Bagaimana energi ditemukan dalam fisika? Cara menghitung energi ikat

Definisi

Energi kinetik tubuh ditentukan dengan menggunakan usaha yang dilakukan oleh benda ketika benda tersebut mengalami perlambatan dari kecepatan awal ke kecepatan sama dengan nol.

Energi kinetik tubuh– ukuran gerakan mekanis suatu benda. Itu tergantung pada kecepatan relatif benda.

Ditemukan sebutan energi kinetik berikut: E k , W k , T.

Usaha yang dilakukan pada benda (A") dapat dikaitkan dengan perubahan energi kinetiknya:

Energi kinetik suatu titik material dan benda

Energi kinetik suatu titik material sama dengan:

dimana m adalah massa titik material, p adalah momentum titik material, v adalah kecepatan pergerakannya. Energi kinetik adalah besaran fisis skalar.

Jika suatu benda tidak dapat dianggap sebagai suatu titik material, maka energi kinetiknya dihitung sebagai jumlah energi kinetik semua titik material yang membentuk benda yang diteliti:

di mana dm adalah bagian dasar benda, yang dapat dianggap sebagai titik material, dV adalah volume bagian dasar benda yang dipilih, v adalah kecepatan gerak elemen yang ditinjau, adalah massa jenis bagian tersebut, m adalah massa seluruh benda yang ditinjau, V adalah volume benda.

Jika suatu benda (selain titik material) bergerak secara translasi, maka energi kinetiknya dapat dihitung menggunakan rumus (2), yang semua parameternya berkaitan dengan benda secara keseluruhan.

Ketika suatu benda berputar pada sumbu tetap, energi kinetiknya dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

dimana J adalah momen inersia benda terhadap sumbu rotasi, ? adalah modulus kecepatan sudut rotasi benda, r adalah jarak dari bagian dasar benda ke sumbu rotasi, L adalah proyeksi momentum sudut benda yang berputar ke sumbu sekitar tempat terjadinya rotasi.

Jika suatu benda tegar berputar relatif terhadap suatu titik tetap (misalnya titik O), maka energi kinetiknya diperoleh sebagai:

dimana adalah momentum sudut benda yang bersangkutan terhadap titik O.

Satuan energi kinetik

Satuan dasar pengukuran energi kinetik (dan juga jenis energi lainnya) dalam sistem SI adalah:

J (joule),

dalam sistem GHS –= erg.

Dalam hal ini: 1 J = 10 7 erg.

teorema Koenig

Untuk kasus paling umum, saat menghitung energi kinetik, digunakan teorema Koenig. Artinya, energi kinetik himpunan titik material adalah jumlah energi kinetik gerak translasi sistem dengan kecepatan pusat massa (v c) dan energi kinetik (E" k) sistem. selama gerak relatifnya terhadap gerak translasi sistem acuan. Dalam hal ini asal mula sistem acuan dikaitkan dengan pusat massa sistem.

di mana adalah massa total sistem titik material.

Jadi, jika kita memperhatikan benda padat, maka energi kinetiknya dapat direpresentasikan sebagai:

dimana J c adalah momen inersia benda terhadap sumbu rotasi yang melalui pusat massa. Khususnya pada gerak bidang J c =konstan. Dalam kasus umum, sumbu (disebut sesaat) bergerak dalam benda, maka momen inersia berubah-ubah terhadap waktu.

Contoh pemecahan masalah

Contoh

Latihan. Berapakah usaha yang dilakukan pada benda selama t=3 s (sejak awal waktu), selama interaksi gaya, jika perubahan energi kinetik benda yang diteliti diberikan oleh grafik (Gbr. 1)?

Larutan. Menurut definisinya, perubahan energi kinetik sama dengan usaha (A') yang dilakukan pada benda selama interaksi gaya, yaitu kita dapat menulis bahwa:

Dengan memperhatikan grafik yang ditunjukkan pada Gambar 1, kita melihat bahwa selama waktu t=3 s energi kinetik benda berubah dari 4 J menjadi 2 J, oleh karena itu:

Menjawab. SEBUAH"=-2 J.

Contoh

Latihan. Sebuah titik material bergerak melingkar yang jari-jarinya sama dengan R. Energi kinetik suatu partikel berhubungan dengan besar lintasan yang dilaluinya sesuai dengan rumus: . Persamaan apa yang menghubungkan gaya (F) yang bekerja pada suatu titik dan lintasan s?

Joule (J) adalah salah satu satuan pengukuran terpenting dalam Sistem Satuan Internasional (SI). Joule mengukur kerja, energi, dan panas. Untuk menyajikan hasil akhir dalam joule, kerjakan dengan satuan SI. Jika satuan pengukuran lain diberikan dalam soal, ubahlah menjadi satuan dari Sistem Satuan Internasional.

Langkah

Perhitungan usaha (J)

Konsep kerja dalam fisika. Jika Anda memindahkan kotak tersebut, Anda akan melakukan usaha. Jika Anda mengangkat kotak tersebut, Anda akan melakukan usaha. Agar pekerjaan dapat diselesaikan, dua syarat harus dipenuhi:

• Anda menerapkan kekuatan konstan.
• Di bawah aksi gaya yang diberikan, benda bergerak searah dengan gaya tersebut.

1. Hitung pekerjaannya. Untuk melakukan ini, kalikan gaya dan jarak (saat benda bergerak). Dalam SI, gaya diukur dalam newton dan jarak dalam meter. Jika Anda menggunakan satuan ini, usaha yang dilakukan akan diukur dalam joule.

   Temukan massa tubuh. Penting untuk menghitung gaya yang harus diterapkan untuk menggerakkan benda. Mari kita lihat contohnya: hitung usaha yang dilakukan seorang atlet ketika mengangkat (dari lantai ke dada) sebuah barbel seberat 10 kg.

   • Jika soal memiliki satuan pengukuran yang tidak standar, ubahlah menjadi satuan SI.

2. Hitung gayanya. Gaya = massa x percepatan. Dalam contoh kita, kita memperhitungkan percepatan gravitasi, yang setara dengan 9,8 m/s 2 . Gaya yang harus dilakukan untuk menggerakkan barbel ke atas adalah 10 (kg) x 9,8 (m/s2) = 98 kg∙m/s2 = 98 N.

