Работа силы тяги как найти

Работа силы тяги как найти

Что такое сила тяги

Сила тяги — сила, прикладываемая к телу для поддержания его в постоянном движении.

Действие силы тяги

Множество сил, действующих на движущийся объект, для упрощения вычислений делят на две группы: силу тяги и силы сопротивления.

Её прекращение

Когда действие силы тяги прекращается, движущееся тело замедляется и постепенно останавливается, так как на него воздействуют силы, мешающие продолжать двигаться, например, трение.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

1 закон Ньютона о действии

Согласно этому закону в формулировке самого Ньютона, любое тело остается в покое или равномерно движется по прямой, пока на него не воздействуют силы, заставляющие его изменить это состояние.

В современной физике в формулировку внесены уточнения:

  • закон применим только в системах отсчета, называемых инерциальными;
  • тело может вращаться на месте, не находясь под воздействием внешних сил, поэтому вместо термина «тело» следует использовать термин «материальная точка».

Чтобы переместить неподвижный предмет, на него должна воздействовать некая сила. Чтобы изменить скорость движения предмета, также необходимо воздействие силы, замедляющей его или ускоряющей. Так как предметы обладают разной массой и соответственно разной инертностью, силы, достаточные для эффективного воздействия, тоже будут различаться.

Состояние ускорения после воздействия силы тяги

Когда движение равномерное, сила тяги и сила трения совершают одинаковую работу, уравновешивая друг друга. Воздействие силы на тело в направлении движения придает ему ускорение. Если направить ту же силу в противоположном направлении, она замедлит движение тела, что можно назвать отрицательным ускорением.

Формулы для определения силы тяги

Согласно второму закону Ньютона, сумма сил, воздействующих на движущееся тело, равна массе (m), умноженной на ускорение (a). Универсальной формулы, подходящей для любого сочетания сил, не существует. Чаще всего силу тяги находят с помощью общей формулы( F_т-;F_{с}=m;times;a), где (F_т) — сила тяги, (F_{с}) — силы сопротивления.
При решении конкретной задачи силы, воздействующие на тело, схематически изображают в виде векторов. На схеме:

  • сила тяжести mg;
  • сила реакции опоры (N);
  • сила трения( F_{тр});
  • сила тяги (F). 

Сила тяги

 

При нахождении тела на горизонтальной поверхности сила тяжести и сила реакции опоры уравновесят друг друга. Но если транспортное средство движется в гору или под гору, придется учесть влияние уклона. Тогда формула может выглядеть так: (F_т-;F_с-;mg;times;sinalpha=m;times;a.)

Работа A, которую должна совершить сила тяги, сдвигая тело, связана с ней соотношением (A;=;F;times;s). (s) здесь — расстояние, на которое тело переместилось.

Какое условие должно соблюдаться

Сила тяги всегда должна быть больше противодействующих ей сил.

Формула через мощность

Полезную механическую мощность (N) можно вычислить по формуле (N=F_т;times;v), где (v) — скорость. Для определения силы тяги нужно разделить мощность на скорость: (F_т;=;frac N v.)

Измерение и обозначение силы тяги

Силу тяги обозначают (F_т) или (F). Единица измерения — ньютон ((Н)).
Для решения задач недостаточно измерить усилие, приложенное к объекту, и выразить его конкретным числом, так как сила обладает еще и направлением. Чтобы подчеркнуть, что сила — векторная величина, к буквенному обозначению добавляют стрелку.

Как определить силу тяги двигателя. Примеры решения задач

Задача 1

Автомобиль может разгоняться до 216 км/ч. Максимальная мощность двигателя равна 96 кВт. Определите максимальную силу тяги двигателя.

Решение

Переведем киловатты в ватты, а километры в час — в метры в секунду:

(96;times;1000=96000;Вт)

(frac{216times1000}{3600}=60frac мс)

(F_т;=;frac N v = frac{96000}{60} = 1600 Н)

Задача 2

Троллейбус весом 12 тонн за 5 секунд проезжает по горизонтальной дороге 10 метров. Сила трения равна 2,4 кН. Определите силу тяги, которую развивает двигатель.

Решение

Переведем тонны в килограммы, а килоньютоны в ньютоны:

(12;times;1000=12000;кг)

(2,4;times;1000=2400;Н)

(F_т-;F_{тр}=m;times;a), следовательно, (F_т=mtimes a;+;F_{тр})

Чтобы определить ускорение а, воспользуемся формулой (s;=;frac{at^2}2)

Подставив численные значения величин, получаем:

(a;=;frac{2s}{t^2}^{}=frac{20}{25};=;0,8)

(F_т=;12000times0,8;+;2400;=;12000;Н;=;12;кН)

Задача 3

Транспорт, весящий 4 тонны, едет в гору. Уклон — 1 метр на каждые 25 метров пути. (mu) — 0,1 от силы тяжести, (а = 0). Определите силу тяги.

Решение

Начертим схему:

Сила тяги векторы уклон

 

(mtimes g;+;N;+;F_{тр;}+;F_т;=;mtimes a)

Сделаем проекции на координатные оси:

(OX: -;mg;times;sinalpha;-;F_{тр;}+;F_т;=;0)

(OY: N;-;mg;times;cosalpha;=;0 => N;=;mg;times;cosalpha;)

(F_{тр};=;mu N;=;mu mg;times;cosalpha)

Подставим значение (F_{тр}) в уравнение (OX) и определим (F_т):

(-mg;times;sinalpha;-;mu)

(mg;times;cosalpha;+;F_т;=;0)

(=> F;=;mg;left(sinalpha;+;mu;times;cosalpharight))

Найдем синус и косинус (alpha), подставим их в общую формулу:

(sinalpha;=;frac hl;=;frac1{25})

(cosalpha;=;frac{sqrt{l^{2;}-;h^2}}l;)

(F;=;frac{4;times;10^{3;};times;9,8;timesleft(1;+;0,1;sqrt{l^{2;}-;h^2}right)}{25};=;5,5;times;10^3;Н;=;5,5;кН)

Источник
  • Авторы
  • Резюме
  • Файлы

ИВАНОВ Е.М.

