Текст
ФИЗИКА
А. В. Перышкнн,
Е. Я. Минченков,
В. В. Крауклис,
Г. К. Карпинский
Физика
УЧЕБНИК ДЛЯ 7 КЛАССА
Издание 8-е
Издательство
«ПРОСВЕЩЕНИЕ»
МОСКВА 1967
6-6
Восьмое издание учебника физики для 7 класса
отличается от предыдущих художественным оформ-
лением. Кроме этого, из учебника 6 класса пере-
несен § 36 «Масса и вес тела»
Под редакцией
Е. Я, МИНЧЕНКОВА и А. В. ПЕРЫШКИНА
Утвержден
Министерством просвещения РСФСР
НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО МЕХАНИКЕ
1. Механическое движение
Физика изучает различные явления природы: механические,
тепловые, звуковые, электрические, магнитные, световые. К наи-
более простым из них относится механическое движе-
ние тел.
Движения человека, различных частей машин, полет самолета,
ракеты — все это механические движения.
Когда мы говорим о механическом движении какого-либо тела,
то всегда имеем в виду его перемещение относительно другого
тела. Чаще всего мы рассматриваем движение тел относительно
земной поверхности и предметов, неподвижных относительно
нее: зданий, деревьев, столбов и т. д.
Мы говорим, что по шоссе движется автомобиль, так как видим,
что меняется положение автомобиля относительно неподвижных
деревьев или домов, стоящих у шоссе. Вода в реке движется отно-
сительно берегов, поезд движется относительно полотна железной
дороги, станции, телеграфных столбов. Если положение поезда
относительно этих предметов не изменяется, значит, поезд непод-
вижен.
Механическим движением называется изменение положения ка-
кого-нибудь тела относительно других тел.
Линия, по которой движется тело, называется траекто-
рией движения.
Проведем мелом линию на классной доске, эта линия будет
траекторией движения куска мела. Видимую траекторию движения—
1* 3
Рис. 1.
светящийся след — оставляет в ночном небе метеор (рис. 1) или
сигнальная ракета.
В зависимости от вида траектории движение может быть
прямолинейным и криволинейным.
При своем движении тело за определенный промежуток вре-
мени проходит определенное расстояние.
Расстояние, которое тело прошло за время своего движения,
называется пройденным путем за данный промежуток времени.
На рисунке 2 виден лыжный след, оставленный спортсменом,
спустившимся на лыжах с горы. Расстояние О А. измеренное вдоль
лыжного следа, равно пути, пройденному лыжником за время
спуска с горы.
4
2. Поступательное и вращательное движения тел
Движения тел могут быть самыми разнообразными. Движение
кузова автомобиля, например, отличается от движения его колес.
Колеса вращаются, кузов же во вращательном движении не участ-
вует.
Вращая колодезный вал, достают из колодца ведро с водой.
При этом вал и ведро движутся различно.
Основными видами движения тел являются поступательное
и вращательное.
Примерами поступательного движения являются: движение
груза, переносимого подъемным краном (рис. 3), движение ящика,
выдвигаемого из стола, движение предметов на ленте транспор-
тера (рис. 4), движение резца вдоль корпуса токарного станка
(рис. 5), движение рубанка и ручной пилы при работе и многие
другие движения.
Рассмотрим признаки поступательного движения тела.
Эти признаки очень хорошо выявляются на примере движения
груза, переносимогб краном (рис. 3).
Легко подметить, что все точки груза при его переносе описы-
вают в пространстве одинаковые траектории и проходят одинако-
вые пути за одно и то же время.
Эти признаки легко найти в поступательном движении любого
тела: поезда, предметов на ленте конвейера, рубанка, пилы и т. д.
При поступательном движении тела все его точки описывают
одинаковые траектории в пространстве и за один и тот же про-
межуток времени проходят равные пути.
5
Рис. 4.
Поступательное движение тела не обязательно должно быть
прямолинейным. Например, можно так вращать рукоятку швей-
ной машины, что кисть руки будет двигаться поступательно,
описывая окружность.
Так же могут двигаться ступни велосипедиста при вращении
педалей велосипеда.
Так как все точки тела при поступательном движении дви-
жутся одинаково, то это упрощает задачу изучения этого вида
движения. Достаточно изучить движение одной какой-нибудь
точки тела, чтобы знать движение всего тела.
Колеса автомобилей, вагонов, телег, винты самолетов и паро-
ходов, шкивы и валы машин при работе вращаются. Резец
токарного станка 1 движется поступательно, а обрабатываемая
деталь 2 вращается (рис. 5).
Чтобы выявить особенности вращательного движения, проде-
лаем следующий опыт. Возьмем картонный диск с нарисованными
на нем кружочками на разных расстояниях от центра (рис. 6, а) и
приведем его в быстрое вращение. Вместо кружочков мы увидим
на диске ряд концентрических окружностей разных радиусов
Рис. 5.
6
(рис. 6, б). Концентрические окружности показывают траектории
движения кружочков.
Этот опыт показывает, что при вращательном движении тела
различные его точки движутся по окружностям. Центры этих ок-
ружностей лежат на одной прямой, называемой осью вра-
щения тела.
Вращатеяьног движение твердых тел весьма распространено
в природе и технике.
Примером вращательного движения тела в природе является
суточное вращение Земли вокруг своей оси. Это движение
Земли вызывает смену дня и ночи.
Примерами вращательного движения в технике могут слу-
Рис. 7.
7
Рис. 8.
жить движения шкивов, махо-
вых колес и обтачиваемых де-
талей на токарных станках, дви-
жение граммофонной пластин-
ки и т. п.
Различные виды движения
тел можно наблюдать во время
работы швейной машины (рис. 7).
Маховое колесо 1 и вал машины
вращаются. Иглодержатель с
иглой 2 движется вверх и вниз
поступательно; челнок 3 и
нитконатягиватель совершают
колебательные движения.
Изучение различных движе-
ний показывает, что они могут
быть поступательными, враща-
тельными или же представлять
собой комбинацию поступатель-
ного и вращательного движе-
ний. Так, например, движение
сверла сверлильного станка
при работе (рис* 8) состоит из
двух движений: вращательно-
го и поступательного (сверху
вниз).
Упражнение 1.
1. Говорят, что Солнце восходит и заходит. Какое тело при этом при-
нимают за неподвижное?
2. Два автомобиля движутся по шоссе так, что некоторое время расстоя-
ние между ними не меняется. Указать, относительно каких тел каж-
дый из них находится в покое и относительно каких тел они в тече-
ние этого времени движутся.
3. Какую линию представляет собой траектория движения конца часо-
вой, минутной или секундной стрелок часов?
4. Назовите отличительные признаки поступательного и вращательного
движений тела.
5. К какому виду движений —поступательному или ,вращательному—
можно отнести следующие движения: падение камня, спокойно вы-
пущенного из рук; падение от легкого толчка книги, стоявшей на
столе в вертикальном положении; ведра, поднимаемого из колод-
ца; лопастей вентилятора?
6. Приведите сами примеры поступательного и вращательного движе-
ний тел.
7. Какое движение совершает рубанок при строгании?
8
8. К какому виду движения можно отнести движение трактора при
пахоте?
9. Как бы вы назвали движение напильника при обработке плоской
поверхности детали?
10. Рассмотрите токарный станок в механической мастерской вашей
школы и определите, какие части станка совершают поступательное
движение, а какие — вращате. юе.
3. Прямолинейное равномерное и неравномерное
движения тел
При непрерывной работе транспортера, изображенного на
рисунке 4, положенные на его ленту тюки хлопка движутся
прямолинейно и равномерно, т. е. так, что за
одинаковые промежутки времени проходят одинаковые расстояния.
Автомобили или поезда на прямолинейных участках пути также
могут двигаться равномерно и прямолинейно.
На опыте прямолинейное и равномерное движение можно
осуществить при помощи тележки, установленной на горизонталь-
ной гладкой доске (рис. 9, а).
У края доски находится колесико (блок), через которое пере-
кинута нить. Один конец нити прикреплен к тележке, к другому
концу нити привязан груз. На тележке стоит капельница — сосуд
с водой, подкрашенной чернилами.
Рис. 9. Опыты с тележкой и капельницей: а —тележка движется равно-
мерно; б — тележка движется неравномерно.
9
Привязанный к нити груз должен быть такой величины,
чтобы тележка начинала двигаться при самом легком толчке.
Приоткроем кран капельницы и легким толчком приведем те-
лежку в движение. Падающие из капельницы через равные про-
межутки времени капли будут оставлять на бумажной ленте метки
(рис. 9,а).
Измерив расстояние между метками, мы найдем, что они при-
близительно равны друг другу.
Поставим тележку на прежнее место и приоткроем кран капель-
ницы посильнее. Капли будут падать чаще. Если теперь снова
привести тележку в движение, метки будут располагаться гуще,
но все равно на одинаковых расстояниях друг от друга.
Движение, при котором тело в любые равные промежутки вре-
мени проходит равные пути, называется равномерным движе-
нием.
Установить равномерность какого-нибудь движения можно,
измеряя пройденные пути за равные промежутки времени. Так,
например, если какое-нибудь тело в первую минуту от начала
движения проходит 100 м, в каждую следующую минуту также
по 100 м, в каждую половину минуты по 50 м, в каждую десятую
долю минуты по Ю м и т. д., то это тело движется равно-
мерно.
Движение может быть и неравномерным. Привяжем к нити
такой груз (рис. 9, б), чтобы тележка начала двигаться без толчка.
Падающие капли оставят следы, но уже не на равных расстояниях
друг от друга. Это значит, что теперь тележка за равные проме-
жутки времени проходит неодинаковые расстояния.
Движение, при котором тело в любые равные промежутки вре-
мени проходит неравные пути, называется неравномерным дви-
жением.
Неравномерно движется автомобиль при трогании с места
или при торможении. Неравномерным является движение лыж-
ника или санок с горы. Вообще неравномерное движение в прак-
тике встречается гораздо чаще, чем равномерное.
4. Измерение времени
В основу измерения времени может быть положено любое по-
вторяющееся явление, протекающее в течение определенного
времени.
На Земле, например, неизменно повторяется смена времен
года и смена дня и ночи.
Ю
Эти явления с давних пор используются людьми для измере-
ния времени.
Мы знаем, что смена времен сода объясняется обращением
Земли вокруг Солнца, а смена дня и ночи — вращением Земли
вокруг своей оси. Время одного оборота Земли вокруг Солнца
определяет продолжительность года, а время одного оборота
вокруг оси — длительность суток.
Вследствие вращения Земли вокруг своей оси видимое поло-
жение Солнца на небосводе меняется.
Момент времени, когда Солнце занимает самое высокое поло-
жение на небесном своде, называется полднем. Промежуток вре-
мени между двумя последовательными полуднями называется
сутками.
В физике за основную единицу измерения времени принимается
секунда.
Время измеряется приборами, называемыми часами. В основе
их устройства также лежат повторяющиеся явления, протекаю-
щие в течение определенного времени. К таким явлениям отно-
сится, например, колебание маятника.
Простейшим маятником является тяжелый шарик, подвешен-
ный на нитке (рис. 10). В спокойном состоянии, или, как говорят,
в состоянии равновесия, маятник занимает вертикальное поло-
жение.
Взявшись за шарик, отклоним маятник влево и выпустим ша-
рик из рук. Маятник начнет двигаться вправо. Он пройдет, не
останавливаясь, через положение равновесия и отклонится вправо
от него; дойдя до крайнего правого положения, остановится, а
затем будет двигаться влево и, пройдя вновь положение равновесия,
достигнет крайнего левого положения. Маятник при этом совершит
одно полное колебание. Затем колебания маятника будут повто-
ряться.
Еще великий итальянский ученый Галилео Галилей (1564—
1642) заметил, что каждое движение от одного крайнего положения
до другого (одно качание) маятник совершает за одинаковое время.
Время колебания маятника можно изменять, уменьшая или
увеличивая длину маятника. Чем длиннее маятник, тем время
одного колебания больше, и, наоборот, чем короче маятник, тем
это время меньше.
.Маятник, время качания которого равно 1 сек, называется
секундным. Секундный маятник имеет длину около метра.
В стенных часах чаще применяется в четыре раза более ко-
роткий маятник, совершающий одно качание за полсекунды.
Карманные и наручные часы имеют маятник в виде колесика
со спиральной пружиной. Колесико этого маятника также колеб-
лется, попеременно вращаясь то в одну, то в другую сторону.
И
Рис. 10.