   • Jika benda bergerak pada bidang horizontal, percepatan gravitasi tidak diperhitungkan. Soal tersebut mungkin mengharuskan Anda menghitung gaya yang diperlukan untuk mengatasi gesekan. Jika percepatan dalam soal diberikan, kalikan saja dengan massa benda yang diberikan.

3. Ukur jarak yang ditempuh. Sebagai contoh, misalkan barbel dinaikkan ke ketinggian 1,5 m. (Jika soal mempunyai satuan pengukuran yang tidak standar, ubahlah menjadi satuan SI.)

   Lipat gandakan kekuatan dengan jarak. Untuk mengangkat barbel bermassa 10 kg ke ketinggian 1,5 m, atlet harus melakukan usaha sebesar 98 x 1,5 = 147 J.

   Hitung usaha yang dilakukan ketika gaya diarahkan pada suatu sudut. Contoh sebelumnya cukup sederhana: arah gaya dan gerakan benda bertepatan. Namun dalam beberapa kasus gaya diarahkan pada suatu sudut terhadap arah gerakan. Perhatikan sebuah contoh: hitunglah usaha yang dilakukan oleh seorang anak yang menarik kereta luncur sejauh 25 m dengan menggunakan tali yang mempunyai simpangan horizontal sebesar 30º. Dalam hal ini usaha = gaya x kosinus (θ) x jarak. Sudut θ adalah sudut antara arah gaya dan arah gerak.

   Temukan gaya total yang diterapkan. Dalam contoh kita, katakanlah seorang anak memberikan gaya sebesar 10 N.

   • Jika soalnya gayanya mengarah ke atas, atau ke kanan/kiri, atau arahnya berimpit dengan arah gerak benda, maka untuk menghitung usaha cukup mengalikan gaya dan jarak.

4. Hitung gaya yang sesuai. Dalam contoh kita, hanya sebagian dari gaya total yang menarik kereta luncur ke depan. Karena tali mengarah ke atas (dengan sudut horizontal), bagian lain dari gaya total mencoba mengangkat kereta luncur. Oleh karena itu, hitunglah gaya yang arahnya bertepatan dengan arah gerak.

   • Dalam contoh kita, sudut θ (antara tanah dan tali) adalah 30º.
   • cosθ = cos30º = (√3)/2 = 0,866. Temukan nilai ini menggunakan kalkulator; Atur satuan sudut di kalkulator menjadi derajat.
   • Kalikan gaya total dengan cosθ. Dalam contoh kita: 10 x 0,866 = 8,66 N adalah gaya yang arahnya berimpit dengan arah gerak.

5. Kalikan gaya yang sesuai dengan jarak untuk menghitung usaha. Dalam contoh kita: 8,66 (N) x 20 (m) = 173,2 J.

   Perhitungan energi (J) dari daya tertentu (W)

   Perhitungan energi kinetik (J)

   1. Energi kinetik adalah energi gerak. Hal ini dapat dinyatakan dalam joule (J).

      • Energi kinetik setara dengan usaha yang dilakukan untuk mempercepat benda diam hingga kecepatan tertentu. Setelah mencapai kecepatan tertentu, energi kinetik suatu benda tetap konstan hingga diubah menjadi panas (akibat gesekan), energi potensial gravitasi (saat bergerak melawan gravitasi) atau jenis energi lainnya.

   2. Temukan massa tubuh. Misalnya menghitung energi kinetik sepeda dan pengendara sepeda. Massa pengendara sepeda adalah 50 kg, dan massa sepeda adalah 20 kg, jadi massa total benda tersebut adalah 70 kg (anggaplah sepeda dan pengendara sepeda sebagai satu benda, karena keduanya akan bergerak dalam gaya yang sama. arah dan kecepatan yang sama).

      Hitung kecepatannya. Jika kecepatan diberikan dalam soal, lanjutkan ke langkah berikutnya; jika tidak, hitunglah menggunakan salah satu metode di bawah ini. Perhatikan bahwa arah kecepatan dapat diabaikan di sini; Terlebih lagi, misalkan seorang pengendara sepeda sedang berkendara di jalur lurus.

      • Jika pengendara sepeda melaju dengan kecepatan konstan (tidak ada percepatan), ukurlah jarak yang ditempuh (m) dan bagi dengan waktu yang diperlukan untuk menempuh jarak tersebut. Ini akan memberi Anda kecepatan rata-rata.
      • Jika pengendara sepeda melakukan percepatan, dan nilai percepatan serta arah geraknya tidak berubah, maka kecepatan pada waktu tertentu t dihitung dengan rumus: percepatan x t + kecepatan awal. Waktu diukur dalam detik, kecepatan dalam m/s, percepatan dalam m/s 2 .

   3. Gantikan nilai-nilai tersebut ke dalam rumus. Energi kinetik = (1/2)mv 2, dimana m adalah massa, v adalah kecepatan. Misalnya, jika kecepatan seorang pengendara sepeda adalah 15 m/s, maka energi kinetiknya K = (1/2)(70 kg)(15 m/s) 2 = (1/2)(70 kg)(15 m /s)( 15 m/s) = 7875 kg∙m 2 /s 2 = 7875 N∙m = 7875 J

   Perhitungan jumlah panas (J)

   Temukan massa benda yang dipanaskan. Untuk melakukan ini, gunakan skala keseimbangan atau pegas. Jika benda berbentuk cairan, timbang terlebih dahulu wadah kosong (tempat Anda menuangkan cairan) untuk mengetahui massanya. Setelah menimbang cairan, kurangi massa wadah kosong dari nilai yang dihasilkan untuk mencari massa cairan. Misalnya, perhatikan air dengan massa 500 g.

   • Agar suatu hasil diukur dalam joule, massa harus diukur dalam gram.

   1. Temukan kapasitas panas spesifik tubuh. Itu dapat ditemukan di buku teks kimia, fisika atau di Internet. Kapasitas kalor jenis air adalah 4,19 J/g.