Показано, что при действии на тело массы m силы F под любым углом при наличии трения и без него, будет совершена одна и та же работа A = F2t2 /(2m) .

Если на тело массы m , находящегося на гладкой горизонтальной поверхности, действует
постоянная сила F , направленная под некото­рым углом α к горизонту и при этом тело перемещается на некоторое расстояние S , то говорят, что сила F совершила работу A. Величину работы определяют по формуле [1,2,3]:

A = F × S cosα                                  (1)

Однако в природе идеально гладких поверх­ностей не бывает, и на поверхности контакта двух тел всегда возникают силы трения. Вот как об этом пишется в учебнике [1, Стр. 200]: «Рабо­та силы трения покоя равна нулю, поскольку пе­ремещение отсутствует. При скольжении твер­дых поверхностей сила трения направлена про­тив перемещения. Ее работа отрицательна. Вследствие этого кинетическая энергия трущих­ся тел превращается во внутреннюю – трущиеся поверхности нагреваются».

Автором данной статьи было просмотрено множество школьных и вузовских учебников и задачников, но работа против сил трения рас­сматривалась только применительно к равномерному движению:

АТР = FТР×S = μNS   (2)

где μ – коэффициент трения скольжения.

Только в учебнике О.Д. Хвольсона [3, стр. 92] рассмотрен случай УСКОРЕННОГО ДВИ­ЖЕНИЯ при наличии сил трения: «Итак, следует отличать два случая производства работы: в пер­вом сущность работы заключается в преодолевании внешнего сопротивления движению, которое совершается без увеличения скорости движения тела; во втором – работа обнаруживается увели­чением скорости движения, к которому внешний мир относится индифферентно.

На деле мы обыкновенно имеем СОЕДИНЕ­НИЕ ОБОИХ СЛУЧАЕВ: сила  f  преодолевает какие-либо сопротивления и в то же время меня­ет скорость движения тела.

Положим, что f‘ не равно f , а именно, что f‘< f . В таком случае на тело действует сила
f – f‘, работа ρ которой вызывает увеличе­ние скорости тела. Мы имеем ρ =(f – f‘)S ,
откуда

fS = f‘S + ρ                       (*)

Работа   r = fS   состоит из двух  частей: f ‘S  тратится на преодолевание внешнего со­противления, ρ на увеличение скорости тела».

Представим это в современной интерпрета­ции (рис. 1). На тело массы m действует сила тяги FT, которая больше силы трения FTP = μN = μmg. Работу силы тяги в соответствии с формулой (*) можно записать так

A=FT S =FTPS +FaS = ATP + Aa      (3)

где Fa =FT – FTP – сила, вызывающая ускоренное движение тела в соответствии со II зако­ном Ньютона: Fa = ma . Работа силы трения отрицательна, но здесь и далее мы будем исполь­зовать силу трения и работу трения по модулю. Для дальнейших рассуждений необходим чис­ленный анализ. Примем следующие данные: m =10 кг; g =10 м/с2; FT =100 Н; μ = 0,5; t =10 с. Проводим следующие вы­числения: FTP = μmg = 50 Н; Fa = 50 Н; a=Fa /m=5     м/с2;     V = at = 50     м/с; K = mV2 /2 =12,5  кДж; S = at2 /2 = 250 м;   Aa = FaS =12,5 кДж; ATP =FTP S=12,5 kДж. Таким образом суммарная работа A = ATP + Aa =12,5 +12,5 = 25 кДж

А теперь рассчитаем работу силы тяги FT для случая, когда трение отсутствует ( μ =0 ).

Проводя аналогичные вычисления, получаем: a =10 м/с2; V =100м/с; K = 50 кДж; S = 500 м; A = 50 кДж. В последнем случае за те же 10 с мы получили работу в два раза больше. Могут возразить, что и путь в два раза больше. Однако, что бы ни говорили, получается парадоксальная ситуация: мощности, развивае­мой одной и той же силой, отличаются в два раза, хотя импульсы сил одинаковы I =FTt =1 кН•с. Как писал М.В. Ломоносов еще в 1748 г.: «…но все изменения, совершающиеся в природе, происходят таким образом, что сколько к чему прибавилось столько же отнимется у другого…». Поэтому попробуем получить другое выражение для определения работы.

Запишем II закон Ньютона в дифференци­альной форме:

F• dt = d(mV )                                   (4)

и рассмотрим задачу о разгоне первоначаль­но неподвижного тела (трение отсутствует). Ин­тегрируя (4), получим: F ×t = mV . Возведя в квадрат и разделив на 2m обе части равенства, получим:

F2t2 / 2m =  mV 2 / 2       A= K           (5)

Таким образом, получили другое выражение для вычисления работы

A = F2t2 / 2m   = I2 / 2m     (6)

где I = F × t – импульс силы. Это выражение не связано с путем S, пройденным телом за время t, т.е. оно может быть использовано для вычис­ления работы, совершаемой импульсом силы и в том случае, если тело остается неподвижным, хотя, как утверждают во всех курсах физики, в этом случае никакой работы не совершается.

