Коефіцієнт корисної дії механізмів (ККД)

Відомо, що вічний двигун неможливий. Це пов’язано з тим, що для будь-якого механізму справедливе твердження:

Досконала за допомогою цього механізму повна робота (у тому числі на нагрівання механізму та навколишнього середовища і на подолання сили тертя) завжди більша корисної роботи.

Наприклад, більше половини роботи двигуна внутрішнього згоряння відбувається даремно, витрачається на нагрівання складових частин двигуна; деяку кількість теплоти забирають вихлопні гази.

Часто необхідно оцінювати ефективність механізму, доцільність його використання. Тому, щоб розраховувати, яка частина від досконалої роботи витрачається даремно і яка частина з користю, вводиться спеціальна фізична величина, яка показує ефективність механізму.

Ця величина називається коефіцієнтом корисної дії механізму

Коефіцієнт корисної дії механізму дорівнює відношенню корисної роботи до повної роботі. Очевидно, коефіцієнт корисної дії завжди менше одиниці. Цю величину часто виражають у відсотках. Зазвичай її позначають грецькою буквою η (читається «ця»). Скорочено коефіцієнт корисної дії записують ККД.

η = (Аповн./Акорисн.)*100%, де

  • η – ККД;
  • Аповн. – повна робота;
  • Акорисн – корисна робота.

Серед двигунів найбільший коефіцієнт корисної дії має електричний двигун (до 98%). Коефіцієнт корисної дії двигунів внутрішнього згоряння 20%-40%, парової турбіни приблизно 30%.

Зазначимо, що для збільшення коефіцієнта корисної дії механізму часто намагаються зменшити силу тертя. Це можна зробити, використовуючи різні мастила або кулькопідшипники, в яких тертя ковзання замінюється тертям кочення.

Приклади розрахунку ККД

Розглянемо приклад. Велосипедист масою 55 кг піднявся на велосипеді масою 5 кг на пагорб, висота якого 10 м, зробивши при цьому роботу 8 кДж. Знайдіть коефіцієнт корисної дії велосипеда. Тертя кочення коліс про дорогу не враховуйте.

Рішення. Знайдемо загальну масу велосипеда й велосипедиста:

m = 55 кг + 5 кг = 60 кг

Знайдемо їх загальну вагу:

P = mg = 60 кг*10 Н/кг = 600 Н

Знайдемо роботу, досконалу на підйом велосипеда й велосипедиста:

Aкорисн = РS = 600 Н*10 м = 6 кДж

Знайдемо ККД велосипеда:

= Аповнкорисн*100% = 6 кДж/8 кДж*100% = 75%

  • Відповідь: ККД велосипеда дорівнює 75%.

Розглянемо ще один приклад. На кінець плеча важеля підвішене тіло масою m. До іншого плеча докладають силу F, спрямовану вниз, і його кінець опускається на h. Знайдіть, наскільки піднялося тіло, якщо коефіцієнт корисної дії важеля дорівнює η%.

Рішення. Знайдемо роботу, досконалу силою F:

A = Fh

η % від цієї роботи зроблено на те, щоб підняти тіло масою m. Отже, на підняття тіла витрачено Fhη/100. Оскільки вага тіла дорівнює mg, тіло піднялося на висоту F/100/mg.

Відповідь: тіло піднялося на висоту F/100/mg.

Посилання на основну публікацію