Физическая величина, равная произведению модуля силы на модуль перемещения и косинус угла между ними, называетсямеханической работой. Работа - величина скалярная. Измеряется работа в джоулях (Дж). 1 Дж - это работа, совершаемая силой в 1 Н на перемещение 1 м. В зависимости от направлений векторов силы и перемещения механическая работа может быть положительной, отрицательной или равной нулю. Например, если векторы и совпадают, то cos00 = 1 и A > 0. Если векторы и направлены в противоположные стороны, то cos1800 = -1 и A < 0. Если же и перпендикулярны, то cos900 = 0 и A = 0.
Мощность машины или механизма - это отношение совершенной работы ко времени, в течение которого она совершена. Измеряется мощность в ваттах (Вт), 1 Вт = 1 Дж/с. Простые механизмы: наклонная плоскость, рычаг, блок. Их действие подчиняется«золотому правилу механики»: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в перемещении. На практике совершаемая с помощью механизма полная работа всегда несколько больше полезной. Часть работы совершается против силы трения в механизме и перемещения его отдельных частей. Например, применяя подвижный блок, приходится дополнительно совершать работу по поднятию самого блока, веревки и по преодолению силы трения в оси блока. Поэтому для любого механизма полезная работа (AП) всегда меньше, чем полная, затраченная (AЗ). По этой причине КПД = AП/AЗ • 100% любого механизма не может быть больше или хотя бы равен 100.
Механические колебания (на примере математического или пружинного маятников). Характеристики колебательных движений: амплитуда, период, частота. Соотношение между периодом и частотой. График колебания.
Механическими колебаниями называют движения тел, которые точно (или приблизительно) повторяются через равные промежутки времени. Примерами механических колебаний являются колебания математического или пружинного маятников (рис. 1). Свободные (собственные) колебания совершаются под действием внутренних сил колебательной системы, а вынужденные- под действием сил, не входящих в колебательную систему. Колебательные движения происходят, если: 1) сила, действующая на тело в любой точке траектории, направлена к положению равновесия, а в самой точке равновесия равна нулю; 2) сила пропорциональна отклонению тела от положения равновесия. Для пружинного маятника такой силой является сила упругости (FУПР = -k • x), для математического - равнодействующая сил тяжести маятника и упругости нити подвеса (F = - m • g • x / l). Координата колеблющегося тела изменяется со временем по закону синуса и графически представлена в виде синусоиды (рис. 2). Амплитуда (A) - наибольшее расстояние, на которое удаляется тело от положения равновесия. Период (Т) - время одного полного колебания. Частота - число колебаний за 1 секунду (). Период колебания определяют: для пружинного маятника Т = 2п^т/Н', для математического маятника.
Механические волны. Длина волны, скорость распространения волны и соотношения между ними. Звуковые волны. Эхо.
Механические волны - это распространяющиеся в упругой среде возмущения (отклонения частиц среды от положения равновесия). Если колебания частиц и распространение волны происходят в одном направлении, волну называют продольной, а если эти движения происходят в перпендикулярных направлениях, - поперечной. Продольные волны, сопровождаемые деформациями растяжения и сжатия, могут распространяться в любых упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные волны распространяются в тех средах, где появляются силы упругости при деформации сдвига, т. е. в твердых телах. При распространении волны происходит перенос энергии без переноса вещества. Скорость, с которой распространяется возмущение в упругой среде, называютскоростью волны.Она определяется упругими свойствами среды. Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней (T), называется длиной волны l (ламбда).
Звуковые волны - это продольные волны, в которых колебания частиц происходят вдоль ее распространения. Скорость звука в различных средах разная, в твердых телах и жидкостях она значительно больше, чем в воздухе. На границе сред с упругими свойствами звуковая волна отражается. С явлением отражения звука связано эхо. Это явление состоит в том, что звук от источника доходит до какого-то препятствия, отражается от него и возвращается к месту, где он возник, через промежуток времени не менее 1/15 с. Через такой интервал времени человеческое ухо способно воспринимать раздельно следующие один за другим звуки.
Потенциальная и кинетическая энергия. Примеры перехода энергии из одного вида в другой. Закон сохранения энергии.
Энергия - характеристика состояния тела. Кинетическая энергия- энергия движущегося тела. Если на тело массой m действует постоянная сила P, совпадающая с направлением движения, то работа. Работа - мера изменения энергии. Кинетическая энергия. Работа действующих сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии . При , - кинетическая энергия равна работе, которую должна совершить сила, действующая на тело, чтобы сообщить данную скорость. Потенциальная энергия - энергия взаимодействия. Работа - потенциальная энергия тела, поднятого на высоту h над нулевым уровнем (например, над уровнем Земли). Знак «-» означает, что, когда работа силы тяжести положительна, потенциальная энергия тела уменьшается. Потенциальная энергия не зависит от скорости, а зависит от координаты тела (от высоты). Потенциальная энергия деформированной пружины. Сумму кинетической и потенциальной энергий тела называют егополной механической энергией.Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения или упругости, остается неизменной при любых движениях тел системы. Это утверждение являетсязаконом сохранения энергии в механических процессах.На примере свободно падающего тела можно показать, что при его движении потенциальная энергия переходит в кинетическую. При этом потенциальная энергия уменьшается ровно на столько, на сколько увеличивается кинетическая энергия, т. е. полная механическая энергия во все время падения остается неизменной.
Представления о дискретном состоянии вещества. Газообразное, жидкое и твердое состояния вещества. Опытное обоснование характера движения и взаимодействия частиц, из которых состоят вещества в различных агрегатных состояниях.
Все вещества, независимо от их агрегатного состояния, состоят из огромного числа частиц (молекул и атомов), эти частицы непрерывно и хаотически движутся, а также взаимодействуют между собой. Эти положения имеют опытное подтверждение. Опытным обоснованием дискретности строения вещества является растворение краски в воде, приготовление чая и многие технологические процессы. Непрерывность, хаотичность движения частиц вещества подтверждается существованием ряда явлений: диффузии - самопроизвольного перемешивания разных веществ, вследствие проникновения частиц одного вещества между частицами другого; броуновского движения - беспорядочного движения взвешенных в жидкостях мелких частиц под действием ударов молекул жидкости. О том, что частицы вещества взаимодействуют между собой, говорят опытные факты: притяжение (слипание, смачивание, усилие при растяжении), отталкивание (упругость, несжимаемость твердых и жидких тел). Силы взаимодействия частиц вещества проявляются только на расстояниях, сравнимых с размерами самих частиц. Агрегатное состояние вещества зависит от характера движения и взаимодействия. Газообразное состояние (газы легко сжимаются, занимают весь объем, имеют малую плотность) характеризуются большими расстояниями и слабым взаимодействием частиц вещества; жидкое состояние (жидкости практически не сжимаются, принимают форму сосуда) характеризуется плотной упаковкой и ближним порядком в упаковке частиц; твердое состояние (несжимаемы, кристаллическое строение) характеризуется плотной упаковкой и дальним порядком в упаковке частиц.
Твердые тела передают производимое на них давление в сторону действия силы. Для определения давления (p) необходимо силу (F), действующую перпендикулярно поверхности, разделить на площадь поверхности - Давление измеряют в паскалях: 1 Па = 1Н/м2. Давление, производимое на жидкость и газ, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку жидкости или газа. Это объясняется подвижностью частиц газа и жидкости. Закон Паскаля. Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку жидкости или газа. Подтверждением закона являются опыты с шаром Паскаля и работа гидравлических машин. Остановимся на работе этой машины (см. рис.). F1 и F2 - силы, действующие на поршни, S1 и S2 - площади поршней. Давление под малым поршнем . Под большим поршнем . По закону Паскаля p1=p2, т. е. давление во всех точках покоящейся жидкости одинаково, или ,откуда . Машина дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого. Это наблюдается в работе гидравлического пресса,используемого для изготовления стальных валов машин, железнодорожных колес или выжимания масла на маслобойных заводах, а также в гидравлических домкратах.
Атмосфера - воздушная оболочка вокруг Земли, простирающаяся на высоту нескольких тысяч километров. Вследствие действия силы тяжести воздушный слой, прилегающий к Земле, сжат больше всего и передает производимое на него давление по всем направлениям. В результате этого земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают атмосферное давление. Впервые измерил атмосферное давление итальянский физик Торричелли с помощью стеклянной трубки, запаянной с одного конца и заполненной ртутью (см. рис.). Давление в трубке на уровне а создается силой тяжести столба ртути высотой h = 760 мм, в тоже время на поверхность ртути в чашке действует атмосферное давление. Эти давления уравновешивают друг друга. Так как в верхней части трубки после опускания ртутного столба осталось безвоздушное пространство, то, измерив высоту столба можно определить численное значение атмосферного давления по формуле: р = = 9,8 Н/кг × 13 600 кг/м3 × 0,76 м =101 300 Па = 1013 ГПа. Приборами для измерения атмосферного давления являются ртутный барометр и барометр-анероид. Принцип действия последнего основан на сжатии пустотелой гофрированной металлической коробочки и передачи ее деформации через систему рычагов на стрелку- указатель. Барометр-анероид имеет две шкалы: внутренняя проградуирована в мм рт. ст. (1 мм рт. ст. = 133,3 Па), внешняя - в килопаскалях. Знание атмосферного давления весьма важно для предсказания погоды на ближайшие дни. Тропосфера(нижний слой атмосферы) представляет собой благодаря диффузии однородную смесь азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. Эта смесь газов и поддерживает нормальную жизнедеятельность всего живого на Земле. Вредные выбросы в атмосферу загрязняют окружающую среду. Например, авария на Чернобыльской АЭС, аварии на атомных подводных лодках, выбросы в атмосферу промышленных предприятий и т. п.