Переходя к нашей  задаче об  ускоренном движении с трением, запишем сумму импульсов сил:  IT = Ia + ITP, где IT = FTt; I a  = F at ;  ITP = FTPt. Возведя в квадрат сумму импуль­сов, получим:

FT2 t2 = Fa 2 t2 + 2Fa FTPt2 + FTP2 t 2

Разделив все члены равенства на 2m , полу­чим:

f(7)

или A= Aa + AУТ + ATP

где Aa=F a2t 2 / 2m– работа, затрачиваемая ускорение; ATP = FTP 2 t 2 /2m – работа, затрачиваемая на преодоление силы трения при равно­мерном движении, а AУT =FaFTPt2/m– ра­бота, затрачиваемая на преодоление силы трения при ускоренном движении. Численный расчет дает следующий  результат:

A = Aa + AУт + ATP = 12,5 + 25 +12,5 = 50 кДж,

т.е. мы получили ту же самую величину работы, которую совершает сила FT  при отсут­ствии трения.

Рассмотрим более общий случай движения тела с трением, когда на тело действует сила F, направленная под углом α к горизонту (рис. 2). Теперь сила тяги FT = F cos α, а силу FЛ=F sin α – назовем силой левитации, она уменьшает силу тяжести  P = mg, а в случае FЛ = mg тело не будет оказывать давления на опору, будет находиться в квазиневесомом состоянии   (состоянии   левитации).   Сила трения FTP   =  μ N  =  μ(P  –  FЛ). Силу тяги  можно записать в виде FT=Fa+FTP, а из прямо­угольного треугольника (рис. 2) получим: F2 =FТ2 +FЛ2. Умножая последнее соотно­шение на t2 , получим баланс импульсов сил, а разделив на 2m, получим баланс энергий (ра­бот):

F

Приведем численный расчет  для силы F = 100 Н и α = 30o при тех же условиях (m = 10 кг;  μ = 0,5; t = 10 с). Работа силы F будет равна A = F2t2 /2m = 50 , а формула (8) дает следующий результат (с точностью до третьего знака после запятой):

50=15,625+18,974-15,4-12,5+30,8+12,5 кДж.

Как показывают расчеты, сила F = 100 Н, действуя на тело массы m = 10 кг под любым углом α за 10 с совершает одну и ту же работу 50 кДж.

Последний член в формуле (8) представляет собой работу силы трения при равномерном движении тела по горизонтальной поверхности со скоростью V

f

Таким образом, под каким бы углом не дей­ствовала данная сила F на данное тело массы m , при наличии трения или без него, за время t  будет совершена одна и та же работа (даже если тело неподвижно):

f

p

Рис.1

p

Рис.2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ              

  1. Матвеев А.Н. механика и теория относительности. Учеб.пособие для физ.спец.вузов. -М.: Высш.шк., 1986.       
  2. Стрелков  СП.   Механика.   Общий  курс физики. Т. 1. – М.: ГИТТЛ, 1956.
  3. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т. 1. РСФСР Госуд.Изд-во, Берлин, 1923.

Библиографическая ссылка

ИВАНОВ Е.М. РАБОТА ПРИ ДВИЖЕНИИ ТЕЛ С ТРЕНИЕМ // Современные проблемы науки и образования. – 2005. – № 2.
;

URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=1468 (дата обращения: 24.05.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

Источник

Механическая работа

О чем эта статья:

Для нас привычно понятие «работа» в бытовом смысле. Работая, мы совершаем какое-либо действие, чаще всего полезное. В физике (если точнее, то в механике) термин «работа» показывает, какую силу в результате действия приложили, и на какое расстояние тело в результате действия этой силы переместилось.

Например, нам нужно поднять велосипед по лестнице в квартиру. Тогда работа будет определяться тем, сколько весит велосипед и на каком этаже (на какой высоте) находится квартира.

Механическая работа — это физическая величина, прямо пропорциональная приложенной к телу силе и пройденному телом пути.

Чтобы рассчитать работу, нам необходимо умножить численное значение приложенной к телу силы F на путь, пройденный телом в направлении действия силы S. Работа обозначается латинской буквой А.

Механическая работа

А = FS

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

S — путь [м]

Если под действием силы в 1 ньютон тело переместилось на 1 метр, то данной силой совершена работа в 1 джоуль.

Поскольку сила и путь — векторные величины, в случае наличия между ними угла формула принимает вид.

Механическая работа

А = FScosα

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

S — путь [м]

α — угол между векторами силы и перемещения []

Числовое значение работы может становиться отрицательным, если вектор силы противоположен вектору скорости. Иными словами, сила может не только придавать телу скорость для совершения движения, но и препятствовать уже совершаемому перемещению. В таком случае сила называется противодействующей.

Для совершения работы необходимы два условия:

  • чтобы на тело действовала сила,
  • чтобы происходило перемещение тела.

Сила, действующая на тело, может и не совершать работу. Например, если кто-то безуспешно пытается сдвинуть с места тяжелый шкаф. Сила, с которой человек действует на шкаф, не совершает работу, поскольку перемещение шкафа равно нулю.

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Полезная и затраченная работа

Был такой мифологический персонаж у древних греков — Сизиф. За то, что он обманул богов, те приговорили его после смерти вечно таскать огромный булыжник вверх по горе, откуда этот булыжник скатывался — и так без конца. В общем, Сизиф делал совершенно бесполезное дело с нулевым КПД. Поэтому бесполезную работу и называют «сизифов труд».