      • Kapasitas panas spesifik sedikit berbeda dengan suhu dan tekanan. Misalnya, beberapa sumber memberikan kapasitas panas spesifik air sebesar 4,18 J/g (karena sumber yang berbeda memilih nilai yang berbeda untuk “suhu referensi”).
      • Suhu dapat diukur dalam satuan Kelvin atau Celcius (karena perbedaan antara kedua suhu tersebut akan sama), tetapi tidak dalam satuan Fahrenheit.

   2. Temukan suhu tubuh awal. Jika benda tersebut berbentuk cairan, gunakanlah termometer.

      Panaskan tubuh dan temukan suhu akhirnya. Dengan cara ini Anda dapat mengetahui jumlah panas yang ditransfer ke tubuh saat dipanaskan.

      • Jika ingin mencari energi total yang diubah menjadi panas, asumsikan suhu awal suatu benda adalah nol mutlak (0 Kelvin atau -273,15 Celsius). Hal ini biasanya tidak diterapkan.

   3. Kurangi suhu tubuh awal dari suhu akhir untuk mencari perubahan suhu tubuh. Misalnya air dipanaskan dari 15 derajat Celcius menjadi 35 derajat Celcius, artinya perubahan suhu air sama dengan 20 derajat Celcius.

   4. Kalikan massa suatu benda, kapasitas panas spesifiknya, dan perubahan suhu tubuh. Rumus: H = mcΔT, dimana ΔT adalah perubahan suhu. Dalam contoh kita: 500 x 4,19 x 20 = 41,900 J

      • Jumlah panas terkadang diukur dalam kalori atau kilokalori. Kalori adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1 derajat Celcius; kilokalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1 derajat Celcius. Pada contoh di atas, menaikkan suhu 500 g air sebesar 20 derajat Celcius memerlukan 10.000 kalori atau 10 kkal.

Kata "energi" diterjemahkan dari bahasa Yunani sebagai "aksi". Kami menyebut seseorang energik yang bergerak aktif, melakukan banyak tindakan berbeda.

Energi dalam fisika

Dan jika dalam kehidupan kita dapat mengevaluasi energi seseorang terutama berdasarkan konsekuensi aktivitasnya, maka dalam fisika energi dapat diukur dan dipelajari dengan berbagai cara. Teman atau tetangga Anda yang ceria kemungkinan besar akan menolak untuk mengulangi tindakan yang sama tiga puluh hingga lima puluh kali ketika Anda tiba-tiba terpikir untuk menyelidiki fenomena energinya.

Namun dalam fisika, Anda dapat mengulangi hampir semua eksperimen sebanyak yang Anda suka, melakukan penelitian yang Anda perlukan. Begitu pula dengan studi energi. Para ilmuwan penelitian telah mempelajari dan memberi label banyak jenis energi dalam fisika. Ini adalah energi listrik, magnet, atom dan sebagainya. Namun sekarang kita akan membahas tentang energi mekanik. Dan lebih khusus lagi tentang energi kinetik dan potensial.

Energi kinetik dan potensial

Mekanika mempelajari pergerakan dan interaksi benda satu sama lain. Oleh karena itu, merupakan kebiasaan untuk membedakan dua jenis energi mekanik: energi akibat pergerakan benda, atau energi kinetik, dan energi akibat interaksi benda, atau energi potensial.

Dalam fisika, ada aturan umum yang menghubungkan energi dan usaha. Untuk mencari energi suatu benda, perlu dicari usaha yang diperlukan untuk memindahkan benda tersebut ke keadaan tertentu dari nol, yaitu keadaan yang energinya nol.

Energi potensial

Dalam fisika, energi potensial adalah energi yang ditentukan oleh posisi relatif benda-benda atau bagian-bagian tubuh yang berinteraksi. Artinya, jika suatu benda diangkat ke atas tanah, maka ia mempunyai kemampuan untuk melakukan suatu usaha sambil jatuh.

Dan nilai yang mungkin dari usaha ini akan sama dengan energi potensial benda di ketinggian h. Untuk energi potensial rumusnya ditentukan dengan skema sebagai berikut:

A=Fs=Fт*h=mgh, atau Ep=mgh,

dimana Ep adalah energi potensial tubuh,
m berat badan,
h adalah tinggi badan dari atas tanah,
g percepatan jatuh bebas.

Selain itu, posisi apa pun yang nyaman bagi kita dapat diambil sebagai posisi nol benda, tergantung pada kondisi percobaan dan pengukuran yang dilakukan, tidak hanya pada permukaan bumi. Bisa berupa permukaan lantai, meja, dan sebagainya.

Energi kinetik

Dalam kasus ketika suatu benda bergerak di bawah pengaruh gaya, ia tidak hanya dapat, tetapi juga melakukan suatu usaha. Dalam fisika, energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda akibat geraknya. Ketika suatu benda bergerak, ia mengeluarkan energi dan melakukan usaha. Untuk energi kinetik rumusnya dihitung sebagai berikut:

A = Fs = mas = m * v / t * vt / 2 = (mv^2) / 2, atau Eк = (mv^2) / 2,

dimana Ek adalah energi kinetik benda,
m berat badan,
v kecepatan tubuh.

Dari rumus tersebut jelas bahwa semakin besar massa dan kecepatan suatu benda maka semakin tinggi pula energi kinetiknya.

Setiap benda mempunyai energi kinetik atau energi potensial, atau keduanya sekaligus, seperti misalnya pesawat terbang.

Pekerjaan mekanis. Unit kerja.

Dalam kehidupan sehari-hari, kita memahami segala sesuatu dengan konsep “kerja”.

Dalam fisika, konsepnya Pekerjaan agak berbeda. Merupakan besaran fisis tertentu yang artinya dapat diukur. Dalam fisika itu dipelajari terutama pekerjaan mekanis .

Mari kita lihat contoh kerja mekanik.

Kereta bergerak di bawah gaya traksi lokomotif listrik, dan kerja mekanis dilakukan. Ketika pistol ditembakkan, gaya tekanan gas bubuk bekerja - ia menggerakkan peluru di sepanjang laras, dan kecepatan peluru meningkat.

