Kvant. Полезное действие

А так ли хорошо знакомо вам полезное действие? // Квант. — 1994. — №1. — С. 32-33.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Мы употребляем здесь выражение «движущая сила»,
чтобы обозначить полезное действие,
которое может дать двигатель.
Сади Карно

Бурная техническая деятельность человека, особенно последние три столетия, постоянно побуждала его задумываться над тем, как бы заставить создаваемые им устройства «поменьше тратить, да побольше производить». Много бесплодных попыток было совершено, прежде чем наука установила границы произвольному изобретательству и указала пути совершенствования машин и двигателей. Для этого потребовалось основательно разобраться с такими понятиями, как работа, мощность, коэффициент полезного действия. Прочно заняв достойное место в арсенале ученых и инженеров, эти понятия демонстрируют удивительную универсальность. С какими бы процессами ни приходилось иметь дело — механическими, тепловыми, электромагнитными, можно быть уверенным, что они не подведут.

Вопросы и задачи

1. Совершается ли механическая работа над грузом, который равномерно переносят по горизонтальной прямой?
2. В вагоне равномерно движущегося поезда стоит человек, растягивающий пружину с силой F, как показано на рисунке. Поезд прошел путь s. Какую работу совершил человек в системе отсчета, связанной с землей?

   

3. Может ли механическую работу совершить сила трения покоя?
4. Со дна водоема поднимается пузырек газа. Совершает ли газ работу?
5. На скоростных автомобилях ставят двигатели значительно большей мощности, чем на обычных. Зачем?
6. Сила сопротивления воздуха и воды при движении корабля возрастает пропорционально квадрату его скорости. Во сколько раз падает нужная кораблю мощность при уменьшении его скорости в 3 раза?
7. Ракета с работающим двигателем «зависла» над поверхностью Земли. На что расходуется мощность ее двигателя?
8. Изменится ли мощность, развиваемая двигателями эскалатора, если пассажир, стоящий на движущейся вверх лестнице, станет подниматься по эскалатору с постоянной скоростью?
9. Как должна измениться мощность насоса, чтобы он стал перегонять через узкое отверстие в единицу времени вдвое большее количество воды?
10. Для подъема грузов применяется как наклонная плоскость, так и наклонный транспортер — лента, движущаяся по роликам. Какое из этих устройств имеет больший КПД?
11. Будет ли работать гидравлический пресс, если его цилиндр заполнить не жидкостью, а газом?
12. Температура атмосферного воздуха, играющего для автомобильного двигателя роль холодильника, зимой заметно ниже, чем летом. Ведет ли это к увеличению КПД двигателя зимой?

    

13. Что является нагревателем, а что холодильником в ракетном двигателе?
14. Два потребителя подключают к электрической батарее: один раз последовательно, другой — параллельно. В каком случае КПД будет больше?
15. Может ли КПД аккумулятора равняться единице?

Микроопыт

Понаблюдайте длительное время за включенной в сеть электроплиткой. Почему, несмотря на непрерывный расход электроэнергии, температура спирали не повышается безгранично?

Любопытно, что…

...французскому ученому Ж. Понселе принадлежит пусть не совсем научное, но весьма практичное определение: «Механическая работа — это то, что оплачивается деньгами».

...когда человек пытается только поддерживать постоянной развиваемую им Силу даже в отсутствие перемещения, его мышцы испытывают постоянные сокращения и расслабления, приводящие к микроскопическим движениям. Поэтому-то мышцам и приходится совершать немалую работу в полном соответствии со стандартным ее определением.

...до сих пор используется введенная в конце 18 века Джеймсом Уаттом единица измерения мощности машин — «лошадиная сила». Она определялась как средняя работа за одну секунду, которую могла совершить сильная английская ломовая лошадь, равномерно работавшая целый день.

...КПД возможной тепловой машины, использующей разность температур поверхностных и глубинных вод океана, не превысит нескольких процентов.

...мощность, развиваемая при толчке жука-щелкуна, лежащего на спинке, примерно в сто раз больше мощности, которую может обеспечить какая-либо одна из его мышц.

...большая мощность отнюдь не означает большую силу тяги. Например, в проектируемых фотонных ракетах сила тяги предполагается равной лишь нескольким десяткам или сотням ньютонов — такая ракета даже не сможет самостоятельно стартовать с Земли.

...чрезвычайно заманчива возможность получать электроэнергию непосредственно из химической энергии топлива и окислителя без сгорания, в так называемом электрохимическом генераторе электроэнергии (ЭХГ), имеющем очень высокий КПД.

...сжигая в двигателе автомобиля миллиграмм бензина, мы высвобождаем примерно 40 джоулей тепловой энергии, из которых только малая доля переходит в кинетическую энергию машины. Миллиграмм же сахара сообщает организму человека те же 40 джоулей энергии, но используются они значительно эффективнее для поддержании температуры тела и другой жизнедеятельности организма.

Что читать в «Кванте» о полезном действии

1. «Тепловой насос» - 1986, № 11, с. 19;
2. «Работа, энергия, тепло» - 1987, № 8, с. 55;
3. «Мощность в цепи постоянного тока» - 1989, № 8, с. 7;
4. «О ледниках, скороварках и теореме Карно» - 1991, № 3, с. 39;
5. «Работа сил трения» — 1991, № 5, с. 37;
6. «Работа и изменение энергии идеального газа» — 1991, № 6, с. 45;
7. «Вокруг колеса» — 1992, № 4, с. 50;
8. «Кое-что о силе тяги» — 1992, № 5, с. 42.

Ответы

1. Нет.
2. Полная работа, совершенная человеком, равна нулю как в системе отсчета, связанной с землей, так и в системе отсчета, связанной с поездом.
3. Да. Например, при ее действии на груз, лежащий на движущейся железнодорожной платформе.
4. Да — по мере подъема уменьшается давление воды на пузырек и газ совершает работу по расширению пузырька.
5. При больших скоростях значительно возрастает сопротивление воздуха.
6. В 27 раз.
7. На сообщение выбрасываемых из сопла ракеты газам кинетической энергии.
8. Нет — меньшую работу двигатели эскалатора совершат соответственно за меньшее время.
9. Увеличиться в 8 раз.
10. При небольших углах наклона транспортер экономичнее, так как коэффициент трения качения меньше коэффициента трения скольжения.
11. Да, но КПД будет очень малым, поскольку большая часть совершаемой работы пойдет на сжатие самого газа.
12. Нет, так как возрастают потери энергии, связанные с загустением смазки и разогревом двигателя и воздуха в салоне при запуске.
13. Нагреватель — камера сгорания, холодильник — окружающая среда.
14. В первом случае.
15. Нет — КПД стремится к единице при бесконечном увеличении внешнего сопротивления, но при этом полезная мощность (как и полная) стремится к нулю.

Микроопыт

При повышении температуры увеличивается излучение энергии.

Материал подготовил А.Леонович