Чтобы разобраться в понятиях полезной и затраченной работы, давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень больше не скатывается с горы, а КПД перестал быть нулевым.

Полезная работа в этом случае равна потенциальной энергии, приобретенной булыжником. Потенциальная энергия, в свою очередь, прямо пропорциональна высоте: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. Выходит, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше полезная работа.

Потенциальная энергия

Еп = mgh

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

h — высота [м]

На планете Земля g ≈ 9,8 м/с 2

Затраченная работа в нашем примере — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.

Механическая работа

А = FS

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

S — путь [м]

И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная?

Все очень просто! Задаем два вопроса:

  1. За счет чего происходит процесс?
  2. Ради какого результата?

В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы).

Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.

Мощность

На заводах по всему миру большинство задач выполняют машины. Например, если нам нужно закрыть крышечками тысячу банок колы, аппарат сделает это в считанные минуты. У человека эта задача заняла бы намного больше времени. Получается, что машина и человек выполняют одинаковую работу за разные промежутки времени. Для того, чтобы описать скорость выполнения работы, нам потребуется понятие мощности.

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

Мощность

N = A/t

N — мощность [Вт]

A — механическая работа [Дж]

t — время [с]

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

Также для мощности справедлива другая формула:

Мощность

N = Fv

N — мощность [Вт]

F — приложенная сила [Н]

v — скорость [м/с]

Как и для работы, для мощности справедливо правило знаков: если векторы направлены противоположно, значение мощности будет отрицательным.

Поскольку сила и скорость — векторные величины, в случае наличия между ними угла формула принимает следующий вид:

Мощность

N = Fvcosα

N — мощность [Вт]

F — приложенная сила [Н]

v — скорость [м/с]

α — угол между векторами силы и скорости []

Примеры решения задач

Задача 1

Ложка медленно тонет в большой банке меда. На нее действуют сила тяжести, сила вязкого трения и выталкивающая сила. Какая из этих сил при движении тела совершает положительную работу? Выберите правильный ответ:

  1. Выталкивающая сила.
  2. Сила вязкого трения.
  3. Сила тяжести.
  4. Ни одна из перечисленных сил.

Решение

Поскольку ложка падает вниз, перемещение направлено вниз. В ту же сторону, что и перемещение, направлена только сила тяжести. Это значит, что она совершает положительную работу.

Ответ: 3.

Задача 2

Ящик тянут по земле за веревку по горизонтальной окружности длиной L = 40 м с постоянной по модулю скоростью. Модуль силы трения, действующей на ящик со стороны земли, равен 80 H. Чему равна работа силы тяги за один оборот?

Решение

Поскольку ящик тянут с постоянной по модулю скоростью, его кинетическая энергия не меняется. Вся энергия, которая расходуется на работу силы трения, должна поступать в систему за счет работы силы тяги. Отсюда находим работу силы тяги за один оборот:

Ответ: 3200 Дж.

Задача 3

Тело массой 2 кг под действием силы F перемещается вверх по наклонной плоскости на расстояние l = 5 м. Расстояние тела от поверхности Земли при этом увеличивается на 3 метра. Вектор силы F направлен параллельно наклонной плоскости, модуль силы F равен 30 Н. Какую работу при этом перемещении в системе отсчета, связанной с наклонной плоскостью, совершила сила F?

Решение

В данном случае нас просят найти работу силы F, совершенную при перемещении тела по наклонной плоскости. Это значит, что нас интересуют сила F и пройденный путь. Если бы нас спрашивали про работу силы тяжести, мы бы считали через силу тяжести и высоту.

Работа силы определяется как скалярное произведение вектора силы и вектора перемещения тела. Следовательно:

A = Fl = 30 * 5 = 150 Дж

Ответ: 150 Дж.

Задача 4

Тело движется вдоль оси ОХ под действием силы F = 2 Н, направленной вдоль этой оси. На рисунке приведен график зависимости проекции скорости v x тела на эту ось от времени t. Какую мощность развивает эта сила в момент времени t = 3 с?

Решение

На графике видно, что проекция скорости тела в момент времени 3 секунды равна 5 м/с.

Мощность можно найти по формуле N = Fv.

N = FV = 2×5 = 10 Вт

Ответ: 10 Вт.

Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!

Работа сила тяги в окружности

Ящик тянут по земле за веревку по горизонтальной окружности длиной с постоянной по модулю скоростью. Работа силы тяги за один оборот по окружности Чему равен модуль силы трения, действующей на ящик со стороны земли? (Ответ дайте в ньютонах.)

Поскольку ящик тянут с постоянной по модулю скоростью, его кинетическая энергия не меняется. Вся энергия, которая поступает в систему за счет работы силы тяги, расходуется на работу силы трения. Отсюда находим модуль силы трения:

Если мы имеем движение по окружности, то не будет то самое S из A=F*S, равно два пи эль?

— это уже сразу длина окружности, а не ее радиус, так что никаких дополнительных множителей не нужно.

Работа выполнятся по перемещению. Мы из 1 точки по окружности вернулись в другую. Почему работа не 0?

Потому что сила трения — неконсервативная.

Ящик тянут по земле за веревку по горизонтальной окружности длиной с постоянной по модулю скоростью. Работа силы тяги за один оборот по окружности Чему равен модуль силы трения, действующей на ящик со стороны земли? (Ответ дайте в ньютонах.)

Поскольку ящик тянут с постоянной по модулю скоростью, его кинетическая энергия не меняется. Вся энергия, которая поступает в систему за счет работы силы тяги, расходуется на работу силы трения. Отсюда находим модуль силы трения:

Ящик тянут по земле за веревку по горизонтальной окружности длиной с постоянной по модулю скоростью. Модуль силы трения, действующей на ящик со стороны земли равен 80 H. Чему равна работа силы тяги за один оборот? (Ответ дайте в килоджоулях.)