Dari contoh-contoh ini jelas bahwa kerja mekanis dilakukan ketika suatu benda bergerak di bawah pengaruh gaya. Pekerjaan mekanis juga dilakukan ketika gaya yang bekerja pada suatu benda (misalnya, gaya gesekan) mengurangi kecepatan gerakannya.

Ingin memindahkan kabinet, kita menekannya dengan kuat, tetapi jika tidak bergerak, maka kita tidak melakukan pekerjaan mekanis. Dapat dibayangkan sebuah kasus ketika suatu benda bergerak tanpa partisipasi gaya (dengan inersia), kerja mekanis juga tidak dilakukan.

Jadi, kerja mekanis dilakukan hanya ketika suatu gaya bekerja pada suatu benda dan benda itu bergerak .

Tidak sulit untuk memahami bahwa semakin besar gaya yang bekerja pada benda dan semakin panjang jalur yang ditempuh benda di bawah pengaruh gaya ini, semakin besar pula usaha yang dilakukan.

Usaha mekanik berbanding lurus dengan gaya yang diberikan dan berbanding lurus dengan jarak yang ditempuh .

Oleh karena itu, kami sepakat untuk mengukur kerja mekanis dengan hasil kali gaya dan jalur yang dilalui sepanjang arah gaya ini:

usaha = gaya × lintasan

Di mana A- Pekerjaan, F- kekuatan dan S- jarak tempuh.

Satuan usaha dianggap usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar 1N pada lintasan sepanjang 1 m.

Satuan kerja - Joule (J ) dinamai ilmuwan Inggris Joule. Dengan demikian,

1 J = 1Nm.

Juga digunakan kilojoule (kJ) .

1 kJ = 1000J.

Rumus SEBUAH = Fs berlaku ketika kekuatan F konstan dan bertepatan dengan arah gerak benda.

Jika arah gaya bertepatan dengan arah gerak benda, maka gaya tersebut melakukan kerja positif.

Jika benda bergerak berlawanan arah dengan arah gaya yang diberikan, misalnya gaya gesekan geser, maka gaya tersebut melakukan kerja negatif.

Jika arah gaya yang bekerja pada benda tegak lurus terhadap arah gerak, maka gaya tersebut tidak melakukan usaha apapun, usahanya nol:

Nantinya, berbicara tentang kerja mekanis, kita akan menyebutnya secara singkat dalam satu kata - kerja.

Contoh. Hitung usaha yang dilakukan ketika mengangkat lempengan granit yang volumenya 0,5 m3 ke ketinggian 20 m. Massa jenis granit adalah 2500 kg/m3.

Diberikan:

ρ = 2500kg/m3

Larutan:

dimana F adalah gaya yang harus diterapkan untuk mengangkat pelat secara merata. Gaya ini sama modulusnya dengan gaya Fstrand yang bekerja pada pelat, yaitu F = Fstrand. Dan gaya gravitasi dapat ditentukan oleh massa pelat: Fberat = gram. Mari kita hitung massa lempengan, mengetahui volume dan massa jenis granit: m = ρV; s = h, yaitu lintasan sama dengan tinggi angkat.

Jadi, m = 2500 kg/m3 · 0,5 m3 = 1250 kg.

F = 9,8 N/kg · 1250 kg ≈ 12,250 N.

A = 12.250 N · 20 m = 245.000 J = 245 kJ.

Menjawab: SEBUAH =245 kJ.

Pengungkit.Kekuatan.Energi

Mesin yang berbeda memerlukan waktu yang berbeda untuk menyelesaikan pekerjaan yang sama. Misalnya, derek di lokasi konstruksi mengangkat ratusan batu bata ke lantai atas sebuah gedung dalam beberapa menit. Jika batu bata ini dipindahkan oleh seorang pekerja, ia memerlukan waktu beberapa jam untuk melakukannya. Contoh lain. Seekor kuda dapat membajak satu hektar lahan dalam waktu 10-12 jam, sedangkan traktor dengan bajak multi-bagian ( mata bajak- bagian dari bajak yang memotong lapisan bumi dari bawah dan memindahkannya ke tempat pembuangan; multi-mata bajak - banyak mata bajak), pekerjaan ini akan selesai dalam 40-50 menit.

Jelaslah bahwa derek melakukan pekerjaan yang sama lebih cepat daripada pekerja, dan traktor melakukan pekerjaan yang sama lebih cepat daripada kuda. Kecepatan kerja dicirikan oleh besaran khusus yang disebut daya.

Daya sama dengan perbandingan kerja dengan waktu pelaksanaannya.

Untuk menghitung daya, Anda perlu membagi pekerjaan dengan waktu selama pekerjaan ini dilakukan. daya = usaha/waktu.

Di mana N- kekuatan, A- Pekerjaan, T- waktu pekerjaan selesai.

Daya adalah besaran yang konstan ketika usaha yang sama dilakukan setiap detik; dalam kasus lain perbandingannya Pada menentukan daya rata-rata:

N rata-rata = Pada . Satuan daya dianggap daya yang menghasilkan J usaha yang dilakukan dalam 1 s.

Satuan ini disebut watt ( W) untuk menghormati ilmuwan Inggris lainnya, Watt.

1 watt = 1 joule/1 detik, atau 1 W = 1 J/s.

Watt (joule per detik) - W (1 J/s).

Unit daya yang lebih besar banyak digunakan dalam teknologi - kilowat (kW), megawatt (MW) .

1 MW = 1.000.000 W

1kW = 1000W

1mW = 0,001W

1 W = 0,000001 MW

1W = 0,001kW

1W = 1000mW

Contoh. Hitunglah kuat aliran air yang mengalir melalui bendungan jika tinggi jatuhnya air 25 m dan debit alirannya 120 m3 per menit.

Diberikan:

ρ = 1000kg/m3

Larutan:

Massa air yang jatuh: m = ρV,

m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120.000 kg (12.104 kg).

Gravitasi yang bekerja pada air:

F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)

Usaha yang dilakukan berdasarkan aliran per menit:

A - 1.200.000 N · 25 m = 30.000.000 J (3 · 107 J).