Для измерения небольших промежутков времени применяют
секундомеры. У секундомера имеется большая стрелка, ко-
нец которой за секунду описывает дугу большой длины, и поэтому
по его шкале можно отсчитывать даже десятые доли секунды. За
одну минуту стрелка делает полный оборот. Число минут показывает
маленькая стрелка. Секундомер пускается в ход нажатием на за-
водную головку. Второе нажатие останавливает стрелки. Третье
нажатие возвращает стрелки в начальное положение. Если нужно
определить время, за которое, например, спортсмен пробегает
дистанцию, судья нажимает головку секундомера в начале бега
(стрелки приходят в движение) и в конце (стрелки останавли-
ваются).
Знание точного времени имеет в жизни людей большое значение.
В определенное время начинается работа на фабриках и заводах,
занятия в учебных заведениях. Имея неточные часы, можно опоз-
дать на занятия, на поезд. Для проверки часов каждый час по радио
передаются специальные сигналы точного времени. Эти сигналы
согласованы с ходом очень точных часов, установленных в Госу-
дарственном астрономическом институте, находящемся в Москве.
Ход этих часов регулярно проверяется по видимому движению
небесных светил (звезд).
12
Упражнение 2.
1. Приведите примеры тел, движущихся относительно Земли; неподвиж-
ных относительно Земли.
2. Приведите примеры прямолинейного и равномерного движения.
3. Равномерно или неравномерно движутся при работе рубанок, пила,
напильник?
4. Придумайте какой-нибудь простой способ для отсчета равных про-
межутков времени.
5. Изготовьте маятник, подвесив на нити длиной 1 м гирьку или каме-
шек. Проверьте по часам, является ли ваш маятник секундным.
5. Скорость тела при равномерном движении.
Единицы скорости
По шоссе идет пешеход, мчится автомобиль, над шоссе в воз-
духе проносится самолет (рис. 11). Равномерные движения этих
тел отличаются друг от друга тем, что автомобиль движется быст-
рее пешехода, а самолет быстрее автомобиля. Это. значит, что в
течение одного и того же промежутка времени автомобиль прохо-
дит больший путь, чем пешеход, а самолет — больший, чем ав-
томобиль.
От общих рассуждений обратимся теперь к опыту. Для этого
используем тележку с капельницей, описанную в § 3.
Установим тележку на горизонтальную доску и приведем
ее в движение один раз легким толчком, а другой раз более силь-
ным.
Метки, сделанные на бумажных лентах капельницей, пока-
жут, что в обоих случаях тележка двигалась равномерно, но за
одно и то же время проходила неодинаковые пути.
Движения тележки в этих двух случаях различаются скорос-
тью} когда тележка в единицу времени проходит больший
путь, она движется с большей скоростью.
Скорость тела при равномерном движении показывает, какой
путь проходит тело в единицу времени.
Если пешеход проходит каждую минуту 0,1 км, автомобиль —
1 км, а самолет — 10 км, то говорят, что скорость пешехода 0,1 ки-
лометра в минуту, скорость автомобиля 1 километр в минуту,
а скорость самолета 10 километров в минуту.
Если тележка в нашем опыте за 3 сек проходит путь, равный
45 см, то ее скорость равна (читается так: 15
сантиметров в секунду). Если же велосипедист, двигаясь
13
Рис. 11.
равномерно, проезжает в течение 5 сек 25 м, то его скорость равна
5 метрам в секунду (5 2L
\ сек
Чтобы определить скорость тела при равномерном движении,
надо путь, пройденный телом за какой-нибудь промежу-
ток времени, разделить на величину этого промежутка.
Сокращенно это правило можно записать так:
скорость =
путь
время
Введем буквенные обозначения:
S — пройденный путь; v — скорость; t — время.
Тогда правило для вычисления скорости равномерного дви-
жения можно записать в виде формулы:
—т
Скорость есть физическая величина, для ее измерения уста-
новлены специальные единицы.
За единицу скорости принимается скорость такого равномер-
ного движения, при котором движущееся тело в единицу времени
(1 сек, 1 мин, 1 ч) проходит путь, равный единице длины (1 см,
1 м, 1 км).
Таким образом, единицами скорости могут быть 1-^- , 1——,
С£К С€К
я М « КМ
1 1— и другие. Одну и ту же величину скорости можно
выразить в различных единицах.
14
Пример. Автомобиль движется со скоростью 72-^* Выра-
м
зить скорость в —.
Решение. Переведем километры в метры, а часы в секу и-
ды: 72 /си=72 000 м, 1 «=3600 сек, 72~=^° я =20 —.
ч 3 600 сек сек
Таким образом, численное значение скорости, как и любой другой
физической величины .(длины, объема, веса и др.), зависит от вы-
бранной единицы измерения.
В разных случаях применяются различные единицы скорости.
Скорость движения поездов, автомобилей, самолетов чаще всего
измеряют в километрах в час. Скорость резания металла на стан-
ках — в метрах в минуту. В физике основной единицей изме-
рения скорости является метр в секунду. Применяются и дру-
гие единицы.
В технике скорость движения измеряется при помощи специ-
альных приборов. Один из таких приборов, называемый спидо-
метром1, устанавливается на автомобиле. Механизм спидометра
связан с колесами автомобиля. Скорость движения автомобиля
указывает стрелка на шкале спидометра.
Таблица скоростей, встречающихся в природе и технике
Улитка ......................
Пешеход .....................
Конькобежец . ♦ .............
Поезд .............. . . . .
Автомобиль (легковой) ....
Скорость резания металла . . .
Самолет винтомоторный * . . .
Звук в воздухе (при 0°С) . . .
Реактивный самолет (1969 г ) .
Пуля винтовки . , ...........
Звук в воде
Луна вокруг Земли
Искусственные спутники Земли
Земля вокруг Солнца .........
Свет и радиоволны
сек
1,2—1.8 ——
сек
до 12 »
17 » (в среднем)
22 » (в среднем)
до 4000—~ , или 67 -Л—
мин сек
до 210 ——
сек
332 »
дет 663 »
860 »
1450 »
I км
сек
около 8 »
29,9 »
300 000 »
^Спидометр — в переводе с английского — счетчик скорости.
15
Зная скорость равномерного движения тела, легко узнать путь,
пройденный им за определенное время. Так, например, если поезд
идет со скоростью 25 то это означает, что каждую секунду
он проходит 25 м. За 5 сек поезд пройдет 25 = 125 м, за 10 сек
пройдет 25 jw-10 = 250 м и т. д.
Чтобы определить пройденный путь, надо скорость тела умно-
жить на время его движения:
s — vt
Упражнение 3.
1. Поезд идет со скоростью 60 Выразите эту скорость в метрах в
секунду.
2. Наблюдатель услышал гром через 6 сек. после вспышки молнии.
На каком расстоянии от наблюдателя была молния?
3. На велосипеде можно без особого напряжения ехать со скоростью
3 На какое расстояние можно отъехать за 1,5 ч?
сек
6. Средняя скорость тела при неравномерном движении
Поезда, пароходы, автомобили и самолеты, как уже указыва-
лось (§ 3), между остановками движутся неравномерно, т.е. в рав-
ные промежутки времени проходят неодинаковые пути. Однако
мы говорим о скорости движения поезда, парохода, автомобиля
и самолета. О какой же скорости идет здесь речь?
Говоря о скорости' неравномерного движения на каком-нибудь
участке пути, имеют в виду среднюю скорость.
Рассмотрим пример.
Расстояние между Москвой и Ленинградом 650 км. Поезд про-
ходит это расстояние за 10 ч.
Понятно, что на всем пути в целом поезд движется неравномерно.
Временами поезд движется быстро (например, под уклон), вре-
менами медленно (на подъеме), а иногда и совсем не движется (на
остановках).
Допустим теперь, что расстояние 650 км между Москвой и
Ленинградом поезд прошел за те же 10 ч, но двигаясь равномерно.
Разделив путь на время, мы найдем скорость такого равномер-
650 км п г км
кого движения: v = “TqV == 65—,
16
Скорость 65 — в то же время будет средней скоростью
неравномерного движения поезда между Москвой и Ленинградом.
Чтобы определить среднюю скорость тела при неравномерном
движении, надо пройденный телом путь разделить на время,
за которое этот путь был пройден.
путь
средняя скорость =
" ......... ...........
или
®сР “ —
Но так же рассчитывается и1 скорость при равномерном дви-
жении тела, которая в отличие от средней скорости неравномер-
ного движения на любом участке пути будет одинакова.
Если известны путь и средняя скорость тела на этом пути,
то, разделив пройденный телом путь на среднюю скорость, мож-
но определить время движения тела.
_ пУть время = г г средняя скорость ИЛИ и 51*
Например, самолет ТУ-104, средняя скорость которого равна
800—, пролетит расстояние от Москвы до Свердловска, равное
/ 1400 Qi
1400 км, за lj-ч I / — ЙПП км = 1 75 ч
4 \ оии
Упражнение 4.
1. Лыжник, спускаясь с горы, проходит 50 м за 6 сек. Спустившись
с горы и продолжая двигаться, он проходит до полной остановки
еще 30 м за 15 сек. Найти среднюю скорость лыжника за время дви-
жения по склону горы и за все время движения.
2. Поезд прошел первые 200 м со средней скоростью 10 — и следую-
сек
щие 360 м —со средней скоростью 12 —. Определить среднюю скорость
поезда на всем участке пути.
3. Лучшие конькобежцы пробегают дистанцию 1500 м примерно за 2 мин
12 сек. Определить, с какой средней скоростью они бегут.
4. Советская спортсменка Л Козырева на международных соревнова-
ниях лыжников в 1955 г. пробежала 10 км за 49 мин 25 сек. Найти
среднюю скорость бега спортсменки.
17
7. Сила трения
Часто можно наблюдать, как тело, движущееся под действием
силы (т. е. в результате действия* на него другого тела или несколь-
ких тел), постепенно останавливается, если действие этой силы
прекращается,
Прекращается движение частей станка, если выключить дви-
гатель; останавливается велосипед, если велосипедист перестает
работать ногами. Разогнавшись, можно некоторое время скользить
на коньках или на лыжах. Но если не прикладывать усилий,
скольжение прекращается. Во всех рассмотренных примерах оста-
новка тел вызывается трением.
Одной из причин трения является то, что поверхности тел,
даже самые гладкие на вид, имеют неровности, бугорки и цара-
пины. На рисунке 12, слева, эти неровности изображены в увели-
ченном виде. Зацепляясь друг за друга, выступы препятствуют
движению одного тела по поверхности другого. Существует еще
одна причина трения — взаимное притяжение молекул соприка-
сающихся тел. Когда поверхности трущихся тел шероховаты,
трение обусловлено главным образом первой причиной. При очень
гладких, полированных поверхностях сильнее сказывается моле-
кулярная природа трения.
Трение можно уменьшить во много раз, если ввести между
трущимися поверхностями смазку. Слой смазки (рис. 12,
справа) разъединяет поверхности трущихся тел, не дает им со-
прикасаться. В качестве смазки широко применяются различные
масла.
Очень малое трение при скольжении по льду, например на
коньках, также объясняется действием смазки.
При движении по льду между коньками и льдом образуется
тонкий слой воды, которая играет роль смазки.
При трении скорость движущегося тела изменяется, а это
означает, что на это тело действует сила. (Вспомните, что сила,
по определению,— это причина изменения движения тела, в част-
ности его скорости; см. «Физика», учебник для VI класса, § 16.)
Сила, препятствующая движению одного тела по поверхности
другого, называется силой трения.
Различают несколько видов трения, в зависимости от того,
как происходит взаимодействие трущихся тел.
При скольжении одного тела по другому говорят о
трении скольжения. Примерами могут служить: трение при
движении саней по снегу; рубанка по дереву; пилы, зажатой в
распиле бревна, и т. д.
При движении автомобиля, вагона, телеги их колеса не сколь-
зят, а катятся по различным поверхностям: шоссе, рель-
18
Рис. 12. Трение поверхностей при отсутствии смазки (а) и при наличии
смазки (б). Трущиеся поверхности изображены в разрезе.
сам, грунту. Трение в таком случае называется трением
качения.
Трение проявляется и тогда, когда на неподвижное тело дейст-
вует сила, стремящаяся переместить его вдоль поверхности дру-
гого тела. В этом случае трение мешает телу сдвинуться с места.
Такой вид трения называется трением покоя.
С трением покоя очень часто приходится сталкиваться на прак-
тике. Тяжелый стол, шкаф трудно сдвинуть с места: мешает сила
трения покоя. Трение покоя проявляется в точках соприкосно-
вения ведущих колес автомобиля с дорогой, ведущих колес локо-
мотива с рельсами, в месте соприкосновения ног идущего челове-
ка с почвой и т. д. При сильном уменьшении трения покоя, напри-
мер во время гололеда, ведущие колеса автомобиля буксуют,
проскальзывают, машина не может двигаться. Ходить при гололеде
очень трудно, так как с уменьшением трения покоя ноги начинают
сильно скользить.