Поскольку ящик тянут с постоянной по модулю скоростью, его кинетическая энергия не меняется. Вся энергия, которая расходуется на работу силы трения, должна поступать в систему за счет работы силы тяги. Отсюда находим работу силы тяги за один оборот:

Формула работы А = FScos(a). Перемещение за оборот равно нулю, работа, соответственно, тоже нуль. Где я ошибаюсь?

Ошибка в том, что приведённая формула справедлива только для прямолинейного движения, а в задаче тело движется по окружности.

В общем случае работа равна интегралу произведения вектора силы на вектор элементарного перемещения. Поскольку в нашей задаче сила постоянна, она выносится за знак интеграла, численное значение которого равно длине окружности. Отсюда A = FL, что совпадает с ранее полученным результатом.

При движении тела по замкнутой траектории работа силы тяжести равна нулю, это ясно. Здесь движение НЕ прямолинейное, как вы объяснили.

Приведите, пожалуйста, пример в сравнении с этим, где движение тела является прямолинейным и А=0.

1) Пусть ящик протащили по горизонтальному участку прямой дороги. Работа силы тяжести, действующей на ящик, равна нулю, так как вектор перемещения и вектор силы перпендикулярны. В этом же примере: работа силы реакции, действующей на ящик со стороны горизонтальной поверхности, также равна нулю (по аналогичной причине).

2) Второй пример: тут не прямолинейное перемещение, но тоже хороший пример. Рассмотрим обычный математический маятник. На подвешенный груз со стороны нитки действует сила, но эта сила не совершает никакой работы, так как скорость тела всегда перпендикулярна нити (в этой задаче траектория не прямолинейная, поэтому вновь можно говорить только элементарной работе на элементарном перемещении).

Доброй ночи и огромное спасибо:)

Ящик тянут по земле за веревку по горизонтальной окружности длиной с постоянной по модулю скоростью. Модуль силы трения, действующей на ящик со стороны земли равен 50 Н. Чему равна работа силы тяги за один оборот? (Ответ дайте в килоджоулях.)

Поскольку ящик тянут с постоянной по модулю скоростью, его кинетическая энергия не меняется. Вся энергия, которая расходуется на работу силы трения, должна поступать в систему за счет работы силы тяги. Отсюда находим работу силы тяги за один оборот:

А чему равна работа всех сил? нулю?

Все верно, работа всех сил равна в данном случае нулю.

Есть такая замечательная теорема: “Работа всех сил над некоторой материальной точкой равна изменению его кинетической энергии”. Кинетическая энергия не изменяется, поэтому работа всех сил равна нулю.

Работа определяется как произведение силы на перемещение тела. В решении учитывался путь, а не перемещение, отсюда и неверный ответ. Так как перемещение равно нулю, то и работа равна нулю.

Работа силы трения зависит от пути, по которому перемещали ящик, в отличии от консервативных сил, для которых работа зависит только от перемещения.

Почему ответ не 0? Ведь перемещение тела равно 0, так как движение происходит по окружности, и тело вернётся в туже точку откуда начинала движение.

Сила трения является неконсервативной силой, для неё не выполняется правило «нулевой работы при нулевом перемещении». Работа силы трения зависит от траектории.

Простите, а можно источник информации об “неконсервативной силе”, все мои поиски приводили к той же формуле с использованием именно перемещения, а не пути.

Д. В. Сивухин. Общий курс физики. § 24, п. 5

Тело массой 2 кг под действием силы F перемещается вверх по наклонной плоскости на расстояние расстояние тела от поверхности Земли при этом увеличивается на Вектор силы F направлен параллельно наклонной плоскости, модуль силы F равен 30 Н. Какую работу при этом перемещении в системе отсчета, связанной с наклонной плоскостью, совершила сила F? (Ответ дайте в джоулях.) Ускорение свободного падения примите равным коэффициент трения

Работа силы определяется как скалярное произведение вектора силы и вектора перемещения тела. Следовательно, сила F при подъеме тела вверх по наклонной плоскости совершила работу

Что такое сила тяги и по какой формуле её находить ?

Разберёмся в вопросе, что такое сила тяги. Как следует из самого названия – это сила, которую необходимо прикладывать к телу, чтобы оно находилось в состоянии постоянного движения.

Если её убрать, то тело, будь то автомобиль, электровоз, космическая ракета или санки, со временем остановится. Это произойдёт потому, что на тело всегда действуют силы, которые заставляют его стремиться к состоянию покоя:

  • силы трения (покоя, качения, скольжения),
  • сопротивления воздуха (газа),
  • сопротивления воды и др.

Первый и второй законы Ньютона

Обратимся к законам Ньютона, которые хорошо описывают механическое движение тел. Из школьной программы мы знаем, что есть первый закон Ньютона, который описывает закон инерции. Он гласит, что любое тело, если на него не действуют силы, или если их равнодействующая равна нулю, движется прямолинейно и равномерно, или же находится в состоянии покоя. Это означает, что тело, пока на него ничто не действует, будет двигаться с постоянной скоростью v=const или пребывать в состоянии покоя сколько угодно долго, пока какое-то внешнее воздействие не выведет тело из этого состояния. Это и есть движение по инерции.

