Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

( Примечание . Если вы хорошенько подумаете, то поймете, что к. п. д. мотора не может быть величиной постоянной, характерной для мотора при любой нагрузке. Каков, по-вашему, к. п. д. при холостом ходе, без нагрузки? А что вы получите, если мотор так нагрузить, что он вообще не сможет вращаться?)

Применение тормозного ремня для измерения мощности

Чтобы измерить мощность человека, мы можем заставить его вытягивать груз с помощью длинной веревки (фиг. 82) или использовать систему блоков и большой груз, но все это сложно.

Фиг. 82.

Удобнее устройство, заменяющее висящий груз трением тормозного ремня о колесо или барабан. Одно из таких устройств показано на фиг. 83. В других используется велосипедная рама, а человек крутит педалями заторможенные колеса.

Фиг. 83. Тормозной пояс для измерения мощности.

Когда при вращении колесо трется о ремень (тормоз), переход энергии (из сообщаемой колесу механической формы в теплоту тормоза) определяется выражением Работа = ( Сила)∙( Расстояние), а при одном обороте Работа= ( Длина окружности)∙( Разность натяжений). Система с закрепленными пружинными весами эквивалентна системе с фиксированными грузами, перекинутыми через блоки, а это эквивалентно подниманию колесом груза ( F 1 — F 2).

Ременный или веревочный пояс ABCDE оттягивается вверх пружинными весами Х 1и Х 2, так что он туго прижимается к нижней половине окружности обода колеса. Человек крутит колесо за рукоятку. Пружинные балансы препятствуют движению ремня вместе с колесом, и он трется о колесо по полуокружности BCD , мешая движению. Участок DE , натяжение которого измеряется весами Х 1, сильно тянет в сторону, противоположную движению колеса. На участке АВ натяжение, измеряемое весами Х 2, способствует движению. Если эти натяжения равны F 1и F 2, то результирующая сила будет равна их разности F 1— F 2.

Когда колесо совершает один оборот, длина его окружности 2π R целиком проходит под ремнем, преодолевая силу трения ( F 1— F 2). Для человека, крутящего колесо, ситуация будет такой, как если бы пояс, оттягиваемый грузами F 1и F 2, двигался вместе с колесом. А это было бы эквивалентно наматыванию на колесо веревки с грузом ( F 1— F 2), который заставляет человека затрачивать при каждом обороте энергию 2π R ∙( F 1— F 2). Вернемся теперь к реальному устройству с пружинными весами, показывающими силы F 1и F 2.

При каждом обороте человек должен затрачивать энергию, равную

(ДЛИНА ОКРУЖНОСТИ 2π R) ∙ (РАЗНОСТЬ НАТЯЖЕНИЙ F 1— F 2)

Используя этот результат с учетом числа оборотов колеса и показания весов за определенный промежуток времени, мы можем вычистить мощность, превращаемую при торможении в теплоту. Хотя тормоз превращает эту мощность в бесполезное тепло, она могла бы быть полезной, если бы ремень был прикреплен к колесу и поднимал груз. Таким образом в подобной схеме измеряется «полезная» мощность.

Задача 9

Перепишите и дополните следующие утверждения:

( Пример. 1 узел — это единица скорости. Она равна 1 морской миле в 1 час.)

а) 1 джоуль — это единица ___. On равен 1 ___.

б) 1 ватт — это единица ___. On равен 1 ___.

в) 1 киловатт — это единица ___. Он равен 1 ___.

(напишите числа и единица, выраженные в секундах, метрах, ньютонах, джоулях и т. д.).

г) 1 вт∙сек означает 1 вт х 1 сек, следовательно, это та же, что и 1 ___? Поэтому 1 вт∙сек есть единица ___.

д) 1 квт∙час есть единица ___.

Он равен ___ (напишите числа и единицы, выраженные в секундах, метрах, ньютонах, джоулях и т. д.)

Задача 10

Обычная цена электроэнергии составляет 4 коп. за киловатт∙час. Если бы дневной рацион 3300 Кал можно было принять в виде электричества, то во сколько бы вам обошелся день? ___

Задача 11. Диета и энергия

Сейчас в некоторых частях света средний рацион составляет меньше 2000 Кал в день, а в других 3300 Кал. Эти числа найдены из полной энергии, полученной при переваривании пищи. Других источников снабжения энергии для поддержания работы тела нет, за исключением материалов самого тела, жира и т. д.

Для исследования вопроса о голодном рационе проделайте следующие вычисления. (Считайте, что 1 Кал = 1 ккал = 4200 дж.)

а) Единицы: перевод рациона в другие единицы

Превратите 2000 Кал в день в другие единицы. (Заметьте, что это мощность.)