Daya aliran: N = A/t,

N = 30.000.000 J / 60 detik = 500.000 W = 0,5 MW.

Menjawab: N = 0,5 MW.

Berbagai mesin memiliki tenaga mulai dari seperseratus dan sepersepuluh kilowatt (motor pisau cukur listrik, mesin jahit) hingga ratusan ribu kilowatt (turbin air dan uap).

Tabel 5.

Kekuatan beberapa mesin, kW.

Setiap mesin memiliki pelat (paspor mesin), yang menunjukkan beberapa informasi tentang mesin, termasuk tenaganya.

Tenaga manusia dalam kondisi pengoperasian normal rata-rata 70-80 W. Saat melompat atau berlari menaiki tangga, seseorang dapat mengembangkan daya hingga 730 W, dan dalam beberapa kasus bahkan lebih.

Dari rumus N = A/t berikut ini

Untuk menghitung usaha, perlu mengalikan daya dengan waktu selama pekerjaan ini dilakukan.

Contoh. Motor kipas ruangan mempunyai daya sebesar 35 watt. Berapa banyak pekerjaan yang dia lakukan dalam 10 menit?

Mari kita tuliskan kondisi masalahnya dan selesaikan.

Diberikan:

Larutan:

A = 35 W * 600s = 21.000 W * s = 21.000 J = 21 kJ.

Menjawab A= 21 kJ.

Mekanisme sederhana.

Sejak dahulu kala, manusia telah menggunakan berbagai perangkat untuk melakukan pekerjaan mekanis.

Semua orang tahu bahwa benda berat (batu, lemari, peralatan mesin), yang tidak dapat digerakkan dengan tangan, dapat digerakkan dengan bantuan tongkat - tuas yang cukup panjang.

Saat ini, diyakini bahwa dengan bantuan tuas tiga ribu tahun yang lalu, selama pembangunan piramida di Mesir Kuno, lempengan batu yang berat dipindahkan dan diangkat ke tempat yang sangat tinggi.

Dalam banyak kasus, alih-alih mengangkat beban berat ke ketinggian tertentu, beban tersebut dapat digulung atau ditarik ke ketinggian yang sama sepanjang bidang miring atau diangkat menggunakan balok.

Alat yang digunakan untuk mengubah gaya disebut mekanisme .

Mekanisme sederhana meliputi: tuas dan variasinya - blok, gerbang; bidang miring dan variasinya - baji, sekrup. Dalam kebanyakan kasus, mekanisme sederhana digunakan untuk memperoleh kekuatan, yaitu meningkatkan gaya yang bekerja pada tubuh beberapa kali.

Mekanisme sederhana ditemukan baik di rumah tangga maupun di semua mesin industri dan industri yang kompleks yang memotong, memelintir, dan mencap lembaran baja besar atau menarik benang terbaik dari mana kain kemudian dibuat. Mekanisme yang sama dapat ditemukan pada mesin otomatis modern yang kompleks, mesin cetak dan hitung.

Lengan tuas. Keseimbangan gaya pada tuas.

Mari kita pertimbangkan mekanisme paling sederhana dan paling umum - tuas.

Tuas adalah benda kaku yang dapat berputar mengelilingi penyangga tetap.

Gambar tersebut menunjukkan bagaimana seorang pekerja menggunakan linggis sebagai tuas untuk mengangkat suatu beban. Dalam kasus pertama, pekerja dengan paksa F menekan ujung linggis B, di detik - memunculkan akhir B.

Pekerja perlu mengatasi beban yang berat P- gaya diarahkan secara vertikal ke bawah. Untuk melakukan ini, ia memutar linggis di sekitar sumbu yang melewati satu-satunya diam titik puncaknya adalah titik dukungannya TENTANG. Memaksa F yang digunakan pekerja untuk bekerja pada tuas adalah gaya yang lebih kecil P, demikianlah pekerja menerima mendapatkan kekuatan. Dengan menggunakan tuas, Anda dapat mengangkat beban yang begitu berat sehingga Anda tidak dapat mengangkatnya sendiri.

Gambar tersebut menunjukkan sebuah tuas yang sumbu putarnya adalah TENTANG(titik tumpu) terletak di antara titik-titik penerapan gaya A Dan DI DALAM. Gambar lain menunjukkan diagram tuas ini. Kedua kekuatan F 1 dan F 2 yang bekerja pada tuas diarahkan ke satu arah.

Jarak terpendek antara titik tumpu dan garis lurus tempat gaya bekerja pada tuas disebut lengan gaya.

Panjang garis tegak lurus ini akan menjadi lengan gaya ini. Gambar tersebut menunjukkan hal itu OA- kekuatan bahu F 1; OB- kekuatan bahu F 2. Gaya yang bekerja pada tuas dapat memutarnya pada porosnya dalam dua arah: searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam. Ya, kekuatan F 1 memutar tuas searah jarum jam, dan gaya F 2 memutarnya berlawanan arah jarum jam.

Kondisi di mana tuas berada dalam keseimbangan di bawah pengaruh gaya yang diterapkan padanya dapat ditentukan secara eksperimental. Harus diingat bahwa hasil kerja suatu gaya tidak hanya bergantung pada nilai numeriknya (modulus), tetapi juga pada titik penerapannya pada benda, atau bagaimana arahnya.

Berbagai beban digantungkan pada tuas (lihat gambar) pada kedua sisi titik tumpu sehingga setiap kali tuas tetap seimbang. Gaya yang bekerja pada tuas sama dengan berat beban tersebut. Untuk setiap kasus, modul gaya dan bahunya diukur. Dari pengalaman yang ditunjukkan pada Gambar 154, jelas bahwa gaya 2 N menyeimbangkan kekuatan4 N. Dalam hal ini, seperti terlihat dari gambar, bahu dengan kekuatan lebih kecil adalah 2 kali lebih besar dari bahu dengan kekuatan lebih besar.

Berdasarkan percobaan tersebut, kondisi (aturan) keseimbangan tuas ditetapkan.

Sebuah tuas berada dalam keadaan setimbang bila gaya-gaya yang bekerja padanya berbanding terbalik dengan lengan gaya-gaya tersebut.