Надо сказать, что этот закон справедлив лишь в так называемых инерциальных системах отсчёта. В неинерциальных системах отсчёта этот закон не действует и нужно использовать второй закон Ньютона. В таких системах отсчёта тело тоже будет двигаться по инерции, но оно будет двигаться с ускорением, стремясь сохранять своё движение, т.е. на него также не будут действовать никакие внешние силы, кроме силы инерции, стремящейся двигать тело в том направлении, в каком оно двигалось до воздействия. Тут мы приходим к рассмотрению второго закона Ньютона, который также справедлив в инерциальных системах отсчёта, т. е. в таких системах отсчёта, в которых тело движется с постоянной скоростью либо находится в покое.

Этот закон утверждает, что для того, чтобы вывести тело из состояния покоя или равномерного движения, к нему необходимо приложить силу, равную F=m•a, где m — это масса тела, a — ускорение, сообщаемое телу. Зная эти законы, можно рассчитать силу тяги (двигателя автомобиля, ракетного двигателя или, например, лошади, тянущей нагруженную повозку).

Примеры из жизни

Насколько вы сильны?

Рассмотрим простейший пример. Ваш ребёнок сел на санки и просит вас его покатать. С какой силой вам нужно тянуть эти санки, чтобы ребёнок остался доволен быстрой ездой ? Пока санки с ребёнком остаются в состоянии покоя, все силы, действующие на них, уравновешены. Состояние покоя — это частный случай инерции. Здесь на санки действуют две силы: тяжести Fт = m•g, направленная вертикально вниз, и нормального давления N, направленная вертикально вверх. Поскольку санки не движутся, то N – m•g = 0. Тогда из этого равенства следует, что N = m•g.

Когда вы решили покатать своего ребёнка, вы прикладываете силу тяги (Fтяги) к санкам с ребёнком. Когда вы начинаете тянуть санки, возникает сопротивление движению, вызванное силой трения (Fтр.), направленной в противоположную сторону. Это так называемая сила трения покоя. Когда тело не движется, она равна нулю. Стоит потянуть за санки — и появляется сила трения покоя, которая меняется от нуля до некоторого максимального значения (Fтр. max). Как только Fтяги превысит Fтр.max, санки с ребёнком придут в движение.

Чтобы найти Fтяги, применим второй закон Ньютона: Fтяги – Fтр.max = m•a, где a – ускорение, с которым вы тянете санки, m – масса санок с ребёнком. Допустим, вы разогнали санки до определённой скорости, которая не изменяется. Тогда a = 0 и вышеприведённое уравнение запишется в виде: Fтяги – Fтр. max = 0, или Fтяги = Fтр.max. Есть известный закон из физики, который устанавливает определённую зависимость для Fтр.max и N. Эта зависимость имеет вид: Fтр.max = fmax • N, где fmax – максимальный коэффициент трения покоя.

Если в эту формулу подставить выражение для N, то мы получим Fтр.max = fmax•m•g. Тогда формула искомой силы тяги примет вид: Fтяги = fmax•m•g = fск•m•g, где fск = fmax – коэффициент трения скольжения, g – ускорение свободного падения. Допустим, fск = 0,7, m = 30 кг, g = 9,81 м/с², тогда Fтяги = 0,7 • 30 кг • 9,81 м/с² = 206,01 Н (Ньютона).

Насколько силён ваш автомобиль?

Рассмотрим ещё пример. У вас есть автомобиль, мощность двигателя которого N. вы едете со скоростью v. Как в этом случае узнать силу тяги двигателя вашего автомобиля ? Поскольку скорость автомобиля не меняется, то Fтяги уравновешена силами трения качения, лобового сопротивления, трения в подшипниках и т. д. (первый закон Ньютона). По второму закону Ньютона она будет равна Fтяги = m•a. Чтобы её вычислить, достаточно знать массу автомобиля m и ускорение a.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v за какое-то время t, проехав расстояние s. Тогда Fтяги будет легко рассчитана по формуле: Fтяги = m•v/t. Как и в примере с санками, справедлива также такая формула: Fтяги = f•m•g, где f – коэффициент трения качения, который зависит от скорости автомобиля (чем больше скорость, тем меньше этот коэффициент).

Но что делать, если масса автомобиля m, коэффициент трения качения f и время разгона t неизвестны ? Тогда можно поступить по-другому. Двигатель вашего автомобиля при разгоне совершил работу A = Fтяги • s. Поскольку формула расстояния имеет вид s = v•t, то выражение для работы будет таким: A = Fтяги • v • t. Разделив обе части этого равенства на t, получим A/t = Fтяги • v. Но A/t = N – это мощность двигателя вашего автомобиля, поэтому N = Fтяги • v. Отсюда уже получим искомую формулу: Fтяги =N/v.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v = 180 км/ч, а мощность его двигателя N = 200 л. с. (лошадиных сил). Чтобы вычислить Fтяги двигателя, необходимо прежде перевести указанные единицы измерения в единицы СИ, т. е. международной системы измерения. Здесь 1 л. с. = 735,499 Вт, поэтому мощность двигателя составит N = 200 л. с. • 735,499 Вт/л. с. = 147099,8 Вт. Скорость в системе СИ будет равна v = 180 км/ч = 180 • 1000 м/3600 с = 50 м/с. Тогда искомое значение будет равно Fтяги = 147099,8 Вт/50 (м/с) = 2941,996 Н

2,94 кН (килоньютона).

Около 3 килоньютонов. Много это или мало ? Допустим, вы жмёте 100 килограммовую штангу. Чтобы её поднять, вам нужно преодолеть её вес, равный P = m•g = 100 кг • 9,81 м/с² = 981 Н (ньютон)

0,98 кН. Полученное для автомобиля значение Fтяги больше веса штанги в 2,94/0,98 = 3 раза. Это равносильно тому, что вы будете поднимать штангу массой в 300 кг. Такова сила тяги двигателя вашего автомобиля (на скорости 180 км/ч).