Чтобы измерить силу трения скольжения деревянного бруска
по доске, поступим следующим образом. Положим брусок на гори-
зонтальную доску и нагрузим его гирей. Будем равномерно дви-
гать брусок по доске при помощи динамометра (рис. 13, а). По
показанию динамометра определим силу тяги. Силой сопротив-
ления в данном случае является сила трения, возникающая при
движении бруска по поверхности доски.
В случае равномерного движения бруска сила тяги равна силе
трения. (Это подробно будет показано в § 13.)
Таким образом, измерив силу тяги, мы найдем силу трения.
Пользуясь динамометром, можно таким же образом опреде-
лить силу трения скольжения и в других случаях, например при
19
Рис. 13: а —определение силы трения скольжения; б —определение силы
трения качения.
движении саней по снегу, при передвижении какого-нибудь груза
по полу и т. д. Необходимо только, чтобы перемещение саней или
груза было равномерным.
Положим теперь брусок, о котором говорилось выше, с той же
нагрузкой на две круглые палочки (рис. 13, б). Если теперь изме-
рить силу трения, то она окажется значительно меньше, чем при
скольжении.
Рассмотрим еще один пример. Установим наклонно книгу и
положим на нее вдоль наклона круглый карандаш. Карандаш оста*
нется в покое. Положим теперь карандаш поперек наклона — он
скатится с книги.
При равных нагрузках сила трения качения всегда меньше
силы трения скольжения.
8. Коэффициент трения
Передвигать по полу тяжелый ящик труднее, чем легкий.
При равномерном передвижении саней по горизонтальному
пути сила тяги должна быть тем больше, чем тяжелее лежащий
на санях груз.
Примеры эти показывают, что, чем тяжелее тело, тем большая
сила тяги требуется для его равномерного передвижения по по-
верхности какого-нибудь другого тела, тем больше, следовательно,
сила трения.
Изучим на опыте, от чего зависит величина силы трения. Для
этого воспользуемся установкой, изображенной на рисунке 13, а,
20
только не будем брусок нагружать гирей. Взвесим брусок и опре-
делим динамометром силу трения так, как это было описано в
предыдущем параграфе.
Допустим, что вес бруска (сила давления) 800 Г, а сила трения,
измеренная динамометром, 240 Г. Разделив величину силы трения
240Г п о
на силу давления, мы получим: доог=
Положим на брусок второй такой же по весу брусок. Два бруска
будут давить теперь на доску с силой 1600 Г. Измерив динамо-
метром силу трения, найдем, что она равна 480 Г, т. е. увели-
чилась вдвое. Разделив силу трения на силу давления, получим
Л /480 Г \
то же число 0,3 I ]боо Г = 0>3 )•
Если теперь на второй брусок положить такой же третий бру-
сок, то при силе давления на доску в 2400 Г сила трения окажется
равной _ 720 Г. Отношение силы трения к силе давления будет
/ 720Г Л \
равно тому же числу 0,3 124o6Tr== 0>31 > которое получалось в
первых двух опытах.
Сделаем теперь выводы из наших опытов.
1. С увеличением силы давления пропорционально увеличива-
ется и сила трения.
Следовательно, сила трения пропорциональна силе давления.
2. Отношение силы трения к силе давления не меняется при
изменении силы давления.
Отношение силы трения скольжения к силе давления называ-
ется коэффициентом трения.
Если коэффициент трения обозначить буквой k, силу давле-
ния — Едавл, а силу трения—Етр, то наш вывод можно записать
в виде формулы:
ь — ^тр
к — Р давл
При замене в нашем опыте гладкой доски шероховатой полу-
чим, что при одной и той же силе давления сила трения увели-
чится. Следовательно, увеличится и коэффициент трения. Опыт
показывает также, что коэффициент трения изменяется и при за-
мене одного материала другим, например деревянной доски ме-
таллическим листом.
Таким образом, коэффициент трения зависит от свойств по-
верхности тел: от качества их обработки и материала самих тел.
21
Для некоторых материалов коэффициент трения скольжения
приведен ниже в таблице.
Коэффициент трения скольжения для различных
трущихся тел
Сталь по льду . . *....................... 0,02
Дерево по льду............................ 0,035
Сталь по стали ........................... 0,17
Дуб по дубу ................................ 0,20—0,40
Кожаный ремень по чугуну ................. 0,28
Кожаный ремень по дереву................. 0,40
Резина (шина) по твердому грунту........., 0,40—0,60
Зная коэффициент трения и силу давления, можно рассчитать
силу трения по формуле:
FTp = k FдаВл.
При движении тела по горизонтальному пути силой давления
является вес тела, обозначаемый буквой Р (Гдавл = Р).
Пример. Какую силу надо приложить, чтобы равномерно
двигать деревянные сани весом Р == 500 кГ по горизонтальной
ледяной дороге? Коэффициент трения дерева о лед k — 0,035.
Решение: FTp = 0,035-500 кГ = 17,5 кГ; Гтр = Гтяги, сле-
довательно,
^тяги =17,5 кГ.
0. Лабораторная работа 1.
Определение коэффициента трения дерева по дереву
Приборы и материалы: деревянная доска; деревянный бру-
сок; три одинакового веса гирьки; одна гиря весом 1 кГ\ динамо-
метр.
Указания к работе:
1. Определите вес бруска.
2. Определите силу трения при равномерном движении бруска с одной,
двумя и тремя гирьками.
3. Результаты измерений занесите в таблицу.
№ опыта Вес бруска с гирь- ками (сила давле- НИЯ) Гдавл Сила тре- ния Гтр /ТР —If Лзвл Среднее значение коэффициента трения k
.22
Рассчитайте по полученному вами среднему значению коэффициента
трения силу трения в случае, если брусок нагрузить гирей весом 1 кГ.
Проверьте результат расчета на опыте.
Упражнение 5.
1. Определяя на опыте коэффициент трения чугуна по дереву, ученик
получил следующие данные:
^давл ^тр
2кГ 1 кГ
3 кГ 1,4 кГ
4 кГ 1,9 кГ
Рассчитать по этим данным среднее значение коэффициента трения о
точностью до 0,1.
2. Штукатур для разравнивания раствора, нанесенного на стенку,
использует деревянную рейку (правило). При этом он надавливает
на нее с силой 2 кГ и перемещает по стене, прилагая силу в 0,6 кГ.
Определить коэффициент трения скольжения.
3. Общий вес грузового поезда 2500 Т. Определить силу тяги, развивае-
мую тепловозом при равномерном движении по горизонтальному
пути, если коэффициент трения 0,003.
4. Грузовой автомобиль при равномерном движении по грунтовой
горизонтальной дороге развивает силу тяги 175 кГ. Рассчитать вес
автомобиля. Коэффициент трения 0,04.
10. Способы увеличения и уменьшения силы трения.
Шариковые и роликовые подшипники
В жизни и технике трение имеет большое значение.
При ходьбе мы отталкиваемся ногами от земли. Если же тре-
ние между подошвой обуви и землей мало, например в гололедицу,
то отталкиваться от земли трудно, ноги при этом скользят. Чтобы
ноги прохожих не скользили, улицы в городах посыпают песком.
При этом увеличивается сила трения между подошвой обуви и
землей.
Иногда колеса автомобиля на скользкой дороге быстро вра-
щаются, но автомобиль не сдвигается с места — машина буксуег.
Это явление происходит в том случае, когда сила трения между
ведущими колесами1 автомобиля и дорогой мала.
1 Ведущие колеса автомобиля соединены через систему передач с авто-
мобильным двигателем, который их вращает. Ведущими колесами (обыч-
но задними) автомобиль как бы отталкивается от дороги.
23
Чтобы увеличить трение, до-
рогу посыпают песком, а по-
верхность шин делают с ребри-
стыми выступами. Зимой, когда
дорога бывает особенно скольз-
кая, на ведущие колеса автомо-
биля иногда приходится наде-
вать специальные цепи.
Рассмотрим еще один пример
использования трения. У свер-
лильного станка, который имеет-
ся в школьных мастерских, вра-
щательное движение от двигате-
ля к сверлу передается при по-
мощи ремня. Чтобы ремень не
проскальзывал на шкивах, его
смазывают специальной липкой
пастой. Это увеличивает тре-
ние между ремнем и шкивами.
Во всех рассмотренных на-
ми примерах трение играет по-
лезную роль.
Во многих же случаях тре-
ние вредно, и его стараются
уменьшить. Так, например, тре-
ние вызывает износ движущих-
ся частей машин. Для уменьшения трения трущиеся поверхно-
сти делают гладкими и между ними вводят слой масла (смазку).
Применение смазки уменьшает силу трения в 8—10 раз.
Валы машин и станков опираются на подшипники.
Деталь разъемного подшипника (рис. 14), непосредственно со-
прикасающаяся с валом, называется вкладышем. Вкладыши
делают из бронзы, чугуна или стали. Для уменьшения трения
между вкладышем и вращающимся валом внутреннюю поверх-
ность чугунного или стального вкладыша покрывают особым ма-
териалом, чаще всего баббитом1.
На рисунке 14 изображен подшипник, в котором вал 3 при
вращении скользит по поверхности вкладыша 2. В подшипни-
ке есть отверстие для смазки 4. Подшипники такого рода назы-
ваются подшипниками скольжения.
Для передвижения тяжелых предметов очень часто под них
подкладываются катки (рис. 15). Этим приемом заменяют трение
скольжения трением качения. Сила же трения качения, как уже
было установлено, при одинаковой нагрузке значительно меньше
1 Баббит — сплав свинца, олова и других металлов.
24
Рис. 15.
силы трения скольжения. На эТом явлении основано применение
шариковых и роликовых подшипников (рис. 16). В таких под-
шипниках вращающийся вал не скользит по неподвижному вкла-
дышу подшипника, а катится по нему на стальных шариках или
роликах.
Внутреннее кольцо подшипника, изготовленное из закален-
ной стали, прочно насаживается на вал. Наружное же кольцо
закрепляется в корпусе машины. При вращении вала внутрен-
нее кольцо катится на шариках или роликах, находящихся меж-
ду кольцами.
Замена в машинах подшипников скольжения шариковыми
или роликовыми подшипниками позволяет уменьшить силу трения
в 20—30 раз.
Рис. 16. Шариковые (а) и роликовые (б) подшипники.
25
1
Рис. 17. Велосипед: 1 — руль; 2—педаль; 3—цепная передача. Стрел-
ками показаны места, где помещены шариковые подшипники. Шариковые
подшипники во втулке велосипедного колеса (внизу): 1 —шарики; 2 —кор-
пус втулки.
Шариковыми и роликовыми подшипниками снабжаются раз-
нообразные машины: автомобили, токарные стайки# текстильные
машины, электрические двигатели, велосипеды (рис. 17).
Упражнение 6.
I. Приведите примеры движений тел при наличии трения скольжения,
трения качения.
2. Какое из известных вам движений происходит с наименьшим трением
скольжения?
3. При завинчивании шурупов в дерево столяры предварительно вты-
кают шуруп в кусочек воска, Зачем это делается?
4. Приведите в быстрое вращение колесо велосипеда. Если его не трогать,
оно вращается довольно долго. Повторите опыт, приложив к ободу
колеса кусок картона или плотной бумаги. Почему в этом случае ко-
лесо вскоре останавливается? Какая сила замедляет движение колеса?
5. Почему после дождя опасно съезжать на автомобиле по грунтовой до-
роге с уклоном вниз?
6. Зачем вратарь футбольной команды надевает на время игры специаль-
ные перчатки, имеющие на ладонях и пальцах тонкий слой шерохова-
той резины?
7. Посмотрите в мастерской, на каких подшипниках работают электро-
двигатели токарных и сверлильных станков.
26
11. Инерция
Мы из опыта знаем, что если какое-нибудь тело находится
в покое, то само оно, без всякой причины, в движение не придет.
Положенная на стол книга будет лежать на месте, пока кто-
нибудь не переложит ее на другое место. Поезд стоит на месте
до тех пор, пока тепловоз или электровоз не начнет его тянуть.
Груз сам собой не поднимается вверх. Пуля, вложенная в ружье,
не вылетит до тех пор, пока ее не вытолкнут пороховые газы.
Во всех случаях, для того чтобы вывести тело из состояния,
покоя, на него должно подействовать какое-нибудь другое тело,
или, как принято говорить, на тело должна подействовать сила.
Часто приходится наблюдать, как движется разогнавшийся
велосипедист, не работая педалями. Довольно долго движется
автомобиль после выключения двигателя. Пуля, вытолкнутая из
ружья пороховыми газами, продолжает движение и вне ружья,
где на нее уже не действуют пороховые газы.
Но в конце концов все упомянутые тела со временем останав-
ливаются. И мы знаем, что причиной этому является трение или
сопротивление воздуха. Чем меньше сопротивление движению, тем
дольше тело движется. Проделаем опыт.