Aturan ini dapat ditulis sebagai rumus:

F 1/F 2 = aku 2/ aku 1 ,

Di mana F 1Dan F 2 - gaya yang bekerja pada tuas, aku 1Dan aku 2 , - bahu gaya-gaya ini (lihat gambar).

Aturan keseimbangan tuas ditetapkan oleh Archimedes sekitar tahun 287 - 212. SM e. (tapi di paragraf terakhir dikatakan bahwa tuas digunakan oleh orang Mesir? Atau apakah kata “mapan” memainkan peran penting di sini?)

Dari aturan ini dapat disimpulkan bahwa gaya yang lebih kecil dapat digunakan untuk menyeimbangkan gaya yang lebih besar dengan menggunakan tuas. Misalkan salah satu lengan tuas berukuran 3 kali lebih besar dari lengan lainnya (lihat gambar). Kemudian dengan memberikan gaya misalnya 400 N di titik B, Anda dapat mengangkat sebuah batu seberat 1200 N. Untuk mengangkat beban yang lebih berat lagi, Anda perlu menambah panjang lengan tuas tempat pekerja bekerja.

Contoh. Dengan menggunakan tuas, seorang pekerja mengangkat sebuah lempengan yang beratnya 240 kg (lihat Gambar 149). Berapakah gaya yang dilakukannya pada lengan tuas yang lebih besar yaitu 2,4 m jika lengan yang lebih kecil adalah 0,6 m?

Mari kita tuliskan kondisi masalahnya dan selesaikan.

Diberikan:

Larutan:

Menurut aturan keseimbangan tuas, F1/F2 = l2/l1, maka F1 = F2 l2/l1, dimana F2 = P adalah berat batu. Berat batu asd = gram, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N

Maka F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.

Menjawab: F1 = 600 N.

Dalam contoh kita, pekerja mengatasi gaya sebesar 2400 N dengan menerapkan gaya sebesar 600 N pada tuas. Namun dalam kasus ini, lengan tempat pekerja bekerja adalah 4 kali lebih panjang daripada lengan yang terkena beban batu ( aku 1 : aku 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).

Dengan menerapkan aturan leverage, kekuatan yang lebih kecil dapat menyeimbangkan kekuatan yang lebih besar. Dalam hal ini, bahu dengan kekuatan lebih kecil harus lebih panjang dari bahu dengan kekuatan lebih besar.

Momen kekuasaan.

Anda sudah mengetahui aturan keseimbangan tuas:

F 1 / F 2 = aku 2 / aku 1 ,

Dengan menggunakan sifat proporsi (hasil kali suku-suku ekstremnya sama dengan hasil kali suku-suku tengahnya), kita tuliskan dalam bentuk ini:

F 1aku 1 = F 2 aku 2 .

Di sisi kiri persamaan adalah hasil kali gaya F 1 di bahunya aku 1, dan di sebelah kanan - produk gaya F 2 di bahunya aku 2 .

Hasil kali modulus gaya putar benda dan bahunya disebut momen kekuatan; itu dilambangkan dengan huruf M. Artinya

Sebuah tuas berada dalam kesetimbangan akibat aksi dua gaya jika momen gaya yang memutarnya searah jarum jam sama dengan momen gaya yang memutarnya berlawanan arah jarum jam.

Aturan ini disebut aturan momen , dapat dituliskan sebagai rumus:

M1 = M2

Memang, dalam percobaan yang kita pertimbangkan (§ 56), gaya-gaya yang bekerja sama dengan 2 N dan 4 N, bahunya masing-masing sebesar 4 dan 2 tekanan tuas, yaitu momen gaya-gaya ini sama ketika tuas berada dalam kesetimbangan .

Momen gaya, seperti besaran fisika lainnya, dapat diukur. Satuan momen gaya diasumsikan momen gaya sebesar 1 N, yang lengannya tepat 1 m.

Satuan ini disebut newton meter (Nm).

Momen gaya mencirikan aksi suatu gaya, dan menunjukkan bahwa momen tersebut bergantung secara simultan pada modulus gaya dan daya ungkitnya. Kita telah mengetahui, misalnya, bahwa aksi suatu gaya pada sebuah pintu bergantung pada besarnya gaya tersebut dan pada tempat di mana gaya tersebut diterapkan. Semakin mudah memutar pintu, semakin jauh gaya yang bekerja padanya dari sumbu rotasi. Lebih baik membuka mur dengan kunci pas yang panjang daripada dengan kunci pas yang pendek. Semakin mudah mengangkat ember dari sumur, semakin panjang pegangan pintunya, dll.

Pengungkit dalam teknologi, kehidupan sehari-hari dan alam.

Aturan daya ungkit (atau aturan momen) mendasari tindakan berbagai jenis alat dan perangkat yang digunakan dalam teknologi dan kehidupan sehari-hari yang memerlukan peningkatan kekuatan atau perjalanan.

Kami memperoleh kekuatan saat bekerja dengan gunting. Gunting - ini adalah tuas(gbr), sumbu putarannya terjadi melalui sekrup yang menghubungkan kedua bagian gunting. Kekuatan akting F 1 adalah kekuatan otot tangan orang yang memegang gunting. Kekuatan melawan F 2 adalah gaya hambatan bahan yang dipotong dengan gunting. Tergantung pada tujuan gunting, desainnya bervariasi. Gunting kantor yang dirancang untuk memotong kertas memiliki bilah yang panjang dan gagang yang hampir sama panjangnya. Memotong kertas tidak memerlukan banyak tenaga, dan pisau yang panjang memudahkan pemotongan dalam garis lurus. Gunting untuk memotong lembaran logam (Gbr.) memiliki pegangan yang lebih panjang daripada bilahnya, karena gaya hambatan logamnya besar dan untuk menyeimbangkannya, lengan gaya kerja harus ditingkatkan secara signifikan. Perbedaan antara panjang gagang dan jarak bagian pemotongan serta sumbu putaran semakin besar pemotong kawat(Gbr.), dirancang untuk memotong kawat.

Banyak mesin memiliki jenis tuas yang berbeda. Gagang mesin jahit, pedal atau rem tangan sepeda, pedal mobil dan traktor, serta tuts piano merupakan contoh tuas yang digunakan pada mesin dan perkakas tersebut.

Contoh penggunaan tuas adalah gagang alat wakil dan meja kerja, tuas mesin bor, dan lain-lain.

Tindakan timbangan tuas didasarkan pada prinsip tuas (Gbr.). Skala pelatihan yang ditunjukkan pada Gambar 48 (hal. 42) bertindak sebagai tuas lengan yang sama . DI DALAM skala desimal Bahu tempat cangkir yang memuat beban digantung 10 kali lebih panjang dari bahu yang membawa beban. Hal ini membuat menimbang beban besar menjadi lebih mudah. Saat menimbang beban pada skala desimal, Anda harus mengalikan massa beban dengan 10.

Perangkat timbangan untuk menimbang gerbong barang juga didasarkan pada aturan leverage.

Pengungkit juga ditemukan di berbagai bagian tubuh hewan dan manusia. Misalnya saja lengan, kaki, rahang. Pengungkit banyak ditemukan pada tubuh serangga (dengan membaca buku tentang serangga dan struktur tubuhnya), burung, dan struktur tumbuhan.

Penerapan hukum keseimbangan tuas pada balok.

Memblokir Ini adalah roda dengan alur, dipasang di dudukan. Tali, kabel atau rantai dilewatkan melalui alur balok.

Blok tetap Ini adalah balok yang porosnya tetap dan tidak naik atau turun saat mengangkat beban (Gbr).

Balok tetap dapat dianggap sebagai tuas berlengan sama, yang lengan gayanya sama dengan jari-jari roda (Gbr): OA = OB = r. Blok seperti itu tidak memberikan peningkatan kekuatan. ( F 1 = F 2), tetapi memungkinkan Anda mengubah arah gaya. Blok bergerak - ini adalah sebuah blok. sumbu yang naik dan turun seiring dengan beban (Gbr.). Gambar tersebut menunjukkan tuas yang sesuai: TENTANG- titik tumpu tuas, OA- kekuatan bahu R Dan OB- kekuatan bahu F. Sejak bahu OB 2 kali bahu OA, lalu kekuatannya F kekuatan 2 kali lebih sedikit R:

F = P/2 .

Dengan demikian, balok yang dapat digerakkan memberikan peningkatan kekuatan 2 kali lipat .

Hal ini dapat dibuktikan dengan menggunakan konsep momen gaya. Ketika balok berada dalam kesetimbangan, momen gaya F Dan R setara satu sama lain. Tapi bahu kekuatan F 2 kali leverage R, dan, oleh karena itu, kekuatan itu sendiri F kekuatan 2 kali lebih sedikit R.

Biasanya dalam prakteknya digunakan kombinasi balok tetap dan balok bergerak (Gbr.). Blok tetap digunakan untuk kenyamanan saja. Hal ini tidak memberikan penambahan gaya, namun mengubah arah gaya. Misalnya, memungkinkan Anda mengangkat beban sambil berdiri di tanah. Ini berguna bagi banyak orang atau pekerja. Namun, itu memberikan peningkatan kekuatan 2 kali lebih besar dari biasanya!

Kesetaraan kerja saat menggunakan mekanisme sederhana. "Aturan Emas" mekanika.

Mekanisme sederhana yang telah kita bahas digunakan ketika melakukan usaha jika diperlukan untuk menyeimbangkan gaya lain melalui aksi satu gaya.

Tentu saja, pertanyaan yang muncul: ketika memberikan keuntungan dalam hal kekuasaan atau jalur, bukankah mekanisme sederhana memberikan keuntungan dalam pekerjaan? Jawaban atas pertanyaan ini dapat diperoleh dari pengalaman.

Dengan menyeimbangkan dua gaya yang berbeda besarnya pada sebuah tuas F 1 dan F 2 (gbr.), gerakkan tuas. Ternyata pada saat yang sama titik penerapan gaya tersebut lebih kecil F 2 melangkah lebih jauh S 2, dan titik penerapan kekuatan yang lebih besar F 1 - jalur yang lebih pendek S 1. Setelah mengukur jalur dan modul gaya ini, kita menemukan bahwa jalur yang dilalui oleh titik penerapan gaya pada tuas berbanding terbalik dengan gaya:

S 1 / S 2 = F 2 / F 1.

Jadi, dengan menggunakan lengan panjang pengungkit, kita memperoleh kekuatan, namun pada saat yang sama kita kehilangan kekuatan yang sama besarnya.

Produk kekuatan F dalam perjalanan S ada pekerjaan. Eksperimen kami menunjukkan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya yang diterapkan pada tuas adalah sama besar:

F 1 S 1 = F 2 S 2, yaitu A 1 = A 2.

Jadi, Saat menggunakan leverage, Anda tidak akan bisa menang di tempat kerja.

Dengan menggunakan leverage, kita bisa memperoleh kekuatan atau jarak. Dengan menerapkan gaya pada lengan pendek tuas, kita memperoleh jarak, namun kehilangan kekuatan dengan jumlah yang sama.

Ada legenda bahwa Archimedes, yang senang dengan penemuan aturan daya ungkit, berseru: "Beri aku titik tumpu, dan aku akan membalikkan bumi!"

Tentu saja, Archimedes tidak dapat mengatasi tugas seperti itu meskipun dia diberi titik tumpu (yang seharusnya berada di luar Bumi) dan tuas dengan panjang yang dibutuhkan.

Untuk menaikkan bumi hanya 1 cm, lengan tuas yang panjang harus menggambarkan busur yang sangat panjang. Diperlukan waktu jutaan tahun untuk menggerakkan ujung panjang tuas sepanjang jalur ini, misalnya dengan kecepatan 1 m/s!

Sebuah blok stasioner tidak memberikan keuntungan apa pun dalam pekerjaan, yang mudah diverifikasi secara eksperimental (lihat gambar). Jalur yang dilalui oleh titik penerapan gaya F Dan F, adalah sama, gaya-gayanya sama, dan oleh karena itu usahanya sama.

