами к ходу
Ход поршня
S = R cos X + L cos Z
S = расстояние от поршневого пальца до центра коленчатого вала
R = радиус пальца стопы коленчатого вала
L = длина шатуна
X = угол булавки на запястье
Z = угол шатуна
или
sin X = R / L sin Z
Ход поршня vs.Вращение кривошипа
d = ((S / 2) + L) — (S / 2 cos X) — L sin [cos-1 (S / 2L sin X)]
S = ход (мм)
L = длина шатуна (мм)
X = угол поворота коленчатого вала до или после ВМТ (град.)
Примечание: (L) длина штока обычно в 2 раза больше (S) хода
ИЛИ
Для таблиц и некоторых калькуляторов
HT = (r + c) — (r cos (a)) — КОРЕНЬ (c 2 — (r sin (a)) 2 )
г = с / 2
dtor = PI / 180
a = d x dtor
HT = высота поршня
r = ход, деленный на 2
c = длина стержня
a = угол поворота коленчатого вала в радианах
d = угол поворота коленчатого вала в градусах
dtor = Градусы в радианы
Выхлопные системы, настроенная длина
Lt = (Eo x Vs) / N
Lt — настроенная длина в дюймах.
Eo — период открытия выхлопа, в градусах
Vs — скорость волны в футах в секунду (1700 футов / сек на уровне моря)
Н — частота вращения коленчатого вала, об / мин.
Длина изогнутой трубы
L = R x.2 х 6,25)
D2 — диаметр выхода диффузора.
D1 — диаметр входного отверстия диффузора.
6,25 — постоянная отношения выход / вход.
Дефлекторные конусы
Lr = Le / 2
Lr — средняя точка отражения внутри перегородки.
Le — длина перегородки
Время открытия порта
T = (60 / N) x (Z / 360) или T = Z / (N x 6)
T — время в секундах
Н — частота вращения коленчатого вала, об / мин.
Z — продолжительность открытия порта в градусах
Степень сжатия
CR = (V1 + V2) / V2
CR — степень сжатия
V1 — объем цилиндра при закрытии выпуска
V2 — объем камеры сгорания
Диаметр отверстия дроссельной заслонки карбюратора
D = K x SQRT (C x N)
D — диаметр отверстия дроссельной заслонки, миллиметры.
K — постоянная (прибл.От 0,65 до 0,9, производные от существующих отверстие карбюратора)
C — рабочий объем цилиндра, в литрах.
Н — об / мин при пиковой мощности
Объем картера
Степень первичного сжатия =
Объем гильзы в ВМТ / Объем гильзы в BDC
или
CRp = V1 + V2 / V1
CRp — первичная степень сжатия.
V1 — объем картера при НМТ
V2 поршневой объем
Резонансные эффекты
F = Vs / 2 * квадратный корень из A / Vc (L + 1/2 квадратный корень из А
Vs — скорость звука Обычно около 1100 футов / сек)
A — площадь поперечного сечения входа
L — длина входного патрубка.
Vc — объем колбы (картера)
Средняя температура выхлопных газов
Температура выхлопных газов в Кельвинах
(к = С + 273.15). Обычно это функция BMEP двигателя.

Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания — x-engineer.org

Содержание

Определение

Для теплового двигателя процесс сгорания зависит от соотношения воздух-топливо внутри цилиндра. Чем больше воздуха мы можем попасть внутрь камеры сгорания, тем больше топлива мы можем сжечь, тем выше выходной крутящий момент и мощность двигателя.

Поскольку воздух имеет массу, он инерционен.Кроме того, впускной коллектор, клапаны и дроссельная заслонка ограничивают поток воздуха в цилиндры. По объему мы измеряем способность двигателя заполнить доступный геометрический объем двигателя воздухом. Его можно рассматривать как соотношение между объемом воздуха, втягиваемого в цилиндр (реальным), и геометрическим объемом цилиндра (теоретическим).

Вернуться назад

Formula

Большинство двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время на дорожных транспортных средствах, имеют фиксированный объемный объем (рабочий объем), определяемый геометрией цилиндра и кривошипно-шатунного механизма.Строго говоря, общий объем двигателя V t [m 3 ] вычисляется функцией общего количества цилиндров n c [-] и объема одного цилиндра V цилиндра [m 3 ] .

Общий объем цилиндра равен сумме смещенного (стреловидного) объема V d 3 ] и свободного пространства V c 3 ] .

Объем зазора очень мал по сравнению с объемом вытеснения (например,г. соотношение 1:12), поэтому им можно пренебречь при расчете объемного КПД двигателя.

Изображение: Основные параметры геометрии поршня и цилиндра двигателей внутреннего сгорания

где:

IV — впускной клапан
EV — выпускной клапан
ВМТ — верхняя мертвая точка
НМТ — нижняя мертвая точка
B — отверстие цилиндра
S — поршень ход
r — длина шатуна
a — радиус кривошипа (смещение)
x — расстояние между осью кривошипа и осью поршневого пальца
θ — угол поворота кривошипа
Vd — смещенный (стреловидный) объем
Vc — объемный зазор

объемный КПД η v [-] определяется как соотношение между фактическим (измеренным) объемом всасываемого воздуха V a 3 ] , втянутого в цилиндр / двигатель, и теоретическим объемом двигатель / цилиндр V d [m 3 ] во время впускного цикла двигателя.

Объемный КПД можно рассматривать также как КПД двигателя внутреннего сгорания по заполнению цилиндров всасываемым воздухом. Чем выше объемный КПД, тем больше объем всасываемого воздуха в двигатель.

В двигателях с непрямым впрыском топлива (в основном, бензиновых) всасываемый воздух смешивается с топливом. Поскольку количество топлива относительно невелико (соотношение 1: 14,7) по сравнению с количеством воздуха, мы можем пренебречь массой топлива для расчета объемного КПД.

Фактический объем всасываемого воздуха может быть рассчитан функцией массы воздуха м a [кг] и плотности воздуха ρ a [кг / м 3 ] :

Замена (4) в (3 ) дает объемный КПД, равный:

η v = m a / (ρ a · V d )

(5)

Обычно на динамометре двигателя массовый расход всасываемого воздуха измеряется [кг / с] вместо массы воздуха [кг] .Следовательно, нам нужно использовать массовый расход воздуха для расчета объемного КПД.

m af = (m a · N e ) / n r

(6)

где:

N e [об / с] — частота вращения двигателя
n r [-] — количество оборотов коленчатого вала за полный цикл двигателя (для 4-тактного двигателя n r = 2 )

Из уравнения (6) мы можем записать массу всасываемого воздуха как:

м a = (m af · n r ) / N e

(7)

Замена (7) в (5) дает объемный КПД, равный:

η v = (m af · n r ) / (ρ a · V d · N e )

(8)

Объемный КПД является максимальным 1.00 (или 100%). При этом значении двигатель способен всасывать весь теоретический объем воздуха, доступного в двигатель. Есть особые случаи, когда двигатель специально разработан для одной рабочей точки, для которой объемный КПД может быть немного выше 100%.

Если давление всасываемого воздуха p a [Па] и температура T a [K] измеряются во впускном коллекторе, плотность всасываемого воздуха может быть рассчитана как:

где:

ρ a [кг / м 3 ] — плотность всасываемого воздуха
p a [Па] — давление всасываемого воздуха
T a [K] — температура всасываемого воздуха
R a [Дж / кг · K] — газовая постоянная для сухого воздуха (равна 286.9 Дж / кг · К )

Назад

Пример

Рассмотрим двигатель с воспламенением от сжатия (дизельный) со следующими параметрами:

V d = 3,8 л
n r = 2
p a = 1,5 бар
T a = 40 ° C
R a = 286,9 Дж / кг · K
N e = 1000 об / мин
м af = 0,0375 кг / с

Для указанных выше параметров двигателя рассчитайте объемный КПД .

Шаг 1 .Рассчитайте плотность всасываемого воздуха , используя уравнение (9). Убедитесь, что все единицы измерения совпадают.

ρ a = (1,5 · 10 5 ) / (286,9 · 313,15) = 1,67 кг / м 3

Давление всасываемого воздуха было преобразовано из бар в Па и температуру из ° C от до K .

Шаг 2 . Рассчитайте объемный КПД двигателя, используя уравнение (8).

η v = (0.0375 · 2) / (1,67 · 3,8 · 10 -3 · 16,667) = 0,70 = 70,91%

Объем двигателя был преобразован с л на м 3 , а частота вращения двигателя — с об / мин от до об / с .

Изображение: Функция объемного КПД давления всасываемого воздуха и частоты вращения двигателя

Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания зависит от нескольких факторов, таких как:

  • геометрия впускного коллектора
  • давление всасываемого воздуха
  • всасываемый воздух температура
  • массовый расход всасываемого воздуха (который зависит от частоты вращения двигателя)

Обычно двигатели рассчитаны на максимальный объемный КПД при средних / высоких оборотах двигателя и нагрузке.

Вы также можете проверить свои результаты с помощью калькулятора объемной эффективности ниже.

