Номер 6, страница 132 - гдз по физике 9 класс учебник Исаченкова, Сокольский

6. Как повысить коэффициент полезного действия механизма?

Коэффициент полезного действия (КПД) механизма, обозначаемый греческой буквой $η$ (эта), представляет собой отношение полезной работы $A_{полезная}$, совершаемой механизмом, к полной (затраченной) работе $A_{затраченная}$, которую необходимо совершить для приведения механизма в действие.

Формула для расчета КПД:

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

Любой реальный механизм имеет потери энергии. В основном они связаны с совершением работы против сил сопротивления, таких как сила трения в деталях механизма и сила сопротивления окружающей среды (например, воздуха). Эта часть работы называется потерями энергии ($A_{потери}$). Таким образом, полная затраченная работа всегда больше полезной работы:

$A_{затраченная} = A_{полезная} + A_{потери}$

Исходя из этого, формула КПД может быть представлена в виде:

$η = \frac{A_{полезная}}{A_{полезная} + A_{потери}}$

Из данной формулы очевидно, что для повышения КПД ($η$) необходимо при неизменной полезной работе ($A_{полезная}$) максимально уменьшить потери энергии ($A_{потери}$). Следовательно, все способы повышения КПД направлены на снижение сил сопротивления.

Рассмотрим основные способы:

Уменьшение трения. Трение является главной причиной потерь энергии в подавляющем большинстве механических устройств. Существует несколько эффективных методов его снижения:

• Замена трения скольжения трением качения. На практике это реализуется через использование шариковых и роликовых подшипников вместо подшипников скольжения (втулок). Коэффициент трения качения значительно ниже коэффициента трения скольжения.
• Применение смазочных материалов. Использование жидких (масла) и консистентных (солидол, литол) смазок позволяет создать между трущимися поверхностями тонкий слой, который разделяет их и резко снижает силу трения.
• Качество обработки поверхностей. Шлифовка и полировка соприкасающихся деталей делают их более гладкими, что уменьшает неровности и, как следствие, силу трения.
• Применение материалов с низким коэффициентом трения. Использование специальных полимеров (например, фторопласта/тефлона) или покрытий из них для изготовления деталей.

Уменьшение массы движущихся частей. Работа затрачивается не только на преодоление внешних сил, но и на перемещение самих частей механизма. Чем меньше их масса, тем меньше энергии требуется для их ускорения и преодоления силы тяжести (в случае вертикального перемещения). Этого достигают, применяя легкие и одновременно прочные материалы, такие как сплавы алюминия, титана или современные композитные материалы.

Уменьшение сопротивления среды. Для механизмов, движущихся с большой скоростью (например, автомобили, поезда, самолеты), существенная доля энергии теряется на преодоление сопротивления воздуха. Придание корпусу и элементам механизма обтекаемой (аэродинамической) формы позволяет минимизировать эти потери.

Оптимизация конструкции и режима эксплуатации. Правильное проектирование механизма с целью уменьшения вибраций и шума (которые также являются формами потерь энергии) и его эксплуатация в рекомендованных режимах (без перегрузок) позволяют поддерживать КПД на высоком уровне и продлить срок службы.

Ответ: Для повышения коэффициента полезного действия механизма необходимо уменьшить потери энергии, которые происходят при его работе. Основными способами являются: уменьшение силы трения между деталями (путем применения смазки, замены трения скольжения на трение качения с помощью подшипников, полировки поверхностей), снижение массы движущихся частей механизма (используя легкие сплавы и материалы), а также уменьшение силы сопротивления среды (придавая обтекаемую форму).