Установим наклонно на столе доску. Насыплем на стол, на
небольшом расстоянии от конца доски, горку песку. Поместим на
наклонную доску тележку и представим ей возможность скаты-
ваться вниз подоске. Тележка, скатившись с доски на стол и
попав в песок, быстро останавливается. Выровняем песок на столе
и вновь пустим тележку по доске с прежней высоты. Теперь те-
лежка пройдет большее расстояние по столу, прежде чем остано-
вится. Если совсем убрать песок с пути тележки, то до остановки
она пройдет еще большее расстояние. Песок создает значительное
трение, препятствующее движению тележки.
Если же тележка, скатившись со стола, попадет на стек-
лянную поверхность, то она будет катиться до остановки еще
большее расстояние, так как трение колес о стеклянную повер-
хность значительно меньше.
Следовательно, движение тележки сохраняется тем дольше,
чем меньше препятствий тележка встречает на своем пути.
Примером движения тел при наличии очень малого сопротив-
ления может служить движение искусственных спутников Земли.
Верхние разреженные слои атмосферы оказывают незначитель-
ное сопротивление их движению, поэтому спутники могут вра-
щаться вокруг Земли продолжительное время.
Лыжник, стремительно спустившийся с горы, тоже доволь-
но долго катится дальше по ровной горизонтальной поверхнос-
ти снежного поля (рис. 18). И если бы препятствий движению
совсем не было, то любое тело, приведенное в движение, про-
должало бы двигаться сколь угодно долго.
27
Исаак Ньютон (1643—1727) —
гениальный английский физик и
математик. Им открыты основные
законы механики, изучены мно-
гие свойства света, разработа-
ны важнейшие разделы высшей
математики.
мо собой не может ни
своего движения.
К этому выводу впервые при-
шел итальянский ученый Галилео
Галилей, наблюдая за движением
различных тел.
Великий английский ученый
Исаак Ньютон (1643—1727) это
открытие Галилея ввел в науку в
качестве одного из основных за-
конов механики.
Наблюдения также показывают,
что тело, движущееся прямолиней-
но, само собой не может изменить
направление своего дви-
жения.
Так, например, чтобы напра-
вить в ворота летящий мяч, фут-
болист ударяет по нему ногой или
головой.
Таким образом, покоящееся те-
ло само по себе (без действия на
него других тел) не может начать
двигаться, а движущееся тело са-
остановиться, ни изменить направления
Свойство тела сохранять состояние покоя или прямолинейного
и равномерного движения называется инерцией тела.
Инерция есть свойство, присущее всем телам природы.
С проявлением инерции тел нам приходится встречаться по-
стоянно во всех случаях, когда бывает нужно привести в движе-
ние какое-нибудь тело, остановить движущееся тело или изме-
нить направление его движения.
При беге нам нужно приложить усилие, чтобы разогнаться,
а разогнавшись, невозможно моментально остановиться. Всякий
знает, как трудно быстро бегущему человеку внезапно изменить
направление своего движения.
Вследствие того, что все тела обладают инерцией, невозможно
сразу заставить двигаться инструмент или обрабатываемую де-
таль, так же как и мгновенно остановить их.
Большое значение имеет инерция на транспорте. Нельзя мгно-
венно остановить движущийся автомобиль, трамвай или поезд.
Даже если затормозить колеса автомобиля, прекратив их вра-
щение, то все-таки некоторое время машина будет двигаться впе-
ред, скользя колесами по дороге. При резком торможении авто-
мобиля или поезда пассажиры, продолжая по инерции двигаться,
могут упасть.
28
Упражнение 7.
1. Приведите примеры движения тел по инерции.
2. Почему можно насадить молоток на рукоятку, ударяя по концу
рукоятки вторым молотком?
3. Можно насадить молоток на рукоятку, ударяя конец рукоятки о ка-
кую-нибудь твердую поверхность. Объясните этот способ.
4. Почему иногда падает споткнувшийся человек? В какую сторону?
5. На чем основана чистка одежды от пыли при ее выколачивании,
при встряхивании?
6. В момент, когда после прыжка человек касается ногами земли,
он их сгибает. Объясните почему.
7. Объясните, почему падает стоящий на тележке брусок, когда тележ-
ка резко останавливается.
8. По какой части рубанка нужно ударить деревянным молотком, чтобы
железка опустилась глубже? Чтобы несколько поднялась?
9. В какую сторону отклоняются пассажиры автобуса: при трогании
с места, при торможении, при повороте автобуса вправо, при повороте
влево?
10. Почему человек, впервые надевший коньки, обычно падает вперед, въез°
жая с гладкого льда на снег, а съезжая со снеговой дорожки на лед,
падает назад?
И. Почему нельзя перебегать улицу перед близко идущим транспортом?
12. Приведите примеры, когда инерция тел используется как полезное яв-
ление и когда это свойство тел приносит вред.
13. Перед, остановкой автобуса шофер заблаговременно отключает двига°
те ль от ведущих колес машины и этим экономит горючее. Почему?
Рис. 18. Примеры движения тел при наличии малого сопротивления.
29
12. Как Можно осуществить равномерное прямолинейное
движение?
Мы теперь знаем, что если на тело не действует сила, то оно
либо находится в покое, либо движется равномерно и прямоли-
нейно. Но на практике на все тела обычно всегда действуют какие-
нибудь силы (сила тяжести, сила трения и др.), устранить их
полностью невозможно. Как в таком случае можно осуществить
равномерное и прямолинейное движение тела? Обратимся к опыту.
Рис. 19.
Прикрепим к бруску два динамометра (рис. 19) и будем дей-
ствовать на него вдоль одной и той же прямой равными силами,
направленными в противоположные стороны. Брусок останется
в покое.
Следовательно, тело останется в покое не только тогда, когда
на него не действуют никакие силы, но и тогда, когда действую-
щие силы равны по величине и направлены по одной прямой в
противоположные стороны.
Посмотрим теперь, как скажется действие двух равных и про-
тивоположно направленных сил на движущееся тело, например
автомобиль.
Автомобиль трогается с места и набирает скорость благодаря
действию силы тяги, которую создает двигатель автомобиля. Но
вместе с ростом скорости начинает увеличиваться и сила сопро-
тивления движению, которая всегда направлена в сторону, про-
тивоположную движению тела.
При некоторой скорости движения сила сопротивления, со-
здаваемая встречным потоком воздуха и трением колес о дорогу,
окажется равной силе тяги двигателя автомобиля. Как только
сила тяги и сила сопротивления сравняются по величине, они
уравновесят друг друга, так как направлены они всегда по одной
прямой в противоположные стороны.
Совместное действие этих сил на автомобиль сведется к нулю.
С этого момента автомобиль с достигнутой скоростью будет дви-
гаться прямолинейно и равномерно.
Так же прямолинейно и равномерно будет двигаться тепло-
ход, если сила тяги, создаваемая его двигателями, равна силе
сопротивления воды и воздуха. Все, что было сказано выше, можно
отнести к любому телу, движущемуся равномерно и прямолинейно:
поезду, самолету, ракете и т. д.
30
Если сила тяги равна силе сопротивления, то тело движется
равномерно и прямолинейно.
В проделанном нами ранее опыте по передвижению бруска
по поверхности доски (§ 7) сила тяги, измеряемая динамометром,
преодолевала силу трения. Поскольку движение бруска было
равномерным, сила тяги равнялась силе трения.
13. Действие и противодействие.
Если мы надавим рукой на стол, то почувствуем, что и стол
давит на руку. Сила, приложенная к столу, направлена вер-
тикально вниз, а сила, приложенная к руке, — вертикально
вверх.
Винт моторной лодки отталкивает воду назад, а лодка движется
вперед.
Следовательно, и к воде, и к лодке приложены силы. Эти две
силы направлены в противоположные стороны. Каждая из них
производит свое действие. Сила тяги винта, действуя на воду,
гонит ее назад, а сила, действующая на винт со стороны воды,
толкает винт и всю лодку вперед.
Ведущие колеса тепловоза (электровоза), вращаясь, упирают-
ся в рельсы и с силой F отталкивают их назад (рис. 20). Сила /\,
действующая на колеса со стороны рельсов, заставляет тепловоз
двигаться вперед. В этом случае силы также приложены к раз-
личным телам: к рельсам и к колесам.
Если одну из сил мы назовем действующей, то другая
сила будет, очевидно, противодействующей. Обе силы всегда
действуют одновременно: если нет одной из них, то нет и другой.
Рис, 20.
31
Если есть действие, то есть и противодействие.
Действующая сила приложена к одному из взаимодействую-
щих тел, сила противодействия — к другому.
Проверить только что высказанное утверждение можно на
опыте.
На рисунке 21, вверху, изображен опыт с двумя динамомет-
рами. Если растягивать динамометры в противоположные сторо-
ны, то их стрелки отклонятся на одинаковое число делений, по-
казывая, что на оба динамометра действуют силы равной вели-
чины.
На рисунке 21 силы Fr и F2 равны по величине и противополож-
но направлены. Одна из этих сил приложена к одному динамо-
метру, а другая сила — к другому. При изменении на какую-
нибудь величину одной силь( на такую же величину изменяет-
ся и другая сила.
Если, например, силу F± назвать действующей, то сила F2
будет противодействующей силой.
Показания обоих динамометров будут одинаковыми и в том
случае, если рукой растягивать только один динамометр, а
кольцо другого укрепить к неподвижной стенке. С какой силой
рука действует на стенку, с такой же силой и стенка действует
на руку (рис. 21, внизу).
Рис. 21.
Силы взаимодействия двух тел равны по величине и действуют
вдоль одной и той же прямой в противоположных направле-
ниях.
При этом одна из сил приложена к одному из взаимодействую-
щих тел, а другая — к другому. Это всегда нужно помнить.
Закон взаимодействия тел был открыт Исааком Ньютоном.
32
Упражнение 8.
,1. Объясните, действия каких сил обусловливают возможность ходьбы.
Что в случае ходьбы-можно назвать действием и что противодейст-
вием?
2. Почему если переходить по лодке, плавающей на воде, от кормы к
носу, лодка приходит в движение по направлению от носа к корме^
3. Находясь в лодке и желая ее подтянуть к берегу, мы тянем за веревку,
привязанную к колу, вбитому в землю. Какие здесь действуют
силы?
4. Почему отклоняется ветка, когда с нее взлетает птица?
14. Масса тела. Плотность
1. Масса тела. Мы уже-знаем, что инерция есть общее свойство
всех тел. Инерцией обладают и громадные океанские корабли
и мельчайшие частицы вещества — молекулы, атомы и др.
Так как тело обладает инерцией, оно может изменить свою ско-
рость (уменьшить или увеличить) только под действием силы.
Например, чтобы сообщить покоящемуся футбольному мячу
какую-нибудь скорость, надо с силой ударить по нему ногой. Чем
больше скорость, которую надо сообщить мячу, тем больше должна
быть сила удара. Точно так же, чтобы остановить движущееся
тело, на него надо подействовать силой, направленной против
движения тела. Чем больше скорость тела и чем быстрее мы хотим
его остановить, тем большая для этого понадобится тормозящая
сила.
Но, кроме величины силы, на изменение скорости движения
тела оказывает влияние и свойство самого движущегося тела —
его собственная инертность.
Проделаем такой опыт. Сожмем пружину прибора, вставив в
трубку с обеих сторон пружины по одинаковому грузику и закре-
пив концы пружины нитью (рис. 22, вверху). Если пережечь нить, то
пружина распрямится и подействует на оба грузика, сообщая им
определенную скорость. Так как грузики одинаковые и силы,
действующие на них со стороны пружины, так же равны (как силы
действия и противодействия), то грузики получат одинаковые
скорости и в горизонтальном направлении отлетят на равные рас-
стояния.
Повторим опыт, несколько изменив его. С одной стороны вста-
вим в трубку такой же грузик, как и в первый раз, а с другой —
вдвое больший, двойной грузик (рис. 22, внизу). Заставим пружину
подействовать на грузики. Это действие, как и в первом случае,
будет одинаковым на оба грузика, но теперь они отлетят на раз-
ные расстояния.
Путь, пройденный двойным грузиком в горизонтальном направ-
лении, вдвое меньше пути, пройденного одним грузиком. Это гово-
2 Заказ 221
33
Рис. 22.
рит о том, что скорость, приобретенная двойным грузиком под
действием одинаковой силы, в два раза меньше скорости одного
грузика.
Если проделать опыт еще раз, но с одной стороны пружины
поместить грузик, втрое больший (тройной), чем с другой, то мы
увидим, что в этом случае тройной грузик получит втрое меньшую
скорость и т. д.
Из этих опытов можно сделать вывод, что разные тела обла-
дают различной инертностью. У большего грузика инертность боль-
ше, у меньшего — меньше. Это проявляется в том, что под дей-
ствием одинаковой силы больший груз приобретает меньшую ско-
рость.