Таким образом, зная школьный курс физики, мы можем с лёгкостью вычислить силу тяги:

  • человека,
  • лошади,
  • паровоза,
  • автомобиля,
  • космической ракеты и всех прочих видов техники.

В нашем видео вы найдете интересные опыты, поясняющие, что такое сила тяги и сила сопростивления.

[spoiler title=”источники:”]

http://phys-ege.sdamgia.ru/test?theme=218

http://liveposts.ru/articles/education-articles/fizika/chto-takoe-sila-tyagi-i-po-kakoj-formule-eyo-nahodit

[/spoiler]

Источник

Содержание:

  • Определение и формула силы тяги
  • Единицы измерения силы тяги
  • Примеры решения задач

В том случае, если тело при перемещении имеет ускорение, то на него кроме всех прочих обязательно действует некоторая сила, которая является
силой тяги в рассматриваемый момент времени. В действительности, если тело движется прямолинейно и с постоянной скоростью, то сила тяги также
действует, так как тело должно преодолевать силы сопротивления. Обычно силу тяги находят, рассматривая силы, действующие на тело, находя
равнодействующую и применяя второй закон Ньютона. Жестко определенной формулы для силы тяги не существует.

Не следует считать, что сила тяги, например, транспортного средства действует со стороны двигателя, так как внутренние силы не могут менять
скорость системы как единого целого, что входило бы в противоречие с законом сохранения импульса. Однако следует отметить, что для получения у
силы трения покоя необходимого направления, мотор вращает колеса, колеса «цепляются за дорогу» и порождается сила тяги. Теоретически было бы
возможно не использовать понятие «сила тяги», а говорить о силе трения покоя или силе реакции воздуха. Но удобнее внешние силы, которые действуют
на транспорт делить на две части, при этом одни силы называть силами тяги
$(/bar{F}_T)$, а другие – силами сопротивления
$bar{F}_S$ . Это делается для того,
чтобы уравнения движения не потеряли свой универсальный вид и полезная механическая мощность (P) имела простое выражение:

$$P=bar{F}_{T} bar{v}(1)$$

Определение и формула силы тяги

Определение

Исходя из формулы (1) силу тяги можно определить через полезную мощность, и скорость транспортного средства (v):

$$F_{T}=frac{P}{v}(2)$$

Для автомобиля, поднимающегося в горку, которая имеет уклон
, масса автомобиля m сила тяги (FT) войдет в уравнение:

$$F_{T}-F_{s}-m g sin alpha=m a(3)$$

где a – ускорение, с которым движется автомобиль.

Единицы измерения силы тяги

Основной единицей измерения силы в системе СИ является: [FT]=Н

В СГС: [FT]=дин

Примеры решения задач

Пример

Задание. На автомобиль имеющий массу 1 т при его движении по горизонтальной поверхности, действует сила трения,
которая равна $mu$=0,1 от силы тяжести.
Какой будет сила тяги, если автомобиль движется с ускорением 2 м/с?

Решение. Сделаем рисунок.

В качестве основы для решения задачи используем второй закон Ньютона:

$$bar{N}+m bar{g}+bar{F}_{t r}+bar{F}_{T}=m bar{a}(1.1)$$

Спроектируем уравнение (1.1) на оси X и Y:

$$
begin{array}{c}
X: F_{T}-F_{t r}=m a(1.2) \
Y: m g=N(1.3)
end{array}
$$

По условию задачи:

$$
F_{t r}=mu cdot m g (1.4)
$$

Подставим правую часть выражения (1.4) вместо силы трения в (1.2), получим:

$$F_{T}=m a+mu cdot m g$$

Переведем массу в систему СИ m=1т=103 кг, проведем вычисления:

$$F_{T}=10^{3}(2+0,1 cdot 9,8)=2,98 cdot 10^{3}(H)$$

Ответ. FT=2,98 кН

236

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Пример

Задание. На гладкой горизонтальной поверхности лежит доска массой M. На доске находится тело массы m.
Коэффициент трения тела о доску равен $mu$ . К доске
приложена сила горизонтальная сила тяги, которая зависит от времени как: F=At (где A=const). В какой момент
времени доска начнет выскальзывать из-под тела?

Решение. Сделаем рисунок.

Для решения задачи нам потребуются проекции сил на осиX и Y, которые отличны от нуля. Для тела массы m:

$$
begin{array}{c}
X: m a_{1}=F_{t r}(2.1) \
Y: m g=N(2.2) \
F_{t r}=mu N=mu m g rightarrow m a_{1}=mu m g rightarrow a_{1}=mu g(2.3)
end{array}
$$

Для тела массы M:

$$M a_{2}=F-F_{t r} rightarrow M a_{2}=A t-F_{t r} rightarrow a_{2}=frac{A t-F_{t r}}{M}(2.2)$$

Обозначим момент времени, в который доска начнет выскальзывать из-под тела t0, тогда

$$mu g=frac{A t_{0}-mu m g}{M} rightarrow t_{0}=frac{m+M}{A} mu g$$

Ответ. $t_{0}=frac{m+M}{A} mu g$

Читать дальше: Формула силы упругости.

Источник

Основное понятие силы тяги в физике

Определение 1

Сила тяги — это показатель силы, которую прикладывают к некоторому телу.

Она служит для обеспечения нахождения данного тела в состоянии равновесия.

