А так ли хорошо знакомы вам физика + техника?

Почти во всех случаях, встречающихся в практической механике, работа, необходимая для воспроизведения движения, пропорциональна… энергии произведенного работою движения… Томас Юнг

…никакая машина не может извлечь из данного количества введенной в нее теплоты больше работы, чем машина, удовлетворяющая условиям обратимости… Уильям Томсон (Кельвин)

Трехфазный ток стал современным культурным фактором; благотворное влияние, которое оказывает электротехника на жизнь западных

народов, не замедлит обнаружиться и у нас на Руси. Михаил Доливо-Добровольский

Почти вся энергия Солнца пропадает в настоящее время бесполезно для человечества… Что странного в идее воспользоваться этой энергией?! Константин Циолковский

…непрерывное излучение энергии от <радио> активных тел… указывает на громадные запасы скрытой энергии, находящейся в самих радиоатомах. Эрнест Резерфорд

А так ли хорошо знакомы вам

?

физика+техника

Даже поверхностно брошенный на эпиграфы взгляд заметит ключевое понятие, указывающее на тему этого выпуска, – ЭНЕРГЕ- ТИКА. Действительно, как можно обойтись в нашей инженерной серии выпусков без обсуждения возможностей и вклада науки в получение, хранение, трансформацию, передачу и использование различных видов энергии? Физика, несомненно, сыграла в этом решающую роль, и каждый раздел школьного ее курса содержит энергетические вопросы. Важность их освоения подчеркивает такой прогноз: развитие экономики, необходимое для сохранения нынешнего уровня жизни до 2050 года, с учетом роста населения, потребует многократного увеличения глобального производства энергии, поиска новых, нетрадиционных способов ее получения. Это – серьезный вызов, формирующий целый ряд физико-технических проблем. Что ж, давайте энергично, не откладывая, возьмемся за их решение!

Вопросы и задачи

1. Скорость выходящей из гидротурбины воды меньше, чем входящей. С чем это связано? 2. Почему секциям батарей центрального отопления придают ребристую форму, а не круглую, как у обычных труб?

2. Отчего температура выхлопных газов на выходе из глушителя автомобиля в несколько раз ниже, чем в цилиндре двигателя? 4. Чем объяснить, что двигатели внутреннего сгорания имеют более высокий КПД, чем паровые машины? 5. На что расходуется энергия, потребляемая домашним холодильником? 6. К какому типу двигателей следует отнести огнестрельное оружие? 7. Что является нагревателем, рабочим телом и холодильником в ракетном двигателе? 8. Включенный в сеть электрический утюг непрерывно выделяет тепло. Почему его обмотка не перегорает? 9. В момент включения в сеть энергоемких приборов (электрочайника, электроутюга, электрокамина и т.д.) яркость горящих в квартире лампочек заметно падает, но вскоре восстанавливается. Как это объяснить? 10. Две электрические лампы накаливания мощностью 25 и 200 Вт включены в цепь последовательно. Какая из них будет гореть ярче при замыкании цепи? 11. Каким кипятильником можно вскипятить воду в кастрюле с меньшей затратой энергии: мощностью 600 Вт или 1 кВт? 12. Электропроводка внутри квартир покрыта слоем изоляции, а высоковольтные линии электропередачи – нет. Почему?

13. Почему необходимо преобразование напряжения трансформаторами в высоковольтное и обратно при передаче энергии на дальние расстояния? 14. Как изменится сила тока в первичной и вторичной цепях работающего трансформатора, если его железный сердечник разомкнуть? 15. Почему у электродвигателей часто перегорает обмотка, если внезапно остановить ротор? 16. В каком случае легче вращать ротор электрогенератора: когда внешняя цепь разомкнута или когда замкнута? 17. Верно ли утверждение, что в ветряных двигателях используется преобразованная солнечная энергия? 18. Почему в космосе КПД солнечных батарей выше, чем на земле? 19. В какой вид преобразуется максимальная доля высвобождающейся энергии при делении ядер урана?

Микроопыт

Наверняка вы не раз наблюдали за водопроводными насадками, с помощью которых орошают парковые лужайки, а возможно, и сами использовали их на дачных участках. В каких энергетических установках применяется такой же принцип действия?

