Номер 5, страница 132 - гдз по физике 9 класс учебник Исаченкова, Сокольский

5. Что является причиной, не позволяющей получить КПД, равный 100 %, при использовании блока? Наклонной плоскости?

Коэффициент полезного действия (КПД), обозначаемый греческой буквой $\eta$ (эта), является мерой эффективности любого механизма. Он определяется как отношение полезной работы $A_{полезная}$ к полной (или затраченной) работе $A_{затраченная}$ и выражается в процентах:

$\eta = \frac{A_{полезная}}{A_{затраченная}} \cdot 100\%$

КПД, равный 100%, означал бы, что вся затраченная работа переходит в полезную, то есть $A_{затраченная} = A_{полезная}$. Однако в любом реальном механизме часть затраченной энергии неизбежно теряется, превращаясь в другие виды энергии (в основном в теплоту) из-за действия сил сопротивления, таких как трение. Поэтому полная работа всегда больше полезной ($A_{затраченная} > A_{полезная}$), и КПД реальных механизмов всегда меньше 100%.

Рассмотрим причины этого для указанных простых механизмов.

при использовании блока?

При использовании блока (как неподвижного, так и подвижного) существуют следующие причины потерь энергии, из-за которых КПД не может достичь 100%:

1. Трение в оси блока. При подъеме груза блок вращается вокруг своей оси. Между поверхностью оси и вращающимся колесом блока возникает сила трения, которая препятствует вращению. Для преодоления этой силы трения совершается дополнительная работа, которая не является полезной и рассеивается в виде тепла.
2. Вес самого блока и веревки/троса. При использовании подвижного блока для подъема груза приходится поднимать и сам блок, масса которого может быть существенной. Работа, совершаемая по подъему блока, является частью затраченной работы, но не входит в полезную работу (которая заключается лишь в подъеме груза). Также некоторая работа тратится на подъем самой веревки.
3. Сопротивление воздуха. Хотя эта сила обычно мала, она также вносит свой вклад в общие потери энергии.

Таким образом, затраченная работа складывается из полезной работы по подъему груза и работы против сил трения и по подъему самого механизма.

Ответ: Основными причинами, не позволяющими получить КПД 100% при использовании блока, являются наличие силы трения в оси блока и необходимость совершать работу по подъему самого блока и веревки.

Наклонной плоскости?

При использовании наклонной плоскости для подъема тела на определенную высоту, КПД также всегда меньше 100%. Основной причиной потерь является:

1. Сила трения. Между поверхностью перемещаемого тела и поверхностью наклонной плоскости возникает сила трения скольжения (или качения). Эта сила всегда направлена против движения тела. Чтобы перемещать тело по наклонной плоскости, необходимо прикладывать силу, которая не только преодолевает составляющую силы тяжести, но и силу трения. Работа, совершаемая против силы трения ($A_{тр}$), преобразуется в тепло и является безвозвратной потерей энергии.
2. Сопротивление воздуха. Как и в случае с блоком, эта сила создает дополнительное сопротивление движению, хотя ее вклад обычно незначителен по сравнению с силой трения.

Полная работа, затраченная на подъем тела по наклонной плоскости, равна сумме полезной работы (равной работе по подъему того же тела на ту же высоту вертикально) и работы против силы трения: $A_{затраченная} = A_{полезная} + A_{тр}$. Поскольку работа против силы трения всегда положительна ($A_{тр} > 0$), затраченная работа всегда больше полезной.

Ответ: Главной причиной, не позволяющей получить КПД 100% при использовании наклонной плоскости, является наличие силы трения между движущимся телом и поверхностью плоскости.