Когда сила тяги прекращает свое действие — это может привести к следующим последствиям:

  • остановка, которая связана с силой трения;
  • состояние вязкости окружающей среды;
  • множество других сопутствующих факторов и сил.

Для тела, на которое оказывает свое воздействие сила тяги, характерно постоянное движение. И обозначается следующим значение, а именно: [(v=operatorname{cons} t)]

Особым, частным случаем данного движения является состояние покоя.

При котором, скорость равна нулевому значению.

Определение 2

Состояние инерции — характер движения, при котором соблюдается постоянная скорость движения тела.

Чтобы тело поменяло свое состояние, и изменило скорость своего движения, необходимо приложить к нему силу тяги. При данных условиях скорость тела будет изменяться, причиной этого является получаемое ускорение. Также ускорение может быть отрицательным, в таком случае будет наблюдаться замедление скорости.

Показатель величины ускорения по закону физики обратно пропорционален массе тела.

Из состояния инерции труднее всего вывести тело более массивное и тяжелое.

Также величина ускорения прямо пропорциональна значению интенсивности силы, которая оказывает воздействие на тело.

Данное утверждение можно преобразовать и вывести в виде формулы:

Формула

[mathrm{F}=mathrm{m} cdot mathrm{a}]

Где: F — сила тяги, m — масса тела, которая оказывает воздействие на тело, a — ускорение.

Данная формула наглядно характеризует второй закон Ньютона.

Основные формулы для расчета силы тяги

Наглядно силу тяги можно рассмотреть на примере спортсмена штангиста.  

Именно на данном примере можно подробно понять, как приложенная сила, может вывести тело из состояния равновесия.

Распишем все операции, выполняемые спортсменам поэтапно:

  1. первоначально штанга находится в состоянии инерции, иными словами имеет состояние покоя;
  2. при отрыве от поверхности земли штанги, все мышцы спортсмена имеют способность сокращаться, с силой которая не превышает вес самой штанги (иначе это звучит как: величина силы с которой ее к себе притягивает гравитация Земли);
  3. при отрыве от пола, штанги на определенную высоту, происходит процесс ускорения;

Силой тяги для снаряда, который осуществляет движение будет являться величина силы с которой сокращаются мышцы спортсмена.

Для данного случая, обязательно должно соблюдаться следующее условие:

[F_{M}>F_{T} text {. то есть } F_{M}>m times g]

Где:

  •  [F_{m}] — сила, с которой происходит сокращение мышечной массы (сила тяги для данного случая);
  • [F_{т}] сила тяжести или гравитационная;
  •  m —  масса, которая оказывает воздействие на тело;
  •  g — показатель ускорение свободного падения.

Характер движения тела по инерции всегда нужно уметь отличать от движения, которое совершается равномерно. Следовательно, в случае, когда сила тяги имеет способность уравновешиваться сторонними силами (противодействующими).

Например:

Автомобиль совершает движение и его двигатель находится в состоянии работы. Работающий двигатель придает силу на колеса, через трансмиссию, проделывая следующие операции:  

  • преодолевает силу трения, которая возникает внутри всего механизма;
  • сопротивление воздуха;
  • процесс трения колес о любую поверхность.

Для определения силы тяги, необходимо знать следующие данные:

  •  t — время, за которое происходит разгон транспортного средства;
  • [v] — необходимая скорость;
  • m — непосредственная масса автомобиля.

Сила определяется по формуле:

[F=m times frac{V}{t}]

Из формулы видно, что ускорение выражено как: деление скорости на время разгона транспортного средства:

[a=frac{V}{t}]

Через мощность можно выразить силу.

Определение 3

Мощность — это совершенная работа, любым источником энергии.

Если высокая мощность, то следует что, время за которое источник развивает силу будет уменьшаться.  А именно: способность разогнать тело определенной массы равной m до необходимой величины скорости движения.

Значение совершаемой работы прямо пропорционально силе и вычисляется по формуле:

[A=F times s]

Где: S — расстояние, на которое при помощи силы, перемещается тело;

Расстояние можно определить по формуле, выразив его через скорость тела и время движения:

[s=v cdot t]

Затем определяется мощность, которая должна выполнять в единицу времени и выражается следующей формулой:

[mathrm{N}=frac{d}{t}]

Окончательное уравнение выражает так:

[frac{A}{t}=frac{F cdot V cdot t}{t} Rightarrow N=F cdot V Rightarrow F=frac{N}{V}]

Нет времени решать самому?

Наши эксперты помогут!

Пример решения задачи на определение силы тяги

Нужно определить показатель силы тяги транспортного средства. Оно движется с ускорением равным a. Масса автомобиля равна 1,5 тонны и сила трения составляет 10 процентов от всей силы тяжести.

Сила тяги будет определяться как сумма двух основных сил:

  • Автомобиль, который разгоняется с заданным значением ускорения: [F_{1}=m cdot a]

Где: m — масса автомобиля, a —  показатель ускорения.

  • Преодоление силы трения:

[F_{2}=mu cdot m cdot g]

Где: [mu] —  коэффициент, который характеризует силу трения, g  — значение ускорения свободного падения.

Все числовые известные значения подставим в формулу, и вычислим нужное нам значение силы. В процессе вычисления все единицы измерения переводятся в единицы системы СИ, а именно: килограммы.

[F=F_{1}+F_{2}=m cdot a+mu cdot m cdot g]

[mathrm{F}=1500 cdot 3+0.1 cdot 9.8 cdot 1500=1500 cdot(3+0.98)=5970]

Ответ: 5970.

Источник

Добавить комментарий