Вернуться назад

Калькулятор

По любым вопросам или наблюдениям относительно этого руководства, пожалуйста, используйте форму комментариев ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Как найти правильную формулу настройки двигателя — CarTechBooks

Теперь, когда мы рассмотрели, как информация передается между двигателем и PCM, пора приступить к обработке.Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают только в определенном окне. Все должно происходить в правильном порядке с правильным количеством каждого ввода для желаемого результата. Как и в случае с выпечкой торта, существует рецепт превращения бензина в полезную энергию. Готовите ли вы желтый листовой торт или тройной шоколадный сюрприз, зависит от двигателя и деталей, с которых вы запускаете. Калибровка не может чудесным образом добавить воздушный поток. Это зависит от механики, в которой находится предел. Однако точно так же, как если вы забудете правильно перемешать смесь или установите слишком высокую температуру в духовке, вы испортите выпечку, так и калибратор может помешать нормальной работе двигателя.Точно так же хороший повар может испечь самый влажный пирог с наилучшим дизайном глазури, а калибратор может довести работу двигателя до совершенства.

Все двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием имеют несколько правил, которые необходимо соблюдать. Горение происходит только при соотношении воздух / топливо от 8,0: 1 до 25,5: 1. Чем ближе к краю этого диапазона приближается двигатель, тем выше вероятность пропусков зажигания. Стехиометрическая смесь составляет 14,68: 1 (l = 1), что теоретически оставляет наименьшее количество оставшихся ингредиентов.Чуть более бедная смесь дает лучшую экономию топлива, а немного более богатая смесь приводит к лучшему крутящему моменту. Избыточное топливо можно использовать в качестве хладагента для ограничения температуры сгорания при высокой нагрузке.

Пиковая скорость пламени находится при l »0,9. В этот момент требуется меньше проводов зажигания для достижения пикового давления в цилиндре в одно и то же время цикла. Добавление излишка топлива или воздуха замедляет процесс сгорания. При работе со значительным обогащением мощности (l << 0,9) обеднение смеси увеличивает скорость пламени по мере приближения к l »0.9 снова. Дополнительное обогащение топлива (до соотношений ниже l »0,9) замедляет движение фронта пламени, требуя большего опережения зажигания для достижения пикового давления в цилиндре в нужное время.

Правильная работа движка во многом схожа с приготовлением куки. Если нужное количество всех компонентов доставлено и правильно смешано, результаты будут более впечатляющими. (Нейт Тови)

В этом дизайне BMW можно увидеть важность эффективной настройки коллектора.Длинные индивидуальные рабочие колеса рассчитаны на улучшение среднего крутящего момента этого двигателя, а также хорошо видна камера статического давления. (Нейт Тови)

Искра инициирует процесс горения при нормальной работе. Чтобы это произошло, энергия искры должна быть достаточно высокой, чтобы создать дугу в искровом промежутке. По мере увеличения плотности топливно-воздушной смеси требуется больше энергии для создания электрической дуги в зазоре. Плотность заряда прямо пропорциональна нагрузке двигателя, поэтому на нее влияют положение дроссельной заслонки, скорость порта, сжатие и «наддув» коллектора.«Чем шире зазор, тем больше энергии требуется для его преодоления. Большая площадь поверхности дуги за счет более широкого зазора обеспечивает лучшее начальное сгорание из-за увеличения количества молекул кислорода и бензина, контактирующих с дугой. Энергия зажигания прямо пропорциональна входному напряжению, обмотке катушки и времени насыщения катушки.

Частота вращения двигателя является результатом разницы между нагрузками (трение, аксессуары, насосные потери, движение автомобиля) и мощностью (текущая мощность двигателя, часто является результатом положения дроссельной заслонки).Каждый раз, когда мощность превышает текущие нагрузки, скорость увеличивается. Когда выходная мощность меньше текущих нагрузок, обороты двигателя падают. Для поддержания постоянной скорости двигателя требуется выработка мощности, достаточной для того, чтобы уравнять текущие нагрузки на двигатель. Скорость холостого хода является прекрасным примером этого хрупкого баланса, поскольку изменения нагрузки, связанные с вспомогательными устройствами, и трение как функция скорости должны компенсироваться тщательной регулировкой мощности двигателя с учетом дросселирования и искры. Работа на холостом ходу на низких оборотах — одна из самых трудных задач для любого двигателя.Системы EFI могут испытывать значительные проблемы из-за относительно большого промежутка времени между тактами при попытке внести относительно небольшие корректировки. Если нагрузка на двигатель превышает мощность в достаточной степени, происходит остановка двигателя.

Опережение искры в большинстве рабочих условий должно быть установлено как можно ближе к MBT (максимальный тормозной момент), чтобы получить максимальную эффективность двигателя. Повредить двигатель от чрезмерного искры при малой нагрузке сложно. MBT может обеспечить лучшую мощность при WOT, но часто бывает разумно немного замедлить синхронизацию, чтобы обеспечить некоторый запас прочности и избежать детонации.Работать на ОБТ на холостом ходу не идеально. Синхронизацию следует намеренно слегка замедлить с оптимального крутящего момента, чтобы обеспечить искрообразование на холостом ходу. Если двигатель работает на холостом ходу с опережением зажигания, равным MBT, невозможно добавить синхронизацию, чтобы быстро компенсировать любую добавленную нагрузку или падение скорости.

Большинство двигателей прекрасно работают при стехиометрическом (l = 1, 14,68: 1 A / F) соотношении 95% времени. Основное исключение — характеристики WOT, когда более богатая смесь не только обеспечивает больший крутящий момент, но также позволяет использовать больше искрового провода и более низкие температуры выхлопных газов.Как только топливная смесь подобрана, регулировка искры для оптимальной работы становится намного проще. Некоторые автомобили с распределительными валами чрезмерно большой длины просто не работают на холостом ходу при l = 1, и добавление до 10% топлива может улучшить качество холостого хода. Это увеличение подачи топлива приводит к небольшому увеличению крутящего момента, что помогает стабилизировать сгорание даже при небольшой нагрузке. Эти же автомобили обычно подходят для крейсерского полета при l = 1, но для предотвращения спотыкания о крене требуется большее количество обогащения при ускорении (AE).

Суть в том, что после того, как калибратор задал двигателю правильный набор рабочих параметров, рабочие характеристики автомобиля должны быть прямым результатом работы частей системы.Слишком большой распредвал — и калибратор мало надеется на хорошее качество холостого хода. Слишком маленький впускной канал и общая мощность страдает независимо от того, какое соотношение воздух / топливо или искровый провод. Как калибратор, имейте в виду, что можно до некоторой степени регулировать вещи во имя поведения при вождении, но есть пределы. Часто лучше понять ситуацию такой, какая она есть, и либо поменять детали, либо иметь дело с неоптимальными результатами.

Моделирование воздушного потока

Чтобы начать собственно процесс калибровки двигателя, одним из наиболее важных шагов является определение мгновенного расхода воздуха.Затем этот воздушный поток можно обработать, чтобы определить необходимую подачу топлива для поддержания бесперебойной работы двигателя. Самая важная основная функция любого PCM — это моделирование воздушного потока, которое определяет последующие команды подачи топлива. Для этого калибратор должен создавать адекватные представления в коде PCM того, что происходит в физической среде двигателя. Моделирование воздушного потока двигателя выполняется одним из двух методов: измерение массового расхода воздуха или расчет плотности скорости. Любая система способна правильно управлять двигателем, имеет свои плюсы и минусы, а иногда и то, и другое используются вместе.

Массовый расход воздуха

Системы массового расхода воздуха

в значительной степени полагаются на входные данные от датчика массового расхода воздуха, описанного ранее. Эти системы принимают выходной сигнал датчика массового расхода воздуха (массового расхода воздуха) как прямое представление о текущем расходе воздуха в двигателе. Такой подход делает очень простой и понятный расчет нагрузки двигателя и потребности в топливе. В этом случае нагрузка на двигатель (объемный КПД) может быть мгновенно отображена как:

Изменения положения дроссельной заслонки просто ограничивают поток воздуха.Частичная нагрузка (вакуум) воспринимается PCM просто как меньшее значение массового расхода. Поскольку двигатели с принудительным впуском в конечном итоге перемещают больше общей массы воздуха за цикл, фактическое давление наддува не требуется для расчета нагрузки и потребности в топливе. Знание точного массового расхода воздуха также упрощает расчет потребности в топливе:

Расход топлива = MAF x (желаемое соотношение A / F)

Решающим моментом для правильной работы систем массового расхода воздуха является то, что выходной сигнал датчика массового расхода воздуха должен отражать реальность.Именно здесь калибратор должен потратить некоторое время, чтобы обеспечить корреляцию между фактическим массовым расходом и указанным массовым расходом. Большая часть процесса калибровки в системе массового расхода воздуха тратится на настройку передаточной функции массового расхода воздуха в PCM, чтобы уменьшить отклонения в широком диапазоне условий устойчивого состояния. Повышение надежности данных массового расхода воздуха для PCM позволяет упростить выполнение многих других условий эксплуатации.

Любые ошибки между показателем массового расхода воздуха и фактическим расходом воздуха в двигателе напрямую приводят к неточности в управлении подачей топлива и работе двигателя.MAF должен иметь соответствующее разрешение, диапазон и повторяемость для правильной работы системы. Это особенно важно, когда высокие обороты и большой расход при нагрузке могут выйти за пределы диапазона измерения конкретного датчика массового расхода воздуха. В приложениях для повышения производительности нет ничего необычного в том, что «привязанный» MAF сообщает PCM постоянное максимальное значение. В свою очередь, PCM управляет постоянной подачей топлива против того, что на самом деле является увеличивающимся воздушным потоком. Результат — все более обедненное соотношение воздух / топливо и часто детонация.Решение — либо изменение аппаратного обеспечения датчика массового расхода воздуха, либо некоторая творческая компенсация в таблицах PCM.

Для системы массового расхода воздуха количество подаваемого топлива рассчитывается непосредственно на основании входного сигнала датчика массового расхода воздуха и требуемого соотношения.

Размещение датчика массового расхода воздуха во впускном тракте может создать некоторые проблемы. Как обсуждалось ранее, MAF следует располагать так, чтобы он видел ламинарный поток через его элемент.Это часто означает, что некоторые узкие входные маршруты могут не способствовать правильному размещению MAF. Многие комплекты двигателей вторичного рынка, такие как воздухозаборники «паук EFI» с одной дроссельной заслонкой под центральным воздушным фильтром, даже не оставляют места для датчика массового расхода воздуха. Единственный способ запустить систему массового расхода воздуха в этих приложениях — расширить впускной канал до удаленного массового расхода воздуха и фильтра в сборе, что сделает систему впуска несколько более сложной. Основным преимуществом системы массового расхода воздуха является то, что любые изменения в фактическом расходе воздуха, которые попадают в диапазон и разрешение датчика массового расхода воздуха, могут быть мгновенно обработаны PCM.

Это означает, что переход на больший распределительный вал или впускной коллектор с более высокой пропускной способностью просто отображается для PCM как немного более высокая скорость воздушного потока, что приводит к немного более высокой подаче топлива. Массовые воздушные системы, как правило, очень терпимы к относительно радикальным модификациям во имя лошадиных сил. Если можно аккуратно установить датчик массового расхода воздуха, это наиболее желательный метод управления двигателем из-за его гибкости и точности.

Плотность скорости

Вторая стратегия управления двигателем — это плотность скорости.В этом методе фактически никогда не измеряется воздушный поток. Вместо этого масса поступающего воздуха рассчитывается на основе температуры, давления в коллекторе и частоты вращения двигателя с использованием справочной таблицы объемного КПД. Объемный КПД двигателя — это постоянно меняющаяся величина, зависящая от числа оборотов, конструкции распределительного вала, конструкции коллектора, рабочего объема, сжатия и мгновенного давления в коллекторе. Основная таблица объемного КПД обычно отображается как зависимость абсолютного давления в коллекторе от частоты вращения двигателя. Значения, содержащиеся в этой таблице, представляют собой объемный процент заполнения для текущего давления в коллекторе и частоты вращения двигателя.Затем PCM должен взять этот объем, значение MAP и температуру на входе для расчета массы входящего воздуха. Физика средней школы удобно продемонстрировала нам универсальный газовый закон: PV = nRT. Используя это уравнение, PCM может рассчитать массу воздуха на основе входных сигналов датчика, молярной плотности воздуха и газовой постоянной для воздуха. После расчета массового расхода входящего воздуха можно определить соответствующий расход топлива. Калибратор должен разработать таблицу объемного КПД для каждой комбинации двигателей.Поскольку могут быть одинаковые скорости воздушного потока при различных скоростях и условиях нагрузки MAP, важно найти значения VE в установившемся режиме для всех областей таблицы.

Температурная коррекция становится критической в ​​системе измерения скорости и плотности. В отличие от систем массового расхода воздуха, в которых счетчики компенсируют изменения окружающей среды, фактическая плотность всасываемого воздуха должна рассчитываться в стратегии плотности скорости. Изменения температуры на входе могут существенно повлиять на фактическую массу воздуха на входе для данного объема и давления.Здесь действует газовый закон Бойля.

Для системы плотности скорости сначала необходимо рассчитать массу воздуха по справочной таблице, прежде чем переходить к расчету топлива.

Обратными сторонами плотности скорости являются снижение разрешения воздушного потока, увеличение времени, необходимого для калибровки, и снижение гибкости. Составление таблицы объемной эффективности обычно занимает больше времени, чем моделирование передаточной функции датчика массового расхода воздуха.Особое внимание следует уделить тому, чтобы таблица объемного КПД была относительно плавной функцией по обеим осям. Эта таблица представляет характеристики перекачивания двигателя и, как правило, гладкая по давлению и скорости, как и любой другой насос. Значительные ступенчатые изменения в событиях синхронизации кулачков, такие как активация VTEC, могут вызывать относительно большие разрывы в кривых числа оборотов в минуту, но это исключение.

Большинство таблиц объемной эффективности — 32 x 32 или 16 x 16; многие старые версии даже меньше.При полностью открытой дроссельной заслонке, когда значения MAP относительно постоянны, остается меньше точек регулировки в диапазоне оборотов для моделирования поведения двигателя. Хотя эта функция относительно гладкая, она все же оставляет довольно много интерполяции для PCM между ячейками. Чем больше ячеек доступно для моделирования VE двигателя, тем более плавной может быть работа в целом, но процесс калибровки занимает больше времени, чтобы оптимизировать каждый дополнительный столбец или строку ячеек. После того, как базовая таблица VE построена при постоянной температуре на входе, необходимо провести испытания для построения кривых компенсации температуры на входе.Эти кривые температурной компенсации могут отличаться от идеальных термодинамических кривых из-за расположения датчика, конструкции или времени реакции.

Одна из самых больших проблем для калибратора рабочих характеристик заключается в том, что системы плотности скорости основаны на предположении, что объемный КПД двигателя остается практически неизменным в каждой ячейке таблицы VE. Замена компонентов двигателя, особенно распределительных валов, впускных коллекторов или нагнетателей, может существенно повлиять на объемный КПД двигателя.Любое изменение, которое значительно улучшает воздушный поток двигателя, требует другого изменения в базовой таблице VE, чтобы позволить двигателю поддерживать такую ​​же относительную подачу топлива. Поскольку таблицы искрообразования также обычно связаны с нагрузкой двигателя, системы измерения плотности скорости особенно подвержены плохой работе после замены деталей без повторной калибровки. Простая смена кулачка может потребовать нескольких часов дино для правильного переназначения таблицы VE. Кроме того, если диапазон датчика MAP превышается из-за увеличения давления в коллекторе (супер или турбонаддув), становится необходимым установить датчик с более широким диапазоном и изменить масштаб оси давления таблицы VE, чтобы приспособиться.

Системы измерения плотности скорости

популярны из-за их относительной простоты по сравнению с системами массового расхода воздуха. Устранение довольно назойливой потребности в датчиках во впускном тракте делает конструкцию намного более открытой. Открытые воздушные камеры, фильтрующие элементы или отдельные блоки больше не представляют проблемы для измерения воздуха. Многие производители оригинального оборудования используют плотность скорости из-за более низкой стоимости устраненного датчика массового расхода воздуха. Хотя для оптимизации таблицы VE может потребоваться немного больше разработки, их экономия на масштабе более чем компенсирует это.Еще более простой вариант расчета плотности скорости, используемый на некоторых транспортных средствах, предназначенных только для гонок, — это расчет Alpha-N. В этой стратегии базовая карта воздушного потока является функцией положения дроссельной заслонки и частоты вращения двигателя. Без учета фактического давления в коллекторе расчет проще, но ему не хватает разрешения, чтобы исправить многие проблемы с управляемостью или обеспечить достойный контроль выбросов. Эту стратегию лучше всего оставить для специализированных драг-каров, у которых рабочий цикл двигателя немного больше, чем холостой ход в ямах и WOT на трассе.

Подача топлива

PCM имеет выход только для управления отдельными форсунками. Чтобы получить желаемое соотношение воздух / топливо на выходе форсунки, необходимо выполнить несколько шагов. Как только PCM знает входящую массу воздуха, можно рассчитать желаемую массу топлива для достижения целевого отношения воздух / топливо. Первый базовый расчет заключается в определении желаемой массы подачи топлива:

[Массовый расход воздуха на впуске (фунт / час)]

Масса топлива (фунты) = —————————————- ————-

[(дес.Соотношение A / F) x 120 x (об / мин)]

Для расчета фактической подачи топлива в двигатель используется одна из следующих формул: см. Рисунок 6-1. После определения желаемой массы топлива можно рассчитать соответствующую мощность форсунки. Фактическое время включения форсунки регулируется на основе статического расхода, давления в рампе и характеристик открытия форсунки, чтобы преобразовать желаемую массу топлива в выходной сигнал бинарной форсунки в течение фиксированного промежутка времени. На этом этапе критически важно знать расход форсунки и характеристики змеевика.Подобно ошибкам в расчетном расходе всасываемого воздуха, ошибки в расчетном расходе топлива по сравнению с фактическим приводят к менее чем идеальной работе и управляемости. Каждый раз при замене форсунок на транспортном средстве важно обновлять переменные форсунок в PCM, чтобы отразить полностью новые рабочие характеристики. Это дает PCM более точный контроль над фактической подачей топлива вместо того, чтобы просто предполагать, что инжектор Bosch 24 фунта / час и инжектор Siemens 60 фунтов / час ведут себя одинаково, за исключением их статического расхода.Хотя тенденция может быть одинаковой для обоих форсунок в зависимости от напряжения, фактического смещения может быть достаточно, чтобы вызвать грубый холостой ход или плохой переход на впускной патрубок. Имейте в виду, что изменения давления в топливной рампе или перепада давления на форсунке влияют на статический расход, а не характеристики открытия.

Благодаря точно смоделированным воздушным потокам и потокам топлива калибровка переходных условий становится намного проще, когда тюнеру больше не нужно гоняться за небольшими ошибками расчета топлива.Сам процесс калибровки должен быть в большей степени сосредоточен на одновременном изменении желаемого и фактического соотношения воздух / топливо, а не на попытке заставить их сходиться на лету. Что еще хуже, попытка достичь фактического соотношения воздух / топливо, задав другое желаемое соотношение, вызывает разочарование при попытке вычислить незначительные изменения. Калибровка намного проще, когда изменение расхода воздуха на 1% сопровождается изменением расхода топлива на 1%.

Системы с замкнутым контуром постоянно контролируют выход газа в двигателе и соответствующим образом корректируют будущую подачу топлива.Это позволяет PCM узнавать тенденции изменения характеристик двигателя, поддерживая надлежащую работу двигателя и уровень выбросов.

Выбор момента впрыска может сильно повлиять на выбросы и крутящий момент. На этом образце показано, как топливо впрыскивается до открытия впускного клапана, чтобы обеспечить полное испарение перед воспламенением.

Время впрыска топлива во время цикла также может оказывать заметное влияние на характеристики двигателя и выбросы.Большинство OEM-систем последовательной EFI рассчитаны таким образом, что топливо впрыскивается в закрытый впускной клапан незадолго до открытия. Это позволяет топливу испаряться для лучшего перемешивания и одновременно охлаждает клапан. Хитрость заключается в том, чтобы рассчитать это так, чтобы испарившееся топливо не успевало пройти обратно по ходовой части коллектора до открытия клапана. Многие «тюнеры» вторичного рынка совершают распространенную ошибку, пытаясь согласовать время впрыска непосредственно с открытием впускного клапана. Впрыск топлива непосредственно в открытый клапан может иметь негативные последствия в виде плохого перемешивания из-за отсутствия испарения.Низкая температура воздуха и двигателя усугубляет проблему, так как испарение происходит медленнее при пониженных температурах. Несгоревшее топливо и, как правило, плохое сгорание приводит к потере крутящего момента двигателя и чрезмерным выбросам углеводородов. После продолжительной работы неправильное время впрыска может даже привести к смыванию масляного покрытия с цилиндра и преждевременному износу двигателя или плохому уплотнению кольца. Одна только потеря крутящего момента из-за плохого испарения должна быть достаточным стимулом для калибратора рабочих характеристик, чтобы найти правильное время впрыска.

Выбор соотношения Теперь, когда у нас есть точный контроль фактического соотношения воздух / топливо, выбор того, каким будет это соотношение для двигателя, намного проще. Следующим вопросом становится: «Какое соотношение воздух / топливо желательно?» Ответ: «Это зависит от обстоятельств». Соотношение воздух / топливо оказывает значительное влияние на выбросы, экономию топлива, качество холостого хода и мощность.

Как упоминалось ранее, стехиометрическая смесь оставляет наименьшее количество оставшихся первичных реагентов для обработки катализатором и обычно дает хорошую экономию.Общие выбросы более важны из-за того, что различные количества побочных продуктов различаются в зависимости от соотношения воздух / топливо. Выбросы углеводородов и CO обычно снижаются при использовании более бедных смесей, причем наиболее значительное сокращение наблюдается при l = 1 и выше. Из-за более высоких температур горения выбросы NOx значительно увеличиваются выше l = 1. Хотя эти более бедные отношения могут способствовать экономии топлива в крейсерском режиме, современные стандарты выбросов часто не позволяют продолжать работу при l = 1.

Как упоминалось ранее, простоя часто лучше всего выполнять при l = 1 по ряду причин.Экономия топлива и выбросы хорошие, но все еще есть место для контроля крутящего момента (и, следовательно, контроля скорости) путем изменения заправки топлива со стехиометрического, если это необходимо, помимо обычных регулировок с помощью IAC или искры. В случаях, когда конструкция распределительного вала слишком агрессивна, чтобы поддерживать стабильный холостой ход при l = 1, небольшое обогащение часто стабилизирует ситуацию. Это обогащение имеет практический предел из-за возможности промывки канала ствола. Если смесь на холостом ходу слишком богатая, топливо буквально смывает стенки цилиндра от масла.Промывка ствола наиболее выражена на холостом ходу из-за относительно низкой скорости впускного отверстия в сочетании с постоянной интенсивностью распыления форсунки. Без достаточного количества воздуха, достаточного для рассеивания и разбавления брызг топлива, большая его часть попадает на противоположную стенку цилиндра, смывая слой масла. Результатом является чрезмерный износ кольца и возможная потеря сжатия из-за прорыва. Хотя двигатель часто плавно работает на холостом ходу при l = 0,7, все, что превышает l = 0,85, увеличивает риск промывки канала ствола в зависимости от конструкции порта.И наоборот, состояние чрезмерно бедной смеси на холостом ходу имеет тенденцию демонстрировать скачкообразную скорость при изменении крутящего момента, когда более бедная смесь приближает двигатель к MBT. Хотя это гораздо менее полезно для долговечности кольца, более богатое состояние на холостом ходу более стабильно и, следовательно, полезно при попытке первоначальной калибровки скорости холостого хода без остановки. Не рекомендуется позволять двигателю поработать на чрезмерно богатых холостых оборотах более пары минут без удаления накопившихся топливных отложений.

При полностью открытой дроссельной заслонке основной проблемой становится выходной крутящий момент.Помня, что слегка обогащенная смесь l »0,91 (от 13,2 до 13,4: 1 воздух / топливо) дает лучший крутящий момент, это становится хорошей отправной точкой для целей WOT воздух / топливо. Некоторые OEM-производители продолжают стремиться к l = 1 WOT, чтобы уменьшить выбросы, и сознательно жертвуют для этого потенциальной мощностью. Во многих случаях пределы детонации или температура выхлопных газов диктуют необходимость добавления некоторого дополнительного топлива в WOT. Более богатые смеси горят холоднее и, следовательно, обеспечивают большее продвижение искры при той же нагрузке. Эти более холодные горючие богатые смеси также уменьшают количество тепла, поглощаемого головкой блока цилиндров, поршнем и клапанами.Более холодная головка и поршень менее подвержены преждевременному возгоранию из-за горячих точек. Долговечность клапана и катализатора значительно снижается, если температура повышается слишком сильно, поэтому проблемы с гарантией большого пробега часто приводят к требованиям OEM-производителя заправки топливом в WOT. По этой причине многие OEM-автомобили, продаваемые сегодня, приближаются к l »0,82 (12,0: 1 воздух / топливо) или богаче при достижении порога защиты катализатора. Разблокирование управления этой схемой защиты может быть ключом к правильной калибровке таких транспортных средств.

Добавление дополнительного топлива — это быстрый метод поддержания выходной мощности без уменьшения опережения зажигания… до предела.Немного дополнительного топлива может иметь большое значение для обеспечения запаса защиты от детонации при случайном плохом топливе в баке. Многие двигатели с принудительным впуском просто не могут работать без детонации выше l »0,85 из-за дополнительного тепла, присутствующего во всасываемом заряде в результате стадии первичного сжатия супер / турбонагнетателя. По моему опыту, наиболее правильно спроектированные асинхронные двигатели демонстрируют отличную мощность с хорошей долговечностью при примерно l »0,8 (соотношение воздух / топливо 11,7).Обычно это оставляет достаточный охлаждающий эффект, чтобы учесть небольшие изменения топлива и погодных условий, если откалибровано, по крайней мере, на 3 градуса от предела детонации искры.

Если зайти слишком далеко в этом направлении, это также может иметь негативные последствия. Чрезмерная заправка топливом может привести к сильным пропускам зажигания или выгоранию топлива в выхлопной системе, увеличивая EGT. В крайних случаях топливо скапливается на свече зажигания, загрязняя провода и снижая эффективность зажигания.

Переходные процессы и модификаторы

Для более точного прогнозирования динамических потребностей двигателя в топливе системы EFI используют модель для прогнозирования объема топлива, задержанного на стенке коллектора.Этот фильм известен как «Тау» (т). Поскольку никакая система впрыска через текущий порт не способна распылять 100% топлива в цилиндр за один импульс форсунки, часть этой струи собирается на стенках впускного отверстия. Поступающий воздух, проходя мимо этой «лужи» топлива на стенках портов, также уносит часть его в цилиндр. Чем больше объем воздуха проходит мимо лужи, тем больше уменьшается масса этой лужи. Системы моделирования тау используют прогнозы мгновенного воздушного потока, чтобы попытаться поддерживать постоянный объем t.Это означает, что увеличение воздушного потока требует увеличения количества топлива для поддержания постоянного t объема, а уменьшение воздушного потока позволяет уменьшить подачу топлива для поддержания постоянного t.

Как только двигатель заработает в установившемся режиме, пора посмотреть на переходные процессы. Во время накачки возникает временный прилив воздуха к коллектору и цилиндрам. Этот всплеск подаваемого воздушного потока должен сопровождаться соответствующим увеличением подачи топлива, чтобы компенсировать потерю пленки стены.Без этого дополнительного увеличения количества топлива двигатель испытывает временное состояние обедненной смеси, которое водитель ощущает как потерю крутящего момента или «задержку» начала мощности с последующим скачком до нормальной мощности для этого положения дроссельной заслонки. Чем больше размер распредвала или выше наддув нагнетателя, тем более выраженным может быть этот эффект. В карбюраторе ускорительный насос приводится в действие механически движением основной лопасти. В системах EFI часто используется отдельная функция «обогащения при ускорении» (AE) для моделирования необходимого временного увеличения расхода топлива.Конечным результатом этой функции является либо сумматор переданного топливного импульса, либо дополнительный асинхронный импульс во время следующего цикла. Преимущество систем EFI состоит в том, что они могут изменять функцию AE в зависимости от положения дроссельной заслонки и температуры. Первоначальное открытие дроссельной заслонки из закрытого положения дает большую разницу в воздушном потоке и требует большей компенсации AE, чем переход от 70 до 100% дроссельной заслонки. Более низкие температуры двигателя также требуют немного большего увеличения ускорения.

Не все топливо, впрыскиваемое в двигатель, попадает непосредственно в цилиндр. Небольшое количество собирается на стенках порта и позже испаряется. Поддержание такого количества испарения со стенок постоянным является функцией логики ускоренного обогащения. (Нейт Тови)

При низких температурах в двигатель добавляется дополнительное топливо, чтобы компенсировать снижение скорости испарения.

Когда водитель полностью снимает педаль акселератора на более высоких оборотах двигателя, очевидно, что крутящий момент двигателя не требуется.Чтобы замедлить двигатель, многие системы EFI используют «улучшение замедления» (DE). DE — это состояние, при котором частично или полностью прекращается подача топлива в двигатель при закрытой дроссельной заслонке. Без топлива для сжигания двигатель остается с насосными потерями, которые превышают (уменьшенную) выработку мощности, что приводит к более быстрому замедлению коленчатого вала. Падение оборотов двигателя можно использовать через трансмиссию, чтобы замедлить автомобиль. Дополнительным преимуществом, которым пользуются многие производители оригинального оборудования, является то, что DE снижает расход топлива.Единственная уловка для правильного использования DE — это возврат в нормальный режим работы. Необходимо следить за тем, чтобы нормальная работа возобновлялась на достаточно высокой скорости, чтобы предотвратить остановку. Кроме того, в систему должен быть встроен некоторый гистерезис, чтобы предотвратить быстрое переключение между нормальным режимом работы и DE в условиях крейсерского режима с малой дроссельной заслонкой. Уменьшение подачи топлива во время небольшого замедления также предотвращает чрезмерное накопление пленки на стенках, которое в противном случае привело бы к чрезмерно богатому состоянию при возврате к работе с частичным дросселем.

Прокачка чистого воздуха через катализатор, который недавно образовался вместе с несгоревшим топливом во время цикла WOT, может привести к протеканию крупных экзотермических реакций, увеличению температуры в среднем слое и сокращению срока службы катализатора. Чем ближе катализатор к головке блока цилиндров, тем сильнее этот эффект. В некоторых OEM-приложениях с высокопроизводительным наддувом фактически используется обогащение во время замедления для улучшения охлаждения тесно связанного катализатора. Более богатая стехиометрическая смесь горит при более низкой температуре, и избыток топлива может продолжать охлаждение компонентов выхлопных газов ниже по потоку.

В других более сложных системах используется модель впускного коллектора для прогнозирования фактической подачи воздуха в цилиндр при изменении положения дроссельной заслонки. В зависимости от объема коллектора, конструкции порта и размещения датчика может пройти от двух до трех циклов, прежде чем мгновенные изменения датчика массового расхода воздуха могут быть преобразованы в эффективные изменения выходной мощности форсунок. Хотя это практически прозрачно для водителей, все более строгие стандарты выбросов вынуждают OEM-производителей ломать голову над поиском дополнительных улучшений в лямбда-контроле.Модель с впускным коллектором постоянно ожидает потока воздуха в каждый отдельный цилиндр в каждом цикле. Это ожидаемое значение воздушного потока может быть проверено и обновлено в относительно устойчивых условиях и часто используется в качестве рациональной проверки рабочих характеристик датчиков массового расхода воздуха и абсолютного давления в атмосферном воздухе.

Поправочные коэффициенты

В экстремальных температурных условиях становится необходимым настроить целевые значения лямбда для улучшения управляемости или долговечности. Чрезвычайно холодные условия замедляют и затрудняют испарение топлива.Чтобы убедиться, что для сгорания доступно постоянное количество испарившегося топлива, необходимо добавить некоторую избыточную общую массу топлива, пока температура не нормализуется. Это часто означает, что через выхлопные газы проходит значительное количество несгоревшего топлива и выбросов углеводородов. Хотя это прямо противоречит хорошим характеристикам выбросов, иногда автомобиль может быть буквально неуправляемым без некоторой степени холодного обогащения.

Горячие окружающие условия снижают охлаждающую способность двигателя, и связанные с этим более высокие температуры всасываемого заряда более склонны к детонации.Увеличение подачи топлива снижает общее количество тепла, поглощаемого двигателем во время сгорания, и может быть использовано в ограниченном объеме для обеспечения «горячего вялого режима». Поскольку более горячие всасываемые заряды приводят к более высокой скорости пламени, небольшое дополнительное охлаждение топливом заряда снижает вероятность детонации при высоких температурах. Из-за своей восприимчивости к детонации, двигатели с принудительным впуском часто имеют агрессивную топливную компенсацию при высоких температурах.

При запуске впускной коллектор и камера сгорания относительно холодные.Как и в холодных условиях окружающей среды, испарение топлива происходит относительно медленно. Для того, чтобы двигатель заработал, перед зажиганием необходимо выпарить топливо. Если испарилась только часть впрыскиваемого в двигатель топлива, результатом будет обедненная смесь во время зажигания. Системы EFI решают эту проблему, добавляя в двигатель большее общее количество топлива, зная, что только часть этого подаваемого топлива фактически сгорает. Эта дополнительная заправка приводит к правильному соотношению массы воздуха к массе паров топлива внутри камеры сгорания при холодном двигателе.

По прошествии времени двигатель нагревается, и больший процент впрыскиваемого топлива испаряется перед зажиганием. Количество добавляемого избыточного пускового топлива можно уменьшить до нуля. Это количество топлива при запуске и обогащение при запуске должно уменьшаться в зависимости от температуры двигателя, чтобы избежать переполнения при горячих перезапусках.

Написано Грегом Бэнишем и опубликовано с разрешения CarTechBooks

ПОЛУЧИТЕ СДЕЛКУ НА ЭТУ КНИГУ!

Если вам понравилась эта статья, вам понравится вся книга.Нажмите кнопку ниже, и мы отправим вам эксклюзивное предложение на эту книгу.

Модель

Авиационный поршневой двигатель. Оценка рабочей мощности

Все авиационные двигатели классифицируются в соответствии с их способностью выполнять работу и вырабатывать мощность. На этой странице представлено объяснение работы и мощности и того, как они рассчитываются. Также обсуждаются различные коэффициенты полезного действия, которые определяют выходную мощность поршневого двигателя.

Физик определяет работу как силу, умноженную на расстояние.Работа, совершаемая силой, действующей на тело, равна величине силы, умноженной на расстояние, на котором действует сила.

Работа (W) = Сила (F) × Расстояние (D)

Работа измеряется несколькими стандартами. Наиболее распространенная единица измерения — фут-фунт (фут-фунт). Если груз весом в один фунт поднимается на один фут, один фут-фунт работы был выполнен. Чем больше масса и / или чем больше расстояние, тем больше выполняется работа.

Распространенной единицей измерения механической мощности является мощность в лошадиных силах (л.с.).В конце XVIII века изобретатель паровой машины Джеймс Ватт обнаружил, что английская рабочая лошадка может работать со скоростью 550 фут-фунтов в секунду или 33000 фут-фунтов в минуту в течение разумного периода времени. Из его наблюдений пришла единица лошадиных сил, которая является стандартной единицей механической мощности в английской системе измерения. Чтобы рассчитать номинальную мощность двигателя, разделите мощность, развиваемую в фут-фунтах в минуту, на 33 000 или мощность в фут-фунтах в секунду на 550.


Как указано выше, работа является произведением силы и расстояния, а мощность — это работа в единицу времени.Следовательно, если груз весом 33 000 фунтов поднимается на вертикальное расстояние 1 фут за 1 минуту, затрачиваемая мощность составляет 33 000 фут-фунтов в минуту, или ровно 1 л.с.

Работа выполняется не только при приложении силы для подъема; сила может быть приложена в любом направлении. Если 100-фунтовый груз тащится по земле, сила все еще применяется для выполнения работы, хотя направление результирующего движения примерно горизонтальное. Величина этой силы будет зависеть от неровности земли.

Если бы груз был прикреплен к пружинным весам с градуировкой в ​​фунтах, а затем потянул за ручку весов, можно было бы измерить необходимое усилие. Предположим, что требуемое усилие составляет 90 фунтов, а груз весом 100 фунтов переносится на 660 футов за 2 минуты. Объем работы, выполненной за 2 минуты, составляет 59 400 фут-фунтов или 29 700 фут-фунтов в минуту. Так как 1 л.с. составляет 33 000 фунт-футов в минуту, затраченное количество л.с. в этом случае равно 29 700 разделенным на 33 000, или 0,9 л.с.


Когда другие факторы остаются равными, чем больше рабочий объем поршня, тем большую максимальную мощность в лошадиных силах способен развить двигатель.Когда поршень перемещается из НМТ в ВМТ, он перемещает определенный объем. Объем, смещаемый поршнем, известен как смещение поршня и выражается в кубических дюймах для большинства двигателей американского производства и кубических сантиметрах для других.

Смещение поршня одного цилиндра может быть получено умножением площади поперечного сечения цилиндра на общее расстояние, на которое поршень перемещается в цилиндре за один ход. Для многоцилиндровых двигателей это произведение умножается на количество цилиндров, чтобы получить общий рабочий объем поршня двигателя.

Поскольку объем (V) геометрического цилиндра равен площади (A) основания, умноженной на высоту (h), математически он выражается как:

V = A × h

Площадь основания равна площадь поперечного сечения цилиндра.

Чтобы найти площадь круга, необходимо использовать число пи (π). Это число представляет собой отношение длины окружности к диаметру любого круга. Пи нельзя указать точно, потому что это бесконечная десятичная дробь.Это 3,1416, выраженное с точностью до четырех знаков после запятой, что достаточно для большинства вычислений.

Площадь круга, например прямоугольника или треугольника, должна быть выражена в квадратных единицах. Расстояние, равное половине диаметра круга, называется радиусом. Площадь любого круга находится путем возведения в квадрат радиуса (r) и умножения на π. Формула:

Радиус круга равен ½ диаметра:

Пример

Вычислите смещение поршня 14-цилиндрового двигателя PWA, имеющего цилиндр с 5.Диаметр 5 дюймов и ход 5,5 дюйма. Требуются следующие формулы:

Подставьте значения в эти формулы и завершите расчет.

После округления до следующего целого числа общий рабочий объем поршня составляет 1829 кубических дюймов.

Другой метод расчета смещения поршня использует диаметр поршня вместо радиуса в формуле для площади основания.

С этого момента вычисления идентичны предыдущему примеру.

Все двигатели внутреннего сгорания должны сжимать топливно-воздушную смесь, чтобы получить разумный объем работы от каждого рабочего такта.Заряд топлива / воздуха в цилиндре можно сравнить со спиральной пружиной в том смысле, что чем сильнее он сжимается, тем больше работы он потенциально способен выполнять.

Степень сжатия двигателя — это сравнение объема пространства в цилиндре, когда поршень находится в нижней части хода, с объемом пространства, когда поршень находится в верхней части хода. [Рис. 1] Это сравнение выражается в виде отношения, отсюда и термин «степень сжатия». Степень сжатия является определяющим фактором максимальной мощности, развиваемой двигателем, но она ограничена современными сортами топлива и высокими оборотами двигателя и давлениями в коллекторе, необходимыми для взлета.Например, если в цилиндре имеется 140 кубических дюймов пространства, когда поршень находится внизу, и 20 кубических дюймов пространства, когда поршень находится в верхней части хода, степень сжатия будет 140 к 20. Если это соотношение выражается в виде дробей, это будет 140/20 или 7: 1, обычно представленное как 7: 1.

Рис. 1. Степень сжатия

Ограничения, наложенные на степени сжатия, давление в коллекторе и влияние давления в коллекторе на давления сжатия, имеют большое влияние на работу двигателя.Давление в коллекторе — это среднее абсолютное давление воздуха или заряда топлива / воздуха во впускном коллекторе, которое измеряется в дюймах ртутного столба («Hg»). Давление в коллекторе зависит от частоты вращения двигателя (настройки дроссельной заслонки) и степени наддува. Работа нагнетателя увеличивает вес заряда, поступающего в цилиндр. Когда настоящий нагнетатель используется с двигателем самолета, давление в коллекторе может быть значительно выше, чем давление внешней атмосферы. Преимущество этого условия состоит в том, что большее количество заряда подается в данный объем цилиндра, и в результате получается большая мощность в лошадиных силах.

Степень сжатия и давление в коллекторе определяют давление в цилиндре в той части рабочего цикла, когда оба клапана закрыты. Давление заряда перед сжатием определяется давлением в коллекторе, в то время как давление на высоте сжатия (непосредственно перед воспламенением) определяется давлением в коллекторе, умноженным на степень сжатия. Например, если двигатель работал при давлении в коллекторе 30 дюймов рт. Ст. Со степенью сжатия 7: 1, давление в момент перед зажиганием было бы приблизительно 210 дюймов рт. Ст.Однако при давлении в коллекторе 60 дюймов рт. Ст. Давление будет 420 дюймов рт. Ст.

Не вдаваясь в подробности, было показано, что событие сжатия усиливает эффект изменения давления в коллекторе, и величина того и другого влияет на давление топливного заряда непосредственно перед моментом воспламенения. Если давление в это время становится слишком высоким, происходит преждевременное зажигание или детонация, что приводит к перегреву. Предварительное зажигание — это когда заряд топливного воздуха начинает гореть до того, как загорится свеча зажигания.Детонация происходит, когда топливный воздушный заряд воспламеняется свечой зажигания, но вместо того, чтобы гореть с контролируемой скоростью, он взрывается, вызывая очень быстрый скачок температуры и давления в цилиндрах. Если это состояние существует очень долго, двигатель может быть поврежден или разрушен.

Одной из причин использования двигателей с высокой степенью сжатия является получение большой экономии топлива, чтобы преобразовать больше тепловой энергии в полезную работу, чем это делается в двигателях с низкой степенью сжатия. Поскольку больше тепла заряда преобразуется в полезную работу, стенки цилиндра поглощают меньше тепла.Этот фактор способствует более холодной работе двигателя, что, в свою очередь, увеличивает тепловой КПД. Здесь снова необходим компромисс между потребностью в экономии топлива и потребностью в максимальной мощности без детонации. Некоторые производители двигателей с высокой степенью сжатия подавляют детонацию при высоком давлении в коллекторе за счет использования высокооктанового топлива и ограничения максимального давления в коллекторе.


Указанная мощность двигателя — это мощность, рассчитанная на основе указанного среднего эффективного давления и других факторов, влияющих на выходную мощность двигателя.Указанная мощность — это мощность, развиваемая в камерах сгорания, без учета потерь на трение в двигателе. Эта мощность рассчитывается как функция фактического давления в цилиндре, зарегистрированного во время работы двигателя.

Для облегчения расчетов указанной мощности механическое показывающее устройство, например, прикрепленное к цилиндру двигателя, регистрирует фактическое давление, существующее в цилиндре во время полного рабочего цикла. Это изменение давления можно представить в виде графика, показанного на рисунке 2.Обратите внимание, что давление в цилиндре повышается на такте сжатия, достигает пика после верхнего центра и уменьшается по мере того, как поршень движется вниз на рабочем такте. Поскольку давление в цилиндре меняется в течение рабочего цикла, вычисляется среднее давление (линия AB). Это среднее давление, если оно применяется постоянно во время рабочего такта, будет выполнять ту же работу, что и изменяющееся давление в течение того же периода. Это среднее давление известно как указанное среднее эффективное давление и включается в расчет указанной мощности вместе с другими техническими характеристиками двигателя.Если характеристики и указанное среднее эффективное давление двигателя известны, можно рассчитать указанную номинальную мощность в лошадиных силах.

Рис. 2. Степень сжатия

Указанная мощность в лошадиных силах для четырехтактного двигателя может быть рассчитана по следующей формуле, в которой буквенные символы в числителе расположены так, чтобы произнесите слово «ДОСКА», чтобы запомнить формулу:

В приведенной выше формуле площадь поршня, умноженная на указанное среднее эффективное давление, дает силу, действующую на поршень в фунтах.Эта сила, умноженная на длину хода в футах, дает работу, выполненную за один рабочий ход, которая, умноженная на количество рабочих ходов в минуту, дает количество фут-фунт работы, производимой одним цилиндром в минуту. Умножение этого результата на количество цилиндров в двигателе дает количество работы, выполненной двигателем в фут-фунтах. Поскольку л.с. определяется как работа, выполняемая со скоростью 33 000 фут-фунт в минуту, общее количество фут-фунт работы, выполняемой двигателем, делится на 33 000, чтобы найти указанную мощность.

Указанная расчетная мощность в лошадиных силах, описанная в предыдущем абзаце, является теоретической мощностью двигателя без трения. Общая мощность, потерянная при преодолении трения, должна быть вычтена из указанной мощности, чтобы получить фактическую мощность, передаваемую на винт. Мощность, передаваемая гребному винту для полезной работы, известна как тормозная мощность (л.с.). Разница между указанной и тормозной мощностью известна как мощность трения, которая представляет собой мощность, необходимую для преодоления механических потерь, таких как перекачивающее действие поршней, трение поршней и трение всех других движущихся частей.

Измерение мощности двигателя включает измерение величины, известной как крутящий момент или крутящий момент. Крутящий момент — это произведение силы и расстояния силы от оси, вокруг которой она действует, или

Крутящий момент = сила × расстояние

(под прямым углом к ​​силе)

Крутящий момент является мерой нагрузки и правильно выражается в фунт-дюймах (фунт-дюйм) или фунт-фут (фунт-фут). Крутящий момент не следует путать с работой, которая выражается в дюймах-фунтах (дюймах-фунтах) или фут-фунтах (фут-фунтах).

Существует множество устройств для измерения крутящего момента, например динамометр или измеритель крутящего момента. Одним из очень простых типов устройств, которые можно использовать для демонстрации расчетов крутящего момента, является тормоз Prony. [Рис. 3]

Рис. 3. Типичный приводной тормоз

Все эти устройства для измерения крутящего момента можно использовать для расчета выходной мощности двигателя на испытательном стенде. По сути, он состоит из шарнирного кольца или тормоза, который может быть закреплен на барабане, прикрепленном к валу гребного винта.Хомут и барабан образуют фрикционный тормоз, который регулируется колесом. Плечо известной длины жестко прикреплено к шарнирному воротнику или является его частью и заканчивается в точке, которая опирается на набор весов. При вращении карданный вал стремится нести за собой шарнирную втулку тормоза, и этому мешает только рычаг, опирающийся на весы. Шкала показывает силу, необходимую для остановки движения руки. Если результирующее усилие, зарегистрированное на шкале, умножить на длину рычага, полученный результат будет крутящим моментом, прилагаемым вращающимся валом.Например, если весы регистрируют 200 фунтов, а длина рычага составляет 3,18 фута, крутящий момент, создаваемый валом, составляет:

200 фунтов × 3,18 фута = 636 фунт-футов

Как только крутящий момент известен, работа выполнена. на оборот карданного вала можно без труда вычислить по уравнению:

Работа на оборот = 2π × крутящий момент

Если работа на оборот умножается на число оборотов в минуту, результатом будет работа в минуту или мощность. Если работа выражается в фунтах на фут в минуту, это количество делится на 33 000.Результат — тормозная мощность вала.

Пока трение между тормозной муфтой и барабаном карданного вала достаточно велико, чтобы создать значительную нагрузку на двигатель, но недостаточно велико, чтобы остановить двигатель, нет необходимости знать величину трения между муфтой. и барабан для вычисления л.с. Если бы не было приложенной нагрузки, не было бы крутящего момента, который нужно было бы измерять, и двигатель бы «убежал». Если приложенная нагрузка настолько велика, что двигатель глохнет, может потребоваться измерить значительный крутящий момент, но оборотов нет.В любом случае невозможно измерить мощность двигателя. Однако, если между тормозным барабаном и манжетой существует достаточное трение и тогда нагрузка увеличивается, тенденция карданного вала к переносу манжеты и рычага вместе с ним становится больше, таким образом оказывая большее усилие на весы. Пока увеличение крутящего момента пропорционально снижению оборотов, мощность, передаваемая на валу, остается неизменной. Это можно увидеть из уравнения, в котором 2πr и 33000 — константы, а крутящий момент и частота вращения — переменные.Если изменение оборотов обратно пропорционально изменению крутящего момента, их произведение остается неизменным, а л.с. Это важно. Он показывает, что мощность в лошадиных силах зависит как от крутящего момента, так и от числа оборотов в минуту и ​​может быть изменена путем изменения крутящего момента, числа оборотов в минуту или того и другого.

Сила трения — это указанная мощность за вычетом тормозной мощности. Это мощность в лошадиных силах, используемая двигателем для преодоления трения движущихся частей, всасывания топлива, удаления выхлопных газов, привода масляных и топливных насосов и других вспомогательных устройств двигателя.В современных авиационных двигателях эта потеря мощности из-за трения может достигать 10–15 процентов указанной мощности.


Указанное среднее эффективное давление (IMEP), обсуждавшееся ранее, представляет собой среднее давление, создаваемое в камере сгорания во время рабочего цикла, и является выражением теоретической мощности без трения, известной как указанная мощность в лошадиных силах. Помимо полного игнорирования потери мощности на трение, указанная мощность не указывает на то, сколько фактической мощности передается на карданный вал для выполнения полезной работы.Однако это связано с фактическим давлением, которое возникает в цилиндре, и может использоваться как мера этого давления.

Чтобы вычислить потери на трение и полезную выходную мощность, указанную мощность цилиндра можно рассматривать как две отдельные мощности, каждая из которых дает различный эффект. Первая мощность преодолевает внутреннее трение, и потребляемая таким образом мощность известна как мощность трения. Вторая мощность, известная как тормозная мощность, обеспечивает полезную работу гребного винта. Та часть IMEP, которая создает тормозную мощность, называется средним эффективным давлением в тормозной системе (BMEP).Оставшееся давление, используемое для преодоления внутреннего трения, называется средним эффективным давлением трения (FMEP). [Рис. 4] IMEP — это полезное выражение общей выходной мощности цилиндра, но не реальная физическая величина; аналогично, FMEP и BMEP являются теоретическими, но полезными выражениями потерь на трение и полезной выходной мощности.

Рис. 4. Мощность и давление

Хотя BMEP и FMEP в действительности не существуют в цилиндре, они обеспечивают удобные средства представления пределов давления или номинальных характеристик двигателя на всем его протяжении рабочий диапазон.Между IMEP, BMEP и FMEP существует рабочая взаимосвязь.

Одним из основных ограничений, накладываемых на работу двигателя, является давление, развиваемое в цилиндре во время сгорания. При обсуждении степеней сжатия и указанного среднего эффективного давления было обнаружено, что в определенных пределах повышенное давление приводит к увеличению мощности. Было также отмечено, что, если давление в цилиндре не будет контролироваться в жестких пределах, это вызовет опасные внутренние нагрузки, которые могут привести к отказу двигателя.Следовательно, важно иметь средства определения этих давлений в цилиндрах в качестве защитной меры и для эффективного использования мощности.

Если известна мощность в л.с., BMEP можно вычислить с помощью следующего уравнения:

Тяговая мощность в лошадиных силах может считаться результатом совместной работы двигателя и гребного винта. Если бы гребной винт мог быть спроектирован так, чтобы он имел 100-процентную эффективность, тяга и скорость вращения были бы одинаковыми. Однако эффективность пропеллера зависит от частоты вращения двигателя, его положения, высоты, температуры и скорости полета.Таким образом, соотношение мощности тяги и мощности, передаваемой на карданный вал, никогда не будет равным. Например, если двигатель развивает 1000 л.с., и он используется с гребным винтом с КПД 85 процентов, тяговая мощность этой комбинации двигатель-винт составляет 85 процентов от 1000 или 850 л.с. Из четырех обсуждаемых типов лошадиных сил именно тяговая мощность определяет характеристики комбинации двигатель-винт.

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы

Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы — Двигатели с циклом Отто (обновлено 22 апреля 2012 г.)

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые Системы

d) Цикл Отто стандарта воздуха (искровое зажигание) Двигатель

The Air Стандартный цикл Отто — идеальный цикл для Искровое зажигание (SI) двигатели внутреннего сгорания, впервые предложенные Николаус Отто более 130 лет назад, и который в настоящее время используется чаще всего автомобили.Следующая ссылка на Kruse Технологическое партнерство представляет Описание четырехтактного двигателя Операция цикла Отто , включая короткую история Николауса Отто. И снова у нас отличная анимация производство Matt Keveney представляет как четырехтактный и двухтактный двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием операция

Анализ цикла Отто очень похож на цикл дизельного двигателя, который мы анализировали в предыдущей версии . Раздел .Мы воспользуемся идеалом «стандартное» допущение в нашем анализе. Таким образом, рабочий жидкость — это фиксированная масса воздуха, совершающего полный цикл, который относился во всем как к идеальному газу. Все процессы идеальны, сгорание заменяется добавлением тепла к воздуху, а выхлоп — заменен процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в начальное состояние.

Самое существенное отличие идеального Цикл Отто и идеальный дизельный цикл — это метод зажигания топливно-воздушная смесь.Напомним, что в идеальном дизельном цикле чрезвычайно высокая степень сжатия (около 18: 1) позволяет воздуху достигать температура воспламенения топлива. Затем впрыскивается топливо так, чтобы процесс воспламенения происходит при постоянном давлении. В идеале Отто цикл: топливно-воздушная смесь вводится во время такта впуска и сжат до гораздо более низкой степени сжатия (около 8: 1) и является затем воспламеняется от искры. Возгорание приводит к внезапному скачку давление, в то время как объем остается практически постоянным.В продолжение цикла, включая расширение и выхлоп процессы практически идентичны идеальным дизельным двигателям. цикл. Считаем удобным разработать аналитический подход идеальный цикл Отто через следующую решенную задачу:

Решенная задача 3.7 An идеальный двигатель с воздушным стандартным циклом Отто имеет степень сжатия 8. При начало процесса сжатия рабочая жидкость на 100 кПа, 27 ° C (300 K) и 800 кДж / кг тепла во время процесс добавления тепла с постоянным объемом.Аккуратно нарисуйте давление-объем [ P-v ] диаграмму для этого цикла, и используя значения удельной теплоемкости для воздуха при типичная средняя температура цикла 900K определяет:

  • а) температура и давление воздуха в конце каждого процесса

  • б) сеть производительность / цикл [кДж / кг], и

  • c) тепловой КПД [η th ] этого цикла двигателя.