Физическая величина, характеризующая инертность тела,
называется массой тела.
Масса тела есть мера инертности тела.
Обозначим массы взаимодействующих грузиков в нашем опыте
через тх и m2t а их скорости соответственно через и v2.
На основании опытов можно составить пропорцию:
_ fi
mi ~' и2 *
34
Написанная пропорция справедлива для любых взаимодейст-
вующих тел. Поэтому можно написать:
Массы взаимодействующих тел обратно пропорциональны их
скоростям.
Если массу одного из тел условно принять за единицу мас-
сы, то из написанной пропорции можно определить массу другого
тела.
Пусть, например, /пх = 1 ед. массы, тогда
/и2 = —— • 1 ед. массы.
У2
2. Масса и вес тела. Масса характеризует не только инертность
тел, но и другое, их свойство — притягиваться друг к другу.
Английский ученый Исаак Ньютон открыл закон природы, со-
гласно которому между телами существует сила взаимного при-
тяжения.
Чем больше массы притягивающихся тел, тем больше сила
притяжения между ними. С увеличением расстояния между
телами сила притяжения уменьшается.
Сила тяжести, действующая на какое-нибудь тело, находя-
щееся на Земле, есть не что иное, как сила взаимного притяже-
ния между этим телом и Землей.
Сила, с которой тело вследствие притяжения Землей давит
на неподвижную горизонтальную подставку или растягивает
вертикальный подвес, называется весом тела.
Чем больше масса тела, тем с большей силой тело притяги-
вается Землей, тем, следовательно, и больше вес тела. Вес тела
пропорционален его массе.
Итак, масса тела характеризует два свойства тела: инертность
и притяжение к другим телам, в частности-к Земле.
Масса и вес тела — это различные физические ее-
личины, их нельзя смешивать друг с другом.
Масса является наиболее общей и постоянной характеристи-
кой тела. Масса тела не зависит от его положения в пространстве.
Перенесенное по земной поверхности с полюса на экватор, под-
нятое на любую высоту, доставленное космической ракетой на
Луну или какую-нибудь другую планету, тело всегда будет иметь
одну и ту же массу. Этим масса существенно отличается от веса
тела.
Вес — есть сила, с которой Земля притягивает тело.
Вес, как мы уже знаем, зависит от положения тела на поверх-
ности Земли. В различных точках земной поверхности вес одного
и того же тела различен. Он больше всего на полюсах и меньше
2*
35
всего в местностях, расположенных на экваторе. Вес уменьшает-
ся при поднятии тела над поверхностью Земли, а в кабине ко-
рабля-спутника, обращающегося вокруг Земли, наблюдается пол-
ная невесомость. Предметы, находящиеся в кабине корабля-
спутника, не оказывают никакого давления на опору.
Но и в условиях невесомости масса тела остается неизменной.
Для того чтобы привести в движение с определенной скоростью
или остановить движущееся невесомое тело в кабине космического
корабля, нужно подействовать на него точно с такой же силой,
как и в обычных земных условиях. Советский космонавт Г. С. Ти-
тов рассказывал, что его больно ударила кинокамера, свободно
двигавшаяся в кабине корабля-спутника в состоянии невесо-
мости.
3. Единица массы. Измерение массы. Мы уже знаем, что в
качестве международной единицы веса (силы) принят вес на широ-
те города Парижа платиново-иридиевого цилиндра, хранящегося
в Международном бюро мер и весов в г. Севре (Франция). Этот
цилиндр изображен в учебнике VI класса на рисунке 39.
За единицу массы принимается масса этого же цилиндра
(в этом случае указания на широту местности не требуется, так
как масса тела не зависит от его положения).
Единица массы называется килограммом.
Единица веса также называется килограммом (точ-
нее —килограмм-силой).
Для большей ясности было бы лучше говорить всегда кило-
грамм-масса или килограмм-сила, смотря по обстоятельствам.
В учебнике приняты обозначения: кг — для килограмма-массы,
кГ — для килограмма-силы. Но лучше было бы вес тела, как и
всякую другую силу, выражать в других единицах силы, напри-
мер в ньютонах (я):
1 кГ = 9,8я.
Тысячная доля 1 кг называется граммом (1 г). Нередко упот-
ребляются единицы массы: 1 центнер (1 ц)н 1 тонна (1 tri).
Для измерения массы различных тел можно было бы сравни-
вать инертности этих тел на приборе, подобном изображенному
на рисунке 22. По скоростям, с которыми разлетаются сравнивае-
мые тела, можно судить, масса которого из них больше и во сколь-
ко раз.
Практически такой способ не всегда удобен, в особенности
когда тела имеют большие размеры, сложную форму и т. п. Поэтому
для измерения массы пользуются другим способом, основанным
на том, что в данном месте Земли вес тела строго пропорциона-
лен его массе.
Чтобы определить массу тела этим способом, надо уравно-
весить тело на рычажных весах разновесами. Масса тела будет
36
равна общей массе разновесов. Собственно говоря, взвешивание
на рычажных весах — это и есть измерение массы тела путем
сравнения ее с массой гирь или разновесов.
При помощи рычажных весов и набора разновесов можно из-
мерять массу тела в любом месте земной поверхности, не учиты-
вая изменение веса тела в зависимости от широты места. Это объяс-
няется тем, что на другой широте пропорционально изменяется
как вес тела, так и вес разновесов, масса же их остается неиз-
менной.
Для однородных тел масса может быть мерой количества ве-
щества (как, например, и объем их).
Масса, например, медного пятака в 5 раз больше массы мед-
ной копейки, и количество меди в пятаке в 5 раз больше количе-
ства меди в одной копейке.
Для неоднородных же тел масса не может быть мерой коли-
честв веществ, содержащихся в этих телах.
Когда мы, например, говорим, что масса бревна равна массе
стального рельса, — это значит только то, что бревно и рельс
обладают одинаковой инертностью ив одном и том же месте притя-
гиваются Землей с одинаковой силой (имеют одинаковый вес).
Но мы ни в коем случае не можем утверждать, что в бревне содер-
жится столько же вещества, сколько в стальном рельсе.
4. Плотность. Плотностью называется масса еди-
ницы объема данного вещества. Чтобы найти плотность ве-
щества, из которого состоит тело, нужно массу тела разделить на
его объем.
Обозначим массу тела буквой т, объем — V, а плотность — D.
Тогда плотность можно выразить формулой:
D = —
и V
п г кг т
Плотность веществ выражают в —3.
При таком выборе единиц измерения числовые значения плот-
ности различных веществ совпадают со значениями удельных ве-
сов. Так, плотность чистой воды при 4° С равна 1-Д,, ртути —
СМ
13,6 -~я, меди — 8,9~4з и т. д.
см3 см3
Необходимо иметь в виду, что плотность вещества и удельный
вес — это различные физические величины, подобно тому как
различны величины масса и вес. Плотность — более общая и по-
стоянная характеристика вещества, так как, определяемая по мас-
се, она не зависит от места измерения. Удельный же вес (как и
вес тела) зависит от того, в каком месте земной поверхности
производилось его измерение.
37
Упражнение 9.
1. Какие свойства тела характеризует масса?
2. Что принято за единицу массы?
3. Каким прибором можно измерить массу тела?
4. На каком свойстве тел основано измерение массы тела с помощью
рычажных весов?
5. Что такое плотность вещества?
6. Масса камня 450,0 а, его объем 300,0 с;и3. Какова плотность камня?
7. Масса куска металла 89 кг, объем его 10 дм3. Что это за металл?
8. Какова масса каждого из следующих количеств воды: 10 см3; 10 л;
10 л3?
9. Какова масса 100 см3 свинца; 20 см3 ртути?
10. Тело массой 1 кг; весит в Москве 1,0009 кГ, а в Ленинграде
1,0013 кГ. Пользуясь этими данными, вычислите, на сколько граммов
меньше весит в Москве 120-килограммовая штанга, применяемая на за-
нятиях по тяжелой атлетике. Имеет ли эта разница значение при про-
ведении соревнований по поднятию тяжестей?
И. При въезде на мост, находящийся на шоссейной дороге, установлен
дорожный знак, на котором написано: «10 тонн». О массе или весе
идет речь в данном случае?
12. В международной системе единиц физических величин1 основными еди-
ницами массы, длины и времени являются соответственно: 1 кг, 1м,
1 сек,
1) В каких единицах в этой системе измеряется плотность?
2) Выразить в единицах международной системы единиц плотность во-
ды, алюминия, железа.
13. За единицу силы в международной системе единиц принимается 1 нью-
тон (сокращенно — 1 н).
1 Н == g g КГ.
Выразить в ньютонах веса тел, масса которых 1 кг, 5 кг, 10 кг.
14. В каких единицах в международной системе единиц измеряются ско-
рость и удельный вес?
15. Выразить в единицах международной системы единиц удельный вес
воды, алюминия и железа.
1 Международная система единиц физических величин сокращенно обозна-
чается СИ (или S/), что означает: система интернациональная.
СЛОЖЕНИЕ СИЛ. РАВНОВЕСИЕ ТЕЛ
15. Сложение сил. Равнодействующая
В большинстве случаев, с которыми мы встречаемся в жизни,
на тело действует не одна, а сразу несколько сил. Так, например,
на пилу при распиливании доски действует сила человека, сила
сопротивления доски, наконец, сила тяжести пилы. На движу-
щийся корабль действует сила тяги винта, сила сопротивления
воды и воздуха, сила тяжести и выталкивающая сила воды (вспом-
ните закон Архимеда).
Это осложняет задачу изучения движения тел. Но ее можно
упростить, если в каждом подобном случае заменить несколько
сил, в действ и-тельности приложенных к те-
л у, одной силой, равноценной по своему действию этим силам.
Сила, которая производит на тело такое же действие, как не-
сколько сил вместе, называется равнодействующей этих сил.
Силы, которые мы заменяем равнодействующей, называются
составляющими.
Нахождение равнодействующей нескольких сил называется
сложением этих сил.
16. Сложение двух сил, направленных по одной прямой
В некоторых местностях встречаются крутые подъемы желез-
нодорожного пути, которые один паровоз, тянущий поездной со-
став, преодолеть не может. В таких случаях применяется «тол-
кач» — второй паровоз, толкающий состав сзади.
39
Допустим, что первый паровоз тянет поезд с силой 14 000 кГ,
а второй толкает его с силой 10 000 кГ. В результате совместного
действия двух паровозов состав успешно преодолевает подъем.
Тепловоз может один провести состав по тому же пути и с той же
скоростью. Но для этого он должен развить силу тяги, равную
24 000 кГ.
Сила 24 000 кГ является равнодействующей двух сил: 14 000 кГ
и 10 000 кГ, направленных по одной прямой в одну сторону; она
равна сумме этих сил: 24 000 кГ = 14 000 кГ + 10 000 кГ.
Обратимся теперь к опыту. Подвесим к пружине одну под дру-
гой две гири весом 100 Г и 200 Г (рис. 23, слева) и отметим дли-
ну, на которую растянулась пружина. Затем эти гири снимем и
заменим одной гирей, которая растянет пружину на такую же
длину (рис. 23, справа). Вес этой гири оказывается равным 300 Г.
Как бы мы ни меняли веса двух гирь, вес гири, на столько же
растягивающей пружину, что и две первые гири, равен сумме
их весов.
Основываясь на примере и опыте, заключаем:
Равнодействующая двух сил, направленных по одной прямой
в одну сторону, равна сумме этих сил и направлена в ту же
сторону.
На рисунке 24 равнодействующая сил, действующих на тело,
обозначена буквой /?, а составляющие силы — буквами F± и F2.
Нетрудно видеть, что если на тело действуют две силы, направ-
ленные по прямой в противоположные стороны, то. равнодейст-
вующая их равна разности этих сил.
Эти наши соображения легко проверить на опыте.
40
Поставим на столик дина-
мометра (рис. 25, слева) гирю
в 500 Г. Стрелка динамометра
отметит силу 500 Г, с какой
гиря давит на столик. При-
вяжем к столику нитку и,
зацепив за нитку динамомет-
ром, будем тянуть вверх с
силой 200 Г (рис. 25, справа).
Теперь к столику дина-
мометра будут приложены
две силы: сила тяжести (вес
гири), равная 500 Г и направ-
ленная вертикально вниз, и
сила 200 Л, направленная
вертикально вверх.
Динамометр в этом слу-
чае покажет силу 300 Г, эта
сила есть равнодействующая
двух сил: 500 Г и 200 Г, и
равна их разности (300 Г =
500 Г — 200 Г). Если за
конец нити потянуть с силой
500 Г, то стрелка динамомет-
ра установится на нулевом
делении. Равнодействующая
Рис. 25 (вверху). Рис. 26 (внизу).
двух сил в этом случае равна
нулю (500 Г — 500 Г = 0). Во всех подобных случаях равно-
действующая двух сил равна разности этих сил.
Равнодействующая двух сил, направленных по одной прямой
в противоположные стороны, равна разности этих сил и направ-
лена в сторону большей силы.
На рисунке 26 показаны слагаемые силы Fr и F2, направленные
в противоположные стороны, и их равнодействующая Р,
Упражнение 10.
1. Тело плавает на поверхности воды. Какие силы действуют на тело?
Чему равна равнодействующая этих сил? Изобразите эти силы
графически. То же изобразите для случая, когда какое-либо тело
находится на дне сосуда с водой.
2. Человек спускается на парашюте, двигаясь равномерно. Вес пара-
шютиста вместе с парашютом 70 кГ. Чему равно сопротивление воз-
духа? Изобразите эти две силы в определенном масштабе на чертеже,
приложив их к одной точке, лежащей на линии, вдоль которой
действуют силы.
41
3. Тело весом 2,5 кГ полностью погружено в воду, но не касается дна
сосуда. Объем тела 3 дл?. Найдите, какую по величине и направле-
нию силу необходимо приложить, чтобы удержать тело в этом поло-
жении. Изобразите все действующие на тело силы графически.
4. Теплоход, отходя от пристани, движется с увеличивающейся ско-
ростью (ускоренно). Перечислите силы, действующие на теплоход.
Изобразите эти силы на чертеже, приложив их к одной точке.
17, Центр тяжести
Возьмите длинную линейку и подвесьте ее на нити, обвязав
петлей так, чтобы петлю можно было перемещать по линейке.
Меняя положение петли, добейтесь, чтобы линейка пришла в
равновесие, т. е. чтобы ни одна, ни другая ее часть не переве-
шивала. В этом случае говорят, что линейка подвешена в
центре тяжести. Равновесия линейки можно добиться также,
положив ее на какую-нибудь опору, например карандаш или
палец.
Центр тяжести имеется у каждого тела. Если тело подвесить
в центре тяжести, то оно будет находиться в равновесии.
Что такое центр тяжести тела и как его можно отыскать?
Тяжестью, или весом, обладает не только тело в целом, но
и каждая его часть. Очевидно, что общий вес тела является сум-
мой весов всех составляющих его частиц. Вес каждой частицы
тела приложен непосредственно к самой частице, вес же всего те-
ла приложен к точке, которая называется центром тяжести
тела.
Как же найти положение центра тяжести в различных те-
лах?
Обратимся к опыту. Возьмем кусок картона какой угодно фор-
мы и повесим его на гвоздь вместе с отвесом (рис. 27, а).
На кусок картона, находящийся в подвешенном состоянии,
действуют две силы: сила тяжести, приложенная в центре тя-
жести картона, и сила, которая удерживает картон на гвозде.
Поскольку картон находится в покое, действующие на него силы
взаимно уравновешиваются, т. е. они равны по величине и на-
правлены по вертикали в противоположные стороны.
Отсюда можно сделать заключение, что точки приложения
сил — центр тяжести и точка подвеса — лежат на одной верти-
кальной прямой, отмечаемой отвесом.
Проведем на куске картона вертикальную линию по отвесу.
Затем подвесим картон за другую точку и снова проведем по от-
весу вертикальную линию. Сколько бы мы ни проводили таким
способом линий, на каждой из них будет находиться центр тяже-
42
Рис. 27: о, б, в —нахождение центра тяжести плоской фигуры; г —рав-
новесие куска картона, подпертого в центре тяжести карандашом; д — рав-
новесие куска картона, подвешенного на нити, укрепленной в центре
тяжести.
сти, поэтому все они пересекутся в одной точке — центре тяже-
сти (рис. 27, б, в). Как это проверить?
Возьмем карандаш и острие его поместим под найденный на-
ми центр тяжести — картон окажется в равновесии (рис. 27, г).
Можно подвесить кусок картона на нити, укрепив ее в центре тя-
жести,— картон тоже будет находиться в равновесии (рис. 27, д).
Во время опыта мы несколько раз меняли положение кус-
ка картона, но центр тяжести его оставался в одной и той же
точке.
При любом положении тела центр тяжести его находится водной
и той же точке.
Центр тяжести шара, например, лежит в его геометрическсм
центре, у цилиндра он находится на середине линии, соединяющей
центры его оснований, у параллелепипеда — в точке пересечения
диагоналей (рис. 28).
Иногда центр тяжести может находиться и вне тела, например
в кольце он лежит на пересечении диаметров. Это можно прове-
рить на опыте, подвесив кольцо за точку пересечения нитей, распо-
ложенных по диаметрам кольца (рис. 29). Кольцо будет находиться
в равновесии.
43
Рис. 28. Положение центра тя- Рис. 29. Центр тяжести кольца
жести в шаре, цилиндре, прямо- лежит на пересечении диаметров
угольном параллелепипеде.
18. Лабораторная работа 2.
Нахождение центра тяжести плоских фигур
Приборы и материалы: набор плоских картонных или фа-
нерных пластин; нитки; булавка или шило; отвес.
Указания к работе:
1. Возьмите картонную или фанерную плоскую пластинку любой фор-
мы и булавкой (или шилом) проколите в ней дырочку недалеко от
края. Чуть-чуть расширьте дырочку, чтобы пластинка могла легко
(с малым трением) вращаться около булавки, как около оси.
Подвесьте пластинку на булавке, воткнув последнюю хотя бы в край
стола.
Привесьте к булавке отвес. Отметьте точку, где нить отвеса пересекает
нижний край пластинки. Снимите пластинку и прочертите на ней пря-
мую линию через прокол и через отмеченную точку.
Сделайте второй прокол в другом месте и повторите все действия в том
же порядке.
Установите, где находится центр тяжести пластинки. Проверьте это,
поместив в центр тяжести острие булавки.
Подвесьте пластинку в третьей точке и проведите знакомым вам способом
еще одну вертикальную линию, В какой точке она пересекла ранее
проведенные линии?
2. Описанным выше способом найдите центры тяжести следующих плос-
ких фигур: прямоугольника, треугольника и круга.
Убедитесь, что центр тяжести прямоугольника лежит в точке пересе-
чения диагоналей, а центр тяжести треугольника — в точке пересече-
ния медиан.
44
19. Виды равновесия
Под действием сил тело может или двигаться, или находиться
в покое. О теле, которое покоится, говорят, что оно находится
в положении равновесия, или просто в равновесии.
Рассмотрим различные случаи равновесия тел, имеющих одну
точку опоры.
Повесим на гвоздь линейку (рис. 30, а). Она займет положение
равновесия. Если линейку отклонить в сторону, то под действием
силы тяжести она вновь возвратится в прежнее положение.
Равновесие, при котором выведенное из положения равно-
весия тело вновь к нему возвращается, называется устой-
чивым.
При устойчивом равновесии центр тяжести линейки С располо-
жен ниже точки опоры и находится, как мы уже знаем из § 17,
на одной вертикальной прямой ОС с этой точкой.
При выходе линейки из положения устойчивого равновесия
ее центр тяжести поднимается вверх (рис. 30, а), а при воз-
вращении линейки к равновесию опускается до первоначальной
высоты.
Повернем теперь линейку так, чтобы центр тяжести ее ока-
зался на одной вертикальной линии с точкой опоры, но находился
бы выше нее (рис. 30, б). Добьемся, чтобы в этом положении линей-
ка находилась в равновесии. Теперь достаточно легкого толчка,
чтобы линейка вышла из равновесия и больше в начальное поло-
жение не вернулась, так как ее возвращению мешает сила тя-
жести.
а б
Рис. 30: а — устойчивое; б — неустойчивое; в — безразличное равновесие
линейки.
45
Равновесие, в котором находилась в этом случае линейка, на-
зывается неустойчивым.
При выходе линейки из неустойчивого равновесия ее центр
тяжести опускается (рис. 30, б).
Повесим теперь линейку на гвоздь так, чтобы точка опоры О
совпала с центром тяжести линейки С (рис. 30, в). Линейка в этом
случае от толчка лишь изменит свое положение, но равновесия не
потеряет. При переходе линейки из одного положения в другое ее
центр тяжести не поднимается и не опускается — он все время
находится на одном и том же уровне. Это — случай безразлично-
го равновесия линейки.
Безразличным равновесием тела называется такое равновесие,
при котором центр тяжести тела остается на одном и том же
уровне при любых положениях тела.
Таким образом, вид равновесия тела легко установить по из-
менению положения центра тяжести тела при выводе тела из
положения равновесия.
Если центр тяжести при этом поднимается, равновесие тела
устойчивое, опускание центра тяжести указывает, что равнове-
сие неустойчивое. Когда же центр тяжести в любом положении
тела остается на одном уровне, равновесие безразличное. На
рисунке 31 показан шарик, находящийся соответственно в устой-
чивом, безразличном и неустойчивом положениях равновесия.
На вогнутой поверхности (рис. 31, а) шарик находится в устой-
чивом равновесии; на выпуклой поверхности (рис. 31, в) —в не-
устойчивом равновесии и на горизонтальной поверхности —
в безразличном равновесии (рис. 31, б).
В устойчивом равновесии находится любое тело, свободно
висящее на нити, проволоке или стержне: грузик отвеса, чашки
весов, укрепленные на коромысле, лампа, люстра и т. д.
Интересный пример равновесия дает
игрушка ванька-встанька. Центр тя-
жести игрушки С находится немного
выше точки опоры О (рис. 32). Когда
игрушку наклоняют, центр тяжести
поднимается, когда ее отпускают и она
встает, центр тяжести опускается.
Движение центра тяжести игрушки
подтверждает, что она находится в ус-
тойчивом равновесии.
При ходьбе по канату цирковые ар-
тисты сохраняют равновесие, изменяя
Рис. 31. положение своего центра тяжести.
4fi
Большое число примеров без-
различного равновесия можно
найти в технике.
В безразличном равновесии на-
ходятся шкивы и валы, маховые
колеса, колеса автомобиля и дру-
гие вращающиеся части машин,
ось вращения которых проходит
через их центр тяжести.
Рис. 32. Устройство игрушки вань-
ка-встанька. Штрихами показано
положение груза.
20. Равновесие тел, имеющих площадь опоры
Мы разобрали случаи равновесия тел, имеющих одну точку
опоры или ось вращения.
Дома, фабричные трубы, водонапорные башни, подъемные
краны, автомобили, тракторы, станки и большинство предметов
нашего обихода, находясь в равновесии, опираются на некоторую
площадь.
Рассмотрим, при каких условиях такие тела будут находиться
в устойчивом равновесии.
Обратимся к опыту.
На рисунке 33, а изображен прибор, имеющий форму прямой
призмы. К центру тяжести призмы подвешен отвес.
Будем постепенно изменять форму призмы и следить за изме-
нением положения отвеса (рис. 33, б). Мы заметим, что, пока
линия отвеса проходит через площадь опоры, равновесие призмы
остается устойчивым.
.Наклоним теперь призму так, чтобы линия отвеса проходила
через границу площади опоры (рис. 33, в). В таком положении
равновесие призмы неустойчивое. В неустойчивом равновесии
47
призма практически находиться не может. Действительно, при
малейшем отклонении вправо она опрокидывается.
По положению отвесной линии, проходящей через центр тя-
жести тела, можно определить, находится ли тело, имеющее пло-
щадь опоры, в устойчивом или неустойчивом равновесии.
Тело находится в устойчивом равновесии, когда отвесная линия,
проведенная через центр тяжести, проходит через площадь
его опоры.
Тело находится в неустойчивом равновесии, если отвесная ли-
ния, на которой находится центр тяжести тела, проходит через
границу площади опоры.
Чтобы тело заняло положение неустойчивого равновесия, его
надо повернуть вокруг оси, проходящей через линию опоры. Чем
больше угол А, на который нужно для этого повернуть тело (рис. 34),
тем устойчивее первоначальное положение тела.
Следовательно, по величине угла поворота, необходимого для
приведения тела в неустойчивое равновесие, можно также судить
об устойчивости положения тела.
Величина угла поворота, а следовательно, и устойчивость
тела зависят от размеров площади, на которую оно опирается,
и от положения его центра тяжести.
Низкий ящик с большой площадью опоры опрокинуть труднее
(рис. 34, б), чем ящик такого же веса, но высокий и с малой пло-
щадью опоры (рис. 34, а). Поэтому для большей устойчивости
или увеличивают площадь опоры, или понижают центр тяжести
тела, применяя для этого тяжелую или широкую опору или то
и другое вместе. Так, например, школьные рычажные весы под-
вешивают к штативу с тяжелой и достаточно большой опорной
площадью.
Если тело опирается не площадкой, а лишь несколькими точ-
ками, то за его площадь опоры следует принимать площадь мно-
Рис. 34. Ящик более устойчив тогда, когда площадь его опоры больше.
гоугольника, вершинами которого являются точки опоры. Напри-
мер, площадью опоры фотоаппарата, установленного на штативе,
следует считать площадь треугольника, образованного концами
ножек штатива; площадью опоры стола — площадь прямоуголь-
ника, в вершинах которого стоят ножки, и т. п.
При рассмотрении устойчивости стоящего человека за его
площадь опоры следует принимать площадь ступней и площадь
между ними. Для увеличения устойчивости при качке или тряске
человек шире расставляет ноги, увеличивая этим площадь опоры.
Не переставляя ног, можно наклоняться до тех пор, пока верти-
каль, проходящая через центр тяжести, попадает в пределы пло-
щади опоры. Если она выйдет за границу площади опоры, накло-
нившийся человек упадет.
Упражнение 11.
1. Перемещается ли центр тяжести кораб-
ля, когда груз из трюма переносят на
палубу? Если перемещается, то куда?
2. Укажите, в каком равновесии находят-
ся: настольная лампа; палка, стоящая
на пальце руки человека; гимнаст,
подтягивающийся на турнике. Приду-
майте сами подобные примеры.
3. Почему утки ходят переваливаясь?
4. Три одинаковых грузовых автомобиля
нагружены равными по весу грузами:
первый —листовым железом, второй —
кирпичом, третий — дровами. Какой
автомобиль более устойчив?
б. На грузовом автомобиле нужно пере-
везти несколько ящиков. Одни ящики
Рис. 35.
пустые, другие —с гвоздями. Как следует разместить ящики, чтобы
автомобиль обладал большей устойчивостью?
6. Не опрокинется ли на косогоре изображенный на рисунке 35 автомо-
биль? Ответ обоснуйте. Центр тяжести автомобиля обозначен бук-
вой С.
7. Почему при переноске груза на спине человек наклоняется?
8. Почему нельзя встать со стула, не наклоняясь немного вперед?
9. Чем объяснить, что при остановке двухколесного велосипеда велосипе-
дист не может сидеть в седле, не касаясь ногами земли?
49
РАБОТА И ЭНЕРГИЯ. МЕХАНИЗМ^
21. Механическая работа
Слово «работа» всем нам хорошо знакомо. Обычно мы разли-
чаем работу физическую (например, работу каменщика,
грузчика, плотника) и работу умственную (ученого, писате-
ля, общественного деятеля, учащегося). В физике изучается м е-
ханическая работа, к которой относятся и многие
виды физической работы человека.
Рассмотрим примеры механической работы.
Мальчик поднимает из колодца ведро с водой. Прилагая силу,
он преодолевает вес ведра и находящейся в нем воды.
Растягивая пружину динамометра, мы нашей мускульной си-
лой преодолеваем силу упругости пружины. При передвижении
тележки сила тяги, развиваемая нами, преодолевает силу трения.
Распиливая дерево пилой, мы усилием наших рук разрываем
связи между частицами дерева.
Во всех этих случаях тело (ведро, тележка, пила) движется
под действием приложенной к нему силы и при этом совершается
работа.
Если нет движения, то нет и работы. Пружина заведенных ча-
сов работы не совершает, если часы стоят. В идущих часах сила
упругости пружины приводит механизм часов в движение, следо-
вательно, совершает работу.
Желая передвинуть стол или шкаф, мы с силой на них надав-
ливаем, но если они тем не менее в движение не приходят, то ме-
ханической работы мы не совершаем.
Механическая работа совершается в том случае, когда какое-
нибудь тело под действием приложенной к нему силы движется.
60
Теперь мы можем сказать, что трактор, передвигающий при
пахоте плуги, движущийся по дороге автомобиль, кран, подни-
мающий строительные материалы, совершают механическую ра-
боту. Движущей силой в этих случаях является сила тяги, раз-
виваемая двигателем машины.
В дальнейшем, говоря о механической работе, мы будем назы-
вать ее просто работой.
22. Величина работы. Единицы работы
Величина работы зависит от величины силы и от пройденного
телом под действием этой силы пути.
Допустим, что мы подняли груз весом 1 кГ на высоту 1 м. Для
этого нам пришлось приложить силу 1 кГ. Мы совершили при
этом определенной величины работу.
Для того чтобы поднять на ту же высоту груз 5 кГ, мы должны
приложить силу, в 5 раз большую.
Работа в этом случае также будет в 5 раз больше.
Действительно, работу при поднятии груза 5 кГ на высоту
1 м можно рассматривать как работу при поднятии груза 1 кГ
на высоту 1 м, повторенную 5 раз. Следовательно, подняв груз
5 кГ на высоту 1 м, мы совершили в 5 раз большую работу.
Величина работы на данном пути прямо пропорциональна силе,
совершающей работу.
Поднимем теперь груз весом 1 кГйена 1 м, а, например, на 3 м.
Работа на протяжении первого, второго и третьего метров, оче-
видно, будет одинаковая. Поэтому работа, совершенная при под-
нятии груза на 3 м, будет в три раза больше работы, совершаемой
при поднятии его на 1 м.
Величина работы, совершаемой какой-нибудь силой, прямо
пропорциональна пройденному пути.
Работа есть физическая величина. Как и всякая величина, она
может быть измерена. Но для этого нужно прежде всего устано-
вить единицу для ее измерения.
За единицу работы принимают работу силы в 1 кГ на пути в 1 м.
Эта единица работы называется килограммометром (со-
кращенно кГ-м).
Рассмотрим пример. Трактор при пахоте тянет плуг с силой
в 1000 кГ. Какую работу совершает трактор на пути в 200 л?
Сила в 1 кГ на пути в 1 м совершает работу, равную 1 кГ-м.
Сила же в 1000 кГ на пути в 1 м совершит работу, в 1000 раз боль-
шую, т.е. 1000 кГ -м, на пути же в 200 м совершенная работа
51
будет еще в 200 раз больше. Таким образом, чтобы найти вели-
чину работы, совершенной трактором, надо 1000 кГ умножить
на 200 м:
1000 кГ • 200 м = 200 000 кГ • м.
Другой пример. Допустим, что нам нужно лежащий на полу
предмет весом 10 кГ положить на шкаф высотой 2 м. Какую ра-
боту мы совершим, подняв этот груз на высоту 2 л?
Рассуждая так же, как и в первом примере, найдем, что со-
вершенная работа будет равна:
10 кГ • 2 м = 20 кГ • м.
Величина работы измеряется произведением силы на путь,
пройденный по линии действия силы.
Если величину силы обозначить буквой F, пройденный путь —
s, а величину работы — буквой А, то правило для вычисления ра-
боты . можно записать формулой:
A -Fs
В международной системе единиц единицей работы является
джоуль (сокращенное обозначение дж), названная так по имени
английского ученого Джоуля.
1 дж — 0,102 кГ • м,
1 кГ -м — 9,8 дж.
Упражнение 12.
1. Изображенную на рисунке 36 дощечку передвигают равномерно по
доске на расстоянии 60 см. Посмотрите, какую силу тяги показывает
динамометр (каждое деление динамометра равно 50 Г), и рассчитайте
совершенную работу в кГ-м.
2. Какая совершается работа при подъеме парового молота весом 20 Т
на высоту 120 см?
3. Подсчитать работу, которая совершается при подъеме гранитной
Г
плиты объемом 0,5 м3 на высоту 100 м. Удельный вес гранита 2,5 — .
СЛ13
Рис. 36.
52
4. Ученик, отпиливая кусок доски толщиной 2,4 см, передвигает пилу
5.
на 50 см, действуя силой 6 кГ. Какую работу требуется совершить,
чтобы отпилить этот кусок, если с каждым размахом пила углубляет-
ся в дерево на 2 мм?
Под давлением пара, равным 5 ат (5 —) , поршень прошел 0,5 м.
см2
Определить работу пара, если площадь поршня равна 300 см2.
6. Одинаковая ли производится работа: при равномерном подъеме
гири на высоту 1 м и при перемещении ее волоком вдоль стола тоже
на расстояние 1 м? Ответ обоснуйте.
7. Резец строгального станка перемещается на 120 мм и преодолевает
прй этом сопротивление 450 кГ. Определить совершаемую двига-
телем работу за один ход резца.
8. Какую работу вы совершаете, поднимаясь по лестнице? Все данные,
необходимые для решения задачи, найдите путем измерений.
9. Работа человека при ходьбе по горизонтальной поверхности совер-
шается главным образом вследствие периодически повторяющихся
поднятий тела. При каждом шаге происходит подъем, а затем опуска-
ние тела в среднем на 6 см. Какую работу совершит мальчик весом
45 кГ, пройдя расстояние 1 км, если длина шага 60 см?
23. Мощность. Единицы мощности
На совершение одной и той же механической работы различ-
ным двигателям требуется разное время. Например, работу подъ-
емного крана, поднявшего за несколько минут на верхний этаж
новостройки несколько сотен кирпичей, рабочий сможет выпол-
нить лишь за день работы.
Гектар земли лошадь может вспахать за 10—12 ч, трактор же
с многолемешным плугом эту же работу выполнит за 40—50 мин.
Эти примеры показывают, что одинаковую работу двигатели
совершают с различной быстротой: одни быстрее, другие мед-
леннее.
Быстроту совершения работы характеризует мощность.
Мощность измеряется величиной работы, которая совершается
в 1 сек.
Если работу измерять килограммометрами, то единицей мощ-
ности будет такая мощность, при которой совершается работа
1 кГ-м в 1 сек.
Название этой единицы сокращенно записывается так:
Если за одну минуту двигателем совершена работа, равная
30 000 кГ-м, то мощность его равна кГ м — 500
ои С6К сск
53
Обозначая работу буквой А, время —/и мощность — бук-
вой N, мы можем вычислять мощность по следующей формуле:
Так как A—Fs, то формулу для определения мощности мож-
но написать в виде:
2V= у-. Полагая получим:
N — Fv
В качестве основной единицы измерения мощности в физике
принят ватт (em)1: 1 вт — 1 В технике широко используется
производная единица — киловатт (квот): 1 кет = 1000 вт.
Так как 1 дж «= 0,102 кГ-м (см. § 22), то
1 вт = 0,102^^. 1 кет = 102-^-.
сек сек
Иногда применяется еще старая единица мощности — ло-
шадиная сила2 (л. с.).
1 л. с. = 75 = 0,736 кет.
сек
При длительной работе мощность лошади не превышает 0,4—
0,6 л. с. Средняя мощность человека при длительной работе со-
ставляет 0,05—0,10 л. с.
Различные двигатели имеют мощности от сотых долей кило-
ватта (двигатель электрической бритвы, швейной машины) до со-
тен тысяч киловатт (турбины). На каждом двигателе имеется
табличка (паспорт двигателя), на которой указываются некоторые
данные о двигателе, в том числе и мощность.
Зная мощность двигателя, можно рассчитать работу, совер-
шенную этим двигателем в течение какого-нибудь промежутка
времени, по формуле:
А=ЛГ/
1 Единица мощности ватт названа так по имени изобретателя паровой
машины англичанина Уатта.
* Происхождение названия единицы мощности «лошадиная сила» таково.
Впервые паровая машина была применена для откачки воды на уголь-
ных шахтах. До паровой машины эта работа производилась лошадьми.
Для измерения мощности паровой машины, заменившей лошадь,
ввели особую единицу мощности, которую назвали «лошадиной силой».
54
Примеры некоторых мощностей
Ветродвигатель Д-18 . . , . .
Двигатель автомобиля «Волга»
Двигатель трактора С-80 . . #
Паровоз 1-4-2
Тепловоз ТЭ-3 ®
Электровоз Н-60
Экскаватор ЭШ-14/75 , . »
Атомный ледокол «Ленин» > .
Гидрогенератор .............
Братская гидроэлектростанция
на реке Ангаре *.............
30 кет
52 кет (70 л.с.)
70 кет (93 л.с.)
2200 кет (3000 л. с.)
~ 2950 кет (4000 л.с.)
— 4100 кет (5600 л. с.)
7500 кет (10 190 л. с.)
32 400 кет (44 000 л. с.)
200 000 кет
3600 000 кет
Пример. Какую работу в килограммометрах совершит
двигатель автомобиля, развивая мощность 90 л. с. в течение
1 мин?
- -- кГ-м
1 л. с. — 75——,
сек
А = 75 -90-60 сек = 405 000 кГ - м.
сек
Мощность можно еще выразить через величины силы и скоро-
сти движения. Рассмотрим это на примере.
Трактор при пахоте, развивая силу тяги, равную 1000 кГ, за
1 мин проходит путь 120 м. Определим мощность, развиваемую
при этом двигателем трактора. Движение трактора будем счи-
тать равномерным.
Работа, совершаемая трактором: А = 1000 «Г-120 м =
= 120 000 кГ-м. Разделив работу на время в секундах, найдем
мощность:
120 000 кГ-ж оллл кГ-м
60 сек сек
Такой же результат можно получить иначе. Определим среднюю
120 ж о м и **
скорость трактора: v = 6Q = 2-^- . Но скорость численно
равна пути, пройденному в 1 сек\ поэтому, умножив силу тяги
трактора на скорость, найдем работу, совершенную в 1 сек, т. е.
мощность:
# = 1000 «Г • 2 —— = 2000 .
сек сек
Этот пример показывает, что мощность равна произведению силы
на скорость:
N — Fv
65
Этим можно объяснить, почему скорость автомобиля растет
с увеличением мощности двигателя.
При одной и той же мощности, развиваемой двигателем, изме-
нением скорости можно изменять силу тяги.
Так, при подъеме в гору или при езде по плохой дороге для
увеличения силы тяги шофер уменьшает скорость автомобиля,
включая вторую или даже первую передачу.
Упражнение 13.
1. Какую работу совершает двигатель мощностью 10 кет за 20 мин?
2. Стогометатель, приводимый в движение двигателем трактора, под-
нимает копну сена весом 1,2 Т со скоростью 0,85 _£L. Какую мощ-
сек
ность развивает двигатель трактора при выполнении этой работы?
3. Мальчик весом 30 кГ за 20 сек поднялся по лестнице на высоту 10 м.
Какую мощность (в л. с.) он при этом развил?
4. Тепловоз при силе тяги 18 000 кГ развивает мощность 3000 л. с.
В течение какого времени поезд проходит путь 500 м?
5. Поднимитесь по лестнице один раз медленно, другой раз быстро.
Одинаковые ли мощности вы развили при этом? Как велики эти
мощности? Все необходимые данные получите из измерений.
6. Какую мощность развивает человек при ходьбе, если он 10 000 шагов
делает за 2 ч и за каждый шаг совершает 4 кГ-м работы (при движе-
нии по горизонтальному пути)?
7. Ветряной двигатель может совершить за 1,2 мин 205 200 кГ*м ра-
боты, а водяная турбина за 0,2 сек— 525 000 кГ»м. Определить
мощность этих двигателей в киловаттах.
24. Рычаг. Плечо силы
В быту и технике при выполнении различных работ часто
пользуются специальными приспособлениями, называемыми про-
стыми механизмами.
Одним из таких механизмов является рычаг.
На рисунках 37, а и 37, б показано, как рабочий для поднятия
груза использует лом как рычаг. В первом случае (а) рабочий
с силой нажимает на конец лома В вниз, во втором (б) — при-
поднимает конец В. Усилию рабочего противодействует вес гру-
за — сила, направленная вертикально вниз (на рисунках эта
сила изображена стрелкой с началом в точке А).
Приподнимая груз, рабочий поворачивает лом вокруг оси,
проходящей через единственную неподвижную точку лома — точ-
ку его опоры О. Если усилия рабочего достаточно, чтобы преодо-
леть сопротивление груза, то рабочий приподнимет груз и со-
вершит работу.
56
Рис. 37.
На рисунке 38 (слева) изображен рычаг, ось вращения кото-
рого О (точка опоры) расположена между точками приложения
сил А и В. Справа изображена схема этого рычага. Обе силы Р
и F, действующие на рычаг, направлены в одну сторону.
На рисунке же 39 (слева) изображен рычаг, у которого ось
вращения О (точка опоры) находится на конце.
Силы Р и F, действующие на этот рычаг, приложены к точкам
и Вг и направлены в противоположные стороны.
Кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль
которой действует на рычаг сила, называется плечом силы.
Плечо силы измеряется длиной перпендикуляра, проведенного
из точки опоры на линию, вдоль которой действует на рычаг сила.
Рис. 38. Равновесие рычага, у которого точка опоры О лежит между точками
приложения сил А и В. О А — плечо силы Р, ОВ — плечо силы F.
57
Рис. 39. Равновесие рычага, у которого точки приложения 41 и Вг находятся
по одну сторону от точки опоры рычага О.
Силы, действующие на рычаг, могут повернуть его вокруг оси
в двух направлениях: по ходу или против хода часовой
стрелки.
На рисунке 38 видно, что сила F вращает рычаг по ходу ча-
совой стрелки, а сила Р вращает его против хода часовой стрелки.
На рисунке 39 изображен случай, когда сила, обозначенная
буквой F, вращает рычаг против хода часовой стрелки, а си-
ла Р — по ходу часовой стрелки.
25. Момент силы. Равновесие сил на рычаге
Тело можно поднять лишь в том случае, если мы приложим к
нему силу, способную уравновесить вес тела (§ 12).
Поэтому, когда тело поднимают при помощи рычага, рычаг
должен действовать на тело с силой, способной преодолеть вес
тела.
Чтобы этого добиться, мы должны приложить нашу силу
к рычагу на вполне определенном расстоянии от точки его
опоры.
Подвешивая на рычаг (рис. 38) различной величины грузы,
будем добиваться равновесия рычага, измеряя каждый раз при-
ложенные к нему силы и их плечи.
58
В таблицу занесены результаты трех таких опытов:
Сила, вращающая рычаг против хода часовой стрелки Произве- дение силы на плечо в Г • см Сила, вращающая рычаг по ходу часовой стрелки Произведе- ние силы на плечо в Г-см
величина силы в Г длина плеча в см величина силы в Г длина плеча в см
200 20 4000 100 40 4000
200 10 • 2000 50 40 2000
50 30 1500 150 10 1500
В первом опыте (рис. 38) на рычаг слева от его оси действо-
вала сила 200 Г, имевшая плечо 20 см; чтобы уравновесить эту
силу, справа пришлось приложить силу 100 Г с плечом, в два
раза большим, т. е. равным 40 см. Во втором опыте, чтобы урав-
новесить силу 200 Г, имевшую плечо 10 см, пришлось прило-
жить силу 50 Г с плечом 40 см. В третьем опыте сила 50 Г с
плечом 30 см уравновешивается силой 150 Г, имеющей плечо 10 см,
и т. д.
Результаты опытов показывают, что при равновесии рычага
под действием двух сил величина каждой из этих сил
обратно пропорциональна ее плечу. Равновесие рыча-
га не нарушится, если с увеличением плеча силы в нес-
колько раз во столько же раз уменьшить действующую
силу.
Произведение величины силы, вращающей рычаг против хода
часовой стрелки, на плечо этой силы равно произведению силы,
вращающей рычаг по ходу часовой стрелки, на ее плечо.
Так, например, в первом опыте 200 Г-20 см = 100 Г-40 см,
во втором — 200 Г -10 см = 50 Г -40 см и в третьем опыте 50 Г х
хЗО см = 150 Г-10 см.
Произведение силы на плечо называется моментом1 силы.
В первом опыте моменты сил равны 4000 Г-см, во втором —
2000 Г-см и в третьем — 1500 Г -см.
Рычаг находится в равновесии тогда, когда момент силы, вра-
щающей рычаг против хода часовой стрелки, равен моменту
силы, вращающей его по ходу часовой стрелки.
1 Момент — от латинского слова movere — двигать.
В9
Рис. 40. Кривоколенный рычаг
(тормозная педаль автомобиля):
Р — сила давления ноги и ОД —
ее плечо; F — сила тяги троса;
О В — ее плечо.
Равенство моментов сил имеет
место и при равновесии рычага,
изображенного на рисунке 39, у
которого ось вращения (точка опо-
ры) находится на конце рычага, а
силы Р и F действуют в разные
стороны.
Если рычаг находится в равно-
весии под действием сил Р и F,
имеющих плечи h и /2, то условие
равновесия рычага можно записать
в виде равенства моментов:
Ph = Fh
Это правило относится не толь-
ко к прямолинейному рычагу, но
и к рычагу любой формы. Только
нужно помнить, что плечо силы — это длина перпендикуляра,
проведенного из точки опоры рычага на линию, вдоль которой
действует сила.
Например, у тормозной педали автомобиля (рис. 40) плечами
действующих сил являются расстояния ОА — h и ОВ = /2.
Упражнение 14.
1. Почему гайки легче отвертывать не рукой, а гаечным ключом?
2. Почему «бородку» у дверного ключа обычно делают меньше радиуса
кольца ключа?
3. Какие части велосипеда, мясорубки, патефона являются рычагами?
Какие силы действуют на эти рычаги, где расположены их точки
опоры?
26. Получается ли выигрыш в работе при пользовании
рычагом?
Для ответа на этот вопрос произведем опыт.
Пусть требуется поднять 1 кГ на высоту 0,1 м. Для этого надо
совершить работу:
А = 1 кГ • 0,1 м — 0,1 кГ • м.
Произведем эту работу, пользуясь рычагом, у которого точка
опоры находится между точками приложения сил. Уравновесим
60
гирю 1 кГ силой 0,5 кГ (рис.
41). Отметив высоту точек
приложения сил относитель-
но стола, поднимем гирю в
1 кГ на высоту 0,1 м. Изме-
рив теперь расстояние, на
какое опустилась точка, к ко- рис. 41. Выиграть в работе при поль-
торой приложена сила 0,5 кГ, зовании рычагом нельзя.
найдем, что оно равно 0,2 м.
Следовательно, работа силы 0,5 кГ равна:
Аг — 0,5 кГ • 0,2 м — 0,1 кГ • м.
Мы видим, что = А. Иначе говоря, при использовании
рычага выигрыша в работе не получается. Пользуясь
рычагом, мы можем выиграть или в силе, или в расстоянии. Если
мы силу приложим к длинному плечу, то выиграем в силе, но
во столько же раз проиграем в расстоянии. Действуя силой, имею-
щей короткое плечо, мы выиграем в расстоянии, но во столько
же раз проиграем в силе.
27. Применение рычагов в технике и в быту
При равновесии рычага под действием двух сил, как мы уста-
новили в § 25, величины действующих сил обратно пропорцио-
нальны величинам их плеч.
Этот закон объясняет широкое применение рычагов в технике
и быту там, где требуется выигрыш в силе.
Наглядным примером применения рычага является гаечный
ключ.
Сила рабочего Fx (рис. 42) приложена к рукоятке ключа. Сила
Е2, противодействующая вращению гайки, приложена к ключу
в месте соприкосновения его с гайкой. Оси вращения ключа и
гайки совпадают. Таким образом, гаечный ключ можно рассматри-
вать как рычаг, у которого действующие силы находятся по одну
сторону от оси вращения и направлены в противоположные сторо-
ны. Завинчивая гайку, рабочий выигрывает в силе, так как пле-
чо силы Fx больше плеча силы F2, поэтому сила Ft меньше си-
лы f2.
Выигрыш в силе мы имеем и при работе с ножницами. Нож<
ницы — это тоже рычаг (рис. 43).
Ось вращения этого рычага проходит через винт, соединяю
щий обе половины ножниц. Движущей силой Р является мускулы
ная сила рук человека, сжимающего ножницы. Сила F преодо
левает сопротивление того материала, который режут ножни-
цами. В зависимости от назначения ножниц их устройство бывает
6|.
Рис. 43. Конторские ножницы:
Р —сила давления пальцев; F —
сила, преодолевающая сопротив-
ление разрезаемого материала.
Рис. 42. Гаечный ключ: Fi — сила
рабочего, приложенная к рукоятке
ключа; Г2 — сила, противодейству-
ющая вращению гайки.
различным. Конторские ножницы, предназначенные для резки
бумаги, имеют длинные лезвия и почти такой же длины ручки,
так как для резки бумаги не требуется большой силы, а длинным
лезвием удобнее резать по прямой линии. Ножницы для резки
листового металла (рис. 44) имеют ручки гораздо длиннее лезвий,
так как сопротивление металла настолько велико, что для его
преодоления плечо действующей силы приходится значительно
увеличивать за счет удлинения ручек ножниц.
Особенно велика разница между длиной ручек и расстоянием
режущей части от оси вращения в кусачках (рис. 45), предна-
значенных для перекусывания проволоки.
Рычаги различного вида имеются у многих машин. Ручка
швейной машины, педали или ручной тормоз велосипеда, педали
автомобиля и трактора, клавиши пишущей машинки и пианино —
все это примеры рычагов, использованных в данных машинах.
Примеры применения рычагов вы можете найти в своей школь-
ной мастерской. Это рукоятки тисков и верстаков, рычаг свер-
лильного станка и т. д.
Упражнение 15.
1. Найдите точку опоры и плечи сил у рычагов, изображенных на рисун-
ках 46, а, б, в, ж, з.
2. Чем вызван наклон туловища человека, когда он несет тяжесть
(рис. 46, и, к)?
62
Рис. 46: а —тачка; б —насос для подачи воды; в —рука для подъема
тяжестей действует как рычаг; г — весло; д, е — использование палки при
переносе тяжестей; ж — вытаскивание гвоздя клещами (стрелкой показана
точка опоