Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия - [148]

.

1) Попробуйте взбежать вверх по лестнице (один пролет) с предельной быстротой.

2) Попробуйте взбежать вверх по очень высокой лестнице (один пролет) с предельной быстротой.

3) Поднимитесь по лестнице (один пролет) со скоростью, которую, по вашему мнению, вы сможете поддерживать в течение нескольких часов.

…???… денных ниже единиц (в большинстве лабораторных опытов перевод результата в другие единицы — простая трата времени на арифметику, но здесь несколько единиц необходимы — свою собственную мощность полезно знать):

а) кГм/сек,

б) лошадиные силы,

в) дж/сек (ватт),

г) для заданий 3 и 5 — в Кал за 8-часовой рабочий день.

Опыт 2. Измерение полезной мощности бунзеновской горелки при нагревании водя в кружке.

1) Наполните кружку водой и нагревайте ее в течение 1 мин. Сделайте необходимые измерения для вычисления количества тепла, сообщенного воде:

ТЕПЛОТА = МАССА ВОДЫ ∙ ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

…???… тают наиболее горячим). Объясните результаты.

Опыт 3. Если возможно, проверьте или используйте «топливный калориметр» для измерения полной теплоотдачи бунзеновской горелки или полной теплоотдачи при сгорании кусочка угля.

Опыт 4. Измерьте мощность электрокипятильника, а) используя вольтметр и амперметр[200], б) нагревая им воду. (Воспользуйтесь уже собранной схемой из приборов и нагревателя, а позднее соберите ее сами.)

Оба измерения можно проводить одновременно. Показания приборов можно снимать одновременно с нагреванием воды, когда нагреватель, скажем, в течение 2 мин будет находиться в сосуде с водой. Выразите мощности в ваттах и объясните, чем различаются эти две величины.

Опыт 5. Определение полезной мощности и к. п. д. электромотора.

Пусть электромотор не выполняет полезной работы, которая затруднит измерения, а просто крутит колесо с тормозным ремнем (см. ниже). Подсчитайте его мощность на выходе в кГм/сек и ваттах. Показания амперметра и вольтметра (пока воспользуйтесь собранной схемой) дадут нам величину полной мощности, поступающей из сети. Найдите ее. Подсчитайте к. п. д. мотора.

(Примечание. Если вы хорошенько подумаете, то поймете, что к. п. д. мотора не может быть величиной постоянной, характерной для мотора при любой нагрузке. Каков, по-вашему, к. п. д. при холостом ходе, без нагрузки? А что вы получите, если мотор так нагрузить, что он вообще не сможет вращаться?)

Применение тормозного ремня для измерения мощности

Чтобы измерить мощность человека, мы можем заставить его вытягивать груз с помощью длинной веревки (фиг. 82) или использовать систему блоков и большой груз, но все это сложно.

Фиг. 82.

Удобнее устройство, заменяющее висящий груз трением тормозного ремня о колесо или барабан. Одно из таких устройств показано на фиг. 83. В других используется велосипедная рама, а человек крутит педалями заторможенные колеса.

Фиг. 83.Тормозной пояс для измерения мощности.

_{Когда при вращении колесо трется о ремень (тормоз), переход энергии (из сообщаемой колесу механической формы в теплоту тормоза) определяется выражением Работа = (Сила)∙(Расстояние), а при одном обороте Работа = (Длина окружности)∙(Разность натяжений). Система с закрепленными пружинными весами эквивалентна системе с фиксированными грузами, перекинутыми через блоки, а это эквивалентно подниманию колесом груза (F1 — F2).}

Ременный или веревочный пояс ABCDE оттягивается вверх пружинными весами Х₁ и Х₂, так что он туго прижимается к нижней половине окружности обода колеса. Человек крутит колесо за рукоятку. Пружинные балансы препятствуют движению ремня вместе с колесом, и он трется о колесо по полуокружности BCD, мешая движению. Участок DE, натяжение которого измеряется весами Х₁, сильно тянет в сторону, противоположную движению колеса. На участке АВ натяжение, измеряемое весами Х₂, способствует движению. Если эти натяжения равны F₁ и F₂, то результирующая сила будет равна их разности F₁ — F₂.

Когда колесо совершает один оборот, длина его окружности 2πR целиком проходит под ремнем, преодолевая силу трения (F₁ — F₂). Для человека, крутящего колесо, ситуация будет такой, как если бы пояс, оттягиваемый грузами F₁ и F₂, двигался вместе с колесом. А это было бы эквивалентно наматыванию на колесо веревки с грузом (F₁ — F₂), который заставляет человека затрачивать при каждом обороте энергию 2πR∙(F₁ — F₂). Вернемся теперь к реальному устройству с пружинными весами, показывающими силы F₁ и F₂.

При каждом обороте человек должен затрачивать энергию, равную

(ДЛИНА ОКРУЖНОСТИ 2πR) ∙ (РАЗНОСТЬ НАТЯЖЕНИЙ F₁ — F₂)

Используя этот результат с учетом числа оборотов колеса и показания весов за определенный промежуток времени, мы можем вычистить мощность, превращаемую при торможении в теплоту. Хотя тормоз превращает эту мощность в бесполезное тепло, она могла бы быть полезной, если бы ремень был прикреплен к колесу и поднимал груз. Таким образом в подобной схеме измеряется «полезная» мощность.

Задача 9

Перепишите и дополните следующие утверждения:

(Пример. 1 узел — это единица скорости. Она равна 1 морской миле в 1 час.)

а) 1 джоуль — это единица ___. On равен 1 ___.

б) 1 ватт — это единица ___. On равен 1 ___.