Подход к решению:

Первым шагом является построение диаграммы P-v полный цикл, включая всю актуальную информацию.Мы замечаем что ни объем, ни масса не указаны, поэтому диаграмма и решение будет в конкретных количествах.

Считаем, что топливно-воздушная смесь представлена чистый воздух. Соответствующие уравнения состояния, внутренней энергии и адиабатический процесс для воздуха:

Напомним из предыдущего раздела, что номинальная Значения удельной теплоемкости, используемые для воздуха при 300K, составляют C v = 0,717 кДж / кг · K ,, и k = 1,4. Однако все они функции температуры, а также с чрезвычайно высокой температурой диапазон, испытанный в двигателях внутреннего сгорания, можно получить существенные ошибки.В этой задаче мы используем типичный средний цикл температура 900К взята из таблицы Удельная Теплоемкость воздуха .

Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы определить температуру и давление в конце каждого процесса, как а также о проделанной работе и тепле, передаваемом во время каждого процесса.

Обратите внимание, что давление P 4 (а также P 2 выше) также можно оценить из уравнения адиабатического процесса.Мы делаем это ниже в качестве проверки действительности, однако мы находим это больше По возможности удобно использовать уравнение состояния идеального газа. Любой метод удовлетворителен.

Мы продолжаем последний процесс определения отклонено тепло:

Обратите внимание, что мы применили уравнение энергии к все четыре процесса позволяют нам два альтернативных способа оценки «чистая производительность за цикл» и термический КПД, следующим образом:

Обратите внимание, что при использовании постоянных значений удельной теплоемкости более цикла мы можем определить тепловой КПД непосредственно из коэффициент удельных теплоемкостей k по формуле:


где r — степень сжатия

Quick Quiz: Использование тепла и уравнения энергии работы, полученные выше, выводят это соотношение

Задача 3.8 Это является расширением Решенной задачи 3.7, в котором мы хотим использовать во всех четырех процессах номинальная стандартная удельная теплоемкость значения емкости для воздуха при 300К. Используя значения C v = 0,717 кДж / кг · К и k = 1,4, определите:

  • а) температура и давление воздуха в конце каждого процесса [P 2 = 1838 кПа, Т 2 = 689К, Т 3 = 1805K, P 3 = 4815 кПа, P 4 = 262 кПа, T 4 = 786 КБ]

  • б) сеть выход / цикл [451.5 кДж / кг], и

  • c) тепловой КПД этого цикла двигателя. [η th = 56%]

______________________________________________________________________________________


Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 США Лицензия

Что такое мощность в лошадиных силах? Как рассчитать и эффективно использовать?

Сила, попросту говоря, это « темп или скорость выполнения работы ».Работа определяется как «сила , действующая на расстояние ». В автомобильных двигателях используется термин « лошадиных сил, л.с.» (л.с.) для измерения мощности. Этот термин происходит от прежней практики измерения скорости работы, выполняемой лошадью, которая равняется 33000 фут-фунтов из « проделанной работы» в минуту.

Обычный двигатель вырабатывает мощность за счет сжигания топлива. В процессе сгорания выделяется тепловая энергия, что приводит к возникновению расширяющих сил, известных как мощность.Мощность двигателя обычно измеряется в тормозных лошадиных силах, (л.с.), Pferdestärke, (л.с.), что является немецким переводом лошадиных сил. В метрической системе используется единица измерения киловатт и (кВт), в то время как в имперской / британской системе это « фут-фунт-сила-сила в секунду, » (кадр / с).

Двигатель теряет часть генерируемой мощности, преодолевая собственное трение, известное как « мощность трения в лошадиных силах» . «Указанная мощность в лошадиных силах, » — это фактическая мощность, развиваемая двигателем, тогда как Мощность в лошадиных силах, — это доступная мощность , , что составляет почти 70-85% от фактической мощности , развиваемой внутри двигателя.

Вы можете рассчитать указанную мощность в лошадиных силах четырехтактного двигателя по следующей формуле —

(где P = среднее эффективное давление в кг / см², L = длина хода, A = площадь поршня в см², Н = Частота вращения коленчатого вала, n = количество цилиндров)

Мощность трения в лошадиных силах = Указанная мощность в лошадиных силах — Мощность в лошадиных силах при торможении

F.H.P = I.H.P — B.H.P

Соотношение между BHP, Ps и кВт:

1 л.с. = 1,01 л.с. = 0,70 кВт

1кВт = 1.34 л.с. = 1,4 л.с.

1 PS = 0,98 л.с. = 0,70 кВт

Вы также можете рассчитать выходную мощность, если знаете значение крутящего момента и число оборотов двигателя по следующей формуле.

л.с. = крутящий момент X об / мин ÷ 5252

Кроме того, динамо-метр измеряет выходную мощность двигателя внутреннего сгорания. Большинство автомобильных двигателей вырабатывают мощность в широком диапазоне оборотов двигателя. Несмотря на то, что выходная мощность варьируется от двигателя к двигателю, она обычно максимальна в верхней части диапазона оборотов двигателя.Выходная мощность двигателя обычно представлена ​​на графике в виде кривой в зависимости от диапазона оборотов двигателя. Между прочим, Bugatti Veyron — одна из самых мощных машин в мире.

График мощности двигателя в лошадиных силах

Как помогает мощность в лошадиных силах?

Кривая мощности двигателя представляет его скорость выполнения работы, соответствующую диапазону оборотов двигателя. Более высокая мощность двигателя означает, что он может выполнять больше работы ИЛИ обеспечивать более высокую производительность. Таким образом, для достижения более высоких скоростей автомобиля вам потребуется больше мощности.Мощность наиболее полезна при превышении скорости и обгоне. Транспортному средству часто требуется больше мощности, когда оно поднимается по уклону, поскольку двигатель должен выдерживать вес транспортного средства против сил тяжести.

Что такое двигатель «Power-Band»?

Теоретически диапазон оборотов двигателя от « пиковый крутящий момент, » об / мин до « максимальной мощности, » об / мин известен как « Power-Band ». Это диапазон, в котором двигатель является наиболее эффективным и обеспечивает наилучшую производительность.Помните, что расход топлива увеличивается с увеличением оборотов двигателя. Но он самый низкий в пределах « Power-Band » двигателя. Следовательно, всегда знайте «диапазон мощности» вашего двигателя. Если вы переключаете передачи в «диапазоне мощности», вы, вероятно, получите максимальную топливную экономичность вашего автомобиля. Итак, прочтите «Технические характеристики двигателя» в Руководстве по эксплуатации, чтобы узнать о «диапазоне мощности» вашего двигателя. (Примечание: этот диапазон варьируется от автомобиля к автомобилю).

Диапазон мощности двигателя

Какие факторы влияют на мощность двигателя?

Выходная мощность варьируется от двигателя к двигателю, что в основном зависит от следующих факторов —

    1. Конструкция / тюнинг двигателя
    2. Объем двигателя / размер
    3. Вид топлива — бензин / дизель / КПГ
    4. №клапанов
    5. ГРМ
    6. Метод наддува воздухом — без наддува / с турбонаддувом / наддувом и
    7. Способы подачи топлива — карбюратор, MPFi / GDI / CRDi и т. Д.

Как эффективно использовать мощность двигателя в лошадиных силах?

Кроме того, мощность двигателя в лошадиных силах лучше всего использовать в сочетании с крутящим моментом двигателя и, таким образом, соответствующим образом переключать передачи. Чтобы получить больше скорости, вам нужно больше мощности. А чтобы получить больше мощности, нужно сжигать больше топлива.Кроме того, обычный двигатель производит больше мощности за счет более высокого расхода топлива.

Каждый двигатель достигает своего Макс. Значение Power , когда вы увеличиваете его до полного открытия дроссельной заслонки, прежде чем ЭБУ отключит подачу топлива. Таким образом, производители упоминают это значение в Руководстве пользователя в разделе «Технические характеристики двигателя ». Например, « Максимальная мощность: 97 л.с. при 5000 об / мин », как показано на 2-й диаграмме (график мощности двигателя). Вам нужна максимальная мощность, чтобы двигатель раскручивался быстрее при превышении скорости или обгоне.Однако, путешествуя по простой дороге / автомагистрали, вам не нужно запускать двигатель на макс. мощность / об. / мин.

Помните, что работа двигателя на максимальных оборотах приведет только к сжиганию дополнительного топлива. Так что используйте ускоритель экономно, чтобы контролировать мощность двигателя и добиться от него максимальной эффективности .

Автор: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *