§33 Коэффициент полезного действия
Если дворник убирает лопатой снег, ему приходится совершать и полезную работу (поднимать снег), и «бесполезную» (поднимать лопату). Лопата позволяет набрать больше снега, но с точки зрения конечной цели её вес мешает. Если бы вес лопаты был меньше, полная совершённая работа тоже была бы меньше, а полезная не изменилась.
Полная совершённая работа – сумма полезной и «бесполезной» работ. Она всегда больше полезной. Соотношение полезной и полной работ отражает эффективность работы. В физике это соотношение выражается коэффициентом полезного действия (КПД).
КПД считают по формуле:
КПД – безразмерная величина: можно указать просто число, например 0,64. Для удобства КПД
выражают в процентах, умножая полученное значение на 100% (например 64%).
Пример:
Вычислим КПД лифта массой 120 кг, который перемещает груз массой 350 кг на высоту 10 м. Лифт совершает механическую работу против силы тяжести, и поэтому, чтобы поднять груз, его мотор должен развивать силу, равную силе тяжести. Полезная работа будет равна работе по перемещению груза. Затраченная работа будет суммой работ по перемещению и полезного груза и самого лифта (Fг – сила тяжести, действующая на полезный груз; Fл – сила тяжести, действующая на кабину лифта):
В итоге получим: η = 0,74, или η = 0,74 • 100% = 74%.
Это число показывает, что из 100% полной работы доля полезной работы составляет 74%, а доля
бесполезной – 26%. Обратите внимание, в ходе решения значение S сократилось, а это значит,
что КПД лифта не зависит от расстояния, на которое он будет перемещать груз.
Коэффициент полезного действия зависит от того, какие внешние силы нужно преодолевать при
выполнении полезной работы.
Грузчику нужно затащить в кузов автомобиля стиральную машину. Грузчик может просто поднять
стиральную машину на высоту кузова. В этом случае он приложит силу 600 Н, а его работа будет
равна:
Это полезная работа – ровно та, которая нужна для достижения цели. Но поднять в одиночку
стиральную машину сложно. Можно воспользоваться наклонной плоскостью длиной 3 м.
Если грузчик решит закатить стиральную машину на тележке, ему удастся приложить меньшую
силу (например, в 210 Н) и совершить работу:
Используя наклонную плоскость, грузчику удалось приложить меньшее усилие, но он всё равно
совершил большую работу, нежели та, которая необходима для перемещения груза. Его КПД:
Почему так происходит? Потому что с использованием тележки появляется сила трения, на
преодоление которой потребуется 5% усилий. Поэтому чем меньше трение, тем выше будет КПД
наклонной плоскости.
1. Чем отличается полезная работа от совершённой работы? Приведите примеры.
2. Что показывает КПД?
3. Почему КПД не может быть больше 100%?
4. Какими способами можно увеличить КПД?