Билет №11

1)Вес тела. Невесомость и перегрузки. Вес тела, движущегося с ускорением.

Основная задача механики – определить координату и скорость тела в любой момент времени по известным начальным координате и скорости. Основную задачу механики напрямую решает кинематика – раздел механики, изучающий способы описания движения. Но кинематика не отвечает на вопрос о причинах изменения характера движения (изменение направления, скорости тела). На эти вопросы отвечает динамика – раздел механики, изучающий взаимодействие тел.

Взаимодействие тел характеризуется силами. Сила – векторная физическая величина, характеризующая взаимодействие тел. [F] = 1 Н (Ньютон). Сил в природе великое множество, но все они относятся к четырём типам взаимодействия: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. Два последних – внутриядерные, к первому типу принадлежит только сила тяготения, а все остальные – электромагнитные.

Вес – сила, с которой тело действует на опору или подвес. Вес часто путают с силой тяжести и с массой. Разберём причины этой путаницы.

Рассмотрим рисунок 1: тело стоит на неподвижной подставке. На тело действуют силы тяжести и нормальной реакции опоры. Эти силы уравновешены и тело неподвижно (по второму закону Ньютона). Тело действует на подставку с силой P – вес. По третьему закону Ньютона вес должен быть равен силе реакции опоры (и быть равной с ней природы, т.е. электромагнитной).

Вес равен силе реакции опоры и одновременно силе тяжести. Этот случай чаще всего встречается в жизни, и если убрать g, то вес будет равен массе (как бы равен). Отсюда путаница: «сколько весит ёжик?» «1 килограмм» 

Е сли тело стоит на движущейся с ускорением направленным вниз подставке (рис. 2), то ситуация выглядит так:

В ес, как видим меньше силы тяжести, а при равенстве ускорения движения ускорению свободного падения и вообще вес будет равен 0 – невесомость. Невесомость достигается на орбитальном космическом корабле (он находится в состоянии свободного падения с ускорением g) или просто на машине, которая очень быстро движется по неровной поверхности. Она постоянно «взлетает» на кочках.

Если ускорение подставки направлено вверх, то вес становится больше силы тяжести – наступает перегрузка. Перегрузки испытывают лётчики и космонавты, при подъёме своих кораблей. Боковые перегрузки испытывают гонщики на поворотах.

2)Тепловой двигатель

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.

Принцип работы и устройство.

Для того, чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) черезT1.

В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T1 называют температурой нагревателя. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T2. Эта температура не может быть значительно ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура T2  несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника.

В двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику ( атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. При чем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплотыQ1 , совершает работу A'  и передает холодильнику количество теплоты  Q2  < Q1  .

КПД

Вопрос о наилучшем использовании тепловых процессов в практике возник еще в первой четверти XIX столетия. Сади Карно удалось установить условия наивыгоднейшего использования тепловых двигателей. Он показал, что КПД идеального теплового двигателя η может быть выражен формулой

  - КПД тепловых машин (последняя формула только для идеальных (машин Карно))

т.е. он всегда меньше единицы, но тем ближе приближается к ней, чем меньше дробь Q2/Q1 (или T2/T1).

Эта формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, КПД равен единице.