Anda dapat mengukur dan membandingkan usaha yang dilakukan dengan bantuan balok bergerak. Untuk mengangkat beban ke ketinggian h dengan menggunakan balok yang dapat digerakkan, ujung tali tempat dinamometer dipasang harus dipindahkan, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman (Gbr.), ke ketinggian 2 jam.

Dengan demikian, mendapatkan peningkatan kekuatan 2 kali lipat, mereka kehilangan 2 kali lipat dalam perjalanan, oleh karena itu, balok yang dapat dipindahkan tidak memberikan peningkatan usaha.

Praktek yang telah dilakukan selama berabad-abad telah menunjukkan hal itu Tak satu pun dari mekanisme tersebut memberikan peningkatan kinerja. Mereka menggunakan berbagai mekanisme untuk memenangkan kekuatan atau perjalanan, tergantung pada kondisi kerja.

Para ilmuwan kuno sudah mengetahui aturan yang berlaku untuk semua mekanisme: tidak peduli berapa kali kita menang dalam kekuatan, berapa kali kita kalah dalam jarak. Aturan ini disebut "aturan emas" mekanika.

Efisiensi mekanisme.

Saat mempertimbangkan desain dan fungsi tuas, kami tidak memperhitungkan gesekan dan berat tuas. dalam kondisi ideal ini, usaha yang dilakukan oleh gaya yang diberikan (kita sebut usaha ini penuh), adalah sama dengan berguna bekerja untuk mengangkat beban atau mengatasi hambatan apa pun.

Dalam prakteknya, usaha total yang dilakukan oleh suatu mekanisme selalu sedikit lebih besar daripada usaha yang berguna.

Sebagian usaha dilakukan melawan gaya gesek pada mekanisme dan dengan menggerakkan bagian-bagiannya. Jadi, bila menggunakan balok yang dapat digerakkan, harus dilakukan usaha tambahan untuk mengangkat balok itu sendiri, talinya dan menentukan gaya gesek pada sumbu balok.

Apapun mekanisme yang kita ambil, pekerjaan bermanfaat yang dilakukan dengan bantuannya selalu hanya merupakan sebagian dari keseluruhan pekerjaan. Artinya, dengan menyatakan pekerjaan yang berguna dengan huruf Ap, total (yang dikeluarkan) pekerjaan dengan huruf Az, kita dapat menulis:

Ke atas< Аз или Ап / Аз < 1.

Perbandingan kerja berguna dengan kerja total disebut efisiensi mekanisme.

Faktor efisiensi disingkat efisiensi.

Efisiensi = Ap / Az.

Efisiensi biasanya dinyatakan dalam persentase dan dilambangkan dengan huruf Yunani η, dibaca “eta”:

η = Ap / Az · 100%.

Contoh: Sebuah beban bermassa 100 kg digantungkan pada lengan pendek sebuah tuas. Untuk mengangkatnya, gaya sebesar 250 N diberikan pada lengan panjang. Beban dinaikkan hingga ketinggian h1 = 0,08 m, sedangkan titik penerapan gaya penggerak turun hingga ketinggian h2 = 0,4 m efisiensi tuas.

Mari kita tuliskan kondisi masalahnya dan selesaikan.

Diberikan :

Larutan :

η = Ap / Az · 100%.

Total (yang dikeluarkan) usaha Az = Fh2.

Pekerjaan yang berguna Ap = Рh1

P = 9,8 · 100 kg ≈ 1000 N.

Ap = 1000 N · 0,08 = 80 J.

Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.

η = 80 J/100 J 100% = 80%.

Menjawab : η = 80%.

Namun “aturan emas” juga berlaku dalam kasus ini. Bagian dari pekerjaan yang berguna - 20% - dihabiskan untuk mengatasi gesekan pada sumbu tuas dan hambatan udara, serta untuk menggerakkan tuas itu sendiri.

Efisiensi mekanisme apapun selalu kurang dari 100%. Saat merancang mekanisme, orang berupaya meningkatkan efisiensinya. Untuk mencapai hal ini, gesekan pada sumbu mekanisme dan bobotnya berkurang.

Energi.

Di pabrik dan pabrik, mesin dan mesin digerakkan oleh motor listrik, yang mengkonsumsi energi listrik (sesuai dengan namanya).

Energi kinetik - besaran fisika skalar yang sama dengan setengah hasil kali massa suatu benda dan kuadrat kecepatannya.

Untuk memahami energi kinetik suatu benda, perhatikan kasus ketika benda bermassa m di bawah pengaruh gaya konstan (F=const) bergerak lurus lurus dengan percepatan seragam (a=const). Mari kita tentukan usaha yang dilakukan oleh gaya yang diterapkan pada benda ketika modulus kecepatan benda tersebut berubah dari v1 ke v2.

Seperti kita ketahui, kerja gaya konstan dihitung dengan rumus. Karena dalam kasus yang kita bahas, arah gaya F dan perpindahan s bertepatan, maka , dan kita peroleh bahwa kerja gaya tersebut sama dengan A = Fs. Dengan menggunakan hukum kedua Newton, kita mencari gaya F=ma. Untuk gerak lurus beraturan dipercepat rumusnya berlaku:

Dari rumus ini kita menyatakan gerak benda:

Kami mengganti nilai F dan S yang ditemukan ke dalam rumus kerja, dan kami mendapatkan:

Dari rumus terakhir jelas bahwa kerja gaya yang diterapkan pada suatu benda ketika kecepatan benda tersebut berubah sama dengan selisih antara dua nilai yang besarannya tertentu. Dan kerja mekanis adalah ukuran perubahan energi. Oleh karena itu, di sisi kanan rumus adalah selisih antara dua nilai energi suatu benda. Artinya besaran mewakili energi akibat pergerakan benda. Energi ini disebut energi kinetik. Ini ditunjuk Wк.

Jika kita mengambil rumus usaha yang kita peroleh, maka kita akan mendapatkan

Usaha yang dilakukan oleh suatu gaya ketika kecepatan suatu benda berubah sama dengan perubahan energi kinetik benda tersebut

Ada juga:

Energi potensial:

Dalam rumus yang kami gunakan:

Energi kinetik

Massa tubuh

Kecepatan tubuh