Любопытно, что…

…стремление поставить на службу силы природы уже за тысячи лет до новой эры привело к постройке водяных и ветряных мельниц – прообразов современных турбин. …древнегреческий ученый и инженер Герон Александрийский изобрел и построил эолипил – первую действующую паровую машину. …открытие в 1643 году итальянцем Эванджелиста Торричелли атмосферного давления повлекло за собой изобретение воздушных насосов и пароатмосферных установок. В 1675 году голландец Христиан Гюйгенс продемонстрировал машину, работающую силой взрыва пороха, а сотрудничающий с ним француз Дени Папен в 1690 году первым использовал пар для поднятия поршня и описал замкнутый термодинамический цикл парового двигателя.

324х208

…питомцы парижской Политехнической школы Гаспар-Гюстав Кориолис и Жан-Виктор Понселе, стремясь применить теоретические методы к задачам прикладного характера, четко определили понятие работы, а также ввели оценку потерь энергии из-за наличия трения. …первый в мире электродвигатель был построен Майклом Фарадеем в 1821 году, а десятилетием позднее им же был открыт закон электромагнитной индукции, легший в основу современной электроэнергетики. …один из самых выдающихся изобретателей в области электротехники Никола Тесла, разработавший ряд конструкций электродвигателей, электрогенераторов и трансформаторов, прославился еще и постройкой Ниагарской гидроэлектростанции. …недавно японские инженеры пучком микроволнового излучения передали 2 киловатта мощности на 55 метров. Это очередной шаг к реализации геостационарной электростанции, когда на высоте 36 тысяч километров спутники «собирают» и транслируют на Землю солнечную энергию. …разработана методика напыления на любые гибкие материалы – ткани, пластик и даже туалетную бумагу – солнечных фотоэлементов, вырабатывающих заметное напряжение без утраты КПД. …студенту из Германии удалось создать «электромагнитный комбайн», улавливающий энергию буквально из воздуха, а именно – фоновых полей мобильной связи, сигналов Wi-Fi и других бытовых источников, затем заряжая ею батарейки определенного типа.

Что читать в «Кванте» об энергетике

(публикации последних лет)

1. «Великая и ужасная ядерная энергия» – 2015, №3, с.11; 2. «Термодинамика и мотоЦИКЛ» – 2017, №2, с.25; 3. «Трансформатор Тесла – что это такое» – 2017, №10, с.31; 4. «Почему ЛЭП гудят на частоте 100 Гц?» – 2018, №2, с.38; 5. «Что трансформирует трансформатор?» – 2018, №3, с.36; 6. «ИТЭР – земная звезда» – 2018, №8, с.2; 7. «ИТЭР – сегодня» – 2018, №10, с.2.

Материал подготовил А.Леонович

38

КВ АН T 2019/№7

сколько раз увеличится эта работа, если количество ежеминутно поступающей воды возрастет вдвое? Силой трения при движении воды по трубе пренебречь. Ускорение свободного падения g = 10 м $с^{2}$.

9 класс

1. Два отдаленных участка аэропорта A и B связаны движущимся тротуаром. Пассажир дважды перемещался по этому маршруту. В первый раз работала только дорожка из A в B, и пассажир затратил время $t_{1} | 4$ мин 50 с на замкнутый $маршрут^{A} o^{B} o^{A}$. Во втором случае обе дорожки не двигались, и пассажир на этот же маршрут затратил время $t_{2} | 6$ мин 40 с. Какое время потратил бы пассажир на $маршрут^{A} o^{B} o^{A}$, если бы обе дорожки двигались? Пассажир во всех случаях идет с одной и той же относительной скоростью. 2. Имеется несколько одинаковых медных кубиков и электроплитка. Первоначально все кубики имели комнатную температуру. Конфорка электроплитки была нагрета и находилась при постоянной температуре. Первый кубик длительное время нагревали на конфорке, а затем, сняв с нее, положили на второй, холодный кубик и измерили установившуюся температуру образовавшейся стопки – она оказалась равной $T_{1}$. Во втором опыте аналогично нагретый на плитке третий кубик положили на стопку из холодных кубиков 4 и 5 – установилась температура $T_{2}$. Какая установится температура, если теплый кубик 1 из первой стопки положить на холодный кубик 6? Потерей кубиками тепла во внешнюю среду пренебречь. 3. Перевернутый цилиндрический стакан закрыт легким подвижным поршнем. В дно

Рис. 2

стакана встроена длинная трубка $сечением^{S}$ (рис.2). Поршень удерживает некоторое количество жидкости. Его медленно перемещают вверх. График прикладываемой к поршню силы в зависимости от высоты его подъема приведен на рисунке 3. Определите по

Рис. 3

графику и приведенным данным плотность жидкости. Трение отсутствует. 4. Изолирующая кювета длиной L до высоты H заполнена проводящей жидкостью (рис.4). Сопротивление между левым и пра-

Рис. 4

вым краем объема жидкости R. Каким станет это сопротивление, если в кювету параллельно ее дну поместить выполненный из изолятора брусок длиной l и шириной, равной ширине кюветы? Расстояние между нижней гранью бруска и дном кюветы h, h < H. Жидкость не переливается через край и брусок не утопает в жидкости целиком, l ≫ H. 5. Стрела автомобильного крана длиной l опирается на шарнир и удерживается в наклонном положении тросом, прикрепленным к вертикальной стойке точно над шарниром на высоте h относительно него (рис.

39

ИНФОРМАЦИЯ

циентом P, P! tg D. К верхнему бруску прикреплена нить, переброшенная через блок, закрепленный на нижнем бруске (рис.6). При каком коэффициенте трения можно, натягивая нить с некоторым усилием вдоль склона, поднимать нижний брусок, оставляя верхний неподвижным?

11 класс

Рис. 5

5).Определите максимальный вес груза, который можно поднять с помощью такого крана при высоте верхнего конца стрелы относительно шарнира H, если трос выдерживает максимальное $усилие^{T.}$

1. Решите задачу 1 для 10 класса. 2. На гладкой горизонтальной поверхности лежит доска длиной L и массой M (рис.7). На ее левый край положили маленький брусок массой m. Толчком доске сообщили

10 класс

1. Два поезда движутся с постоянными скоростями по встречным путям. Пассажир первого купе первого вагона первого поезда увидел стоящего на железнодорожной насыпи медведя на $t_{1} 4$ с раньше, чем пассажир первого купе последнего, пятого вагона этого же поезда. Пассажир первого купе первого вагона второго поезда увидел этого же медведя на $t_{2} 4$ с раньше пассажира первого купе последнего, шестого вагона этого же поезда. За какое время второй поезд пройдет перед глазами пассажира первого поезда? 2. Решите задачу 3 для 9 класса. 3. Через $время^{t} = 200 c$ после отправления голова поезда поравнялась с железнодорожным переездом, и за время $W_{1} 23,6 c$ поезд прошел мимо этого переезда целиком. Мимо следующего переезда, расположенного на расстоянии L = 2500 м от первого, он прошел за время $W_{2} 16,23$ с. С каким постоянным ускорением двигался поезд? 4. Решите задачу 5 для 9 класса. 5. На плоскости, наклоненной под углом D к горизонту, лежат два одинаковых бруска, удерживаемых силой трения с коэффи-

Рис. 6

Рис. 7

некоторую начальную скорость, и оба тела пришли в движение. При какой начальной скорости доски брусок приобретет наибольшую скорость? Коэффициент трения между бруском и доской P, а трение между доской и горизонтальной поверхностью отсутствует. 3. На гладком горизонтальном столе лежат шарик и подвижный трамплин, поверхность которого вначале горизонтальна, а в конце вертикальна (рис.8). Трамплин толчком приводят в движение навстречу шарику

Рис. 8

со скоростью v. На какое расстояние по горизонтали пролетит шарик после того, как подскочит на трамплине? Трения нет. Массы шарика и трамплина равны. Размером трамплина пренебречь. 4. Шприц закрыли со стороны иголки, вставили в него поршень; постепенно увеличивая усилие, вдвинули поршень до 1/2 длины шприца и, постепенно ослабляя усилие, его отпустили – в результате он остановился на расстоянии 3/4 длины шприца от его конца (рис.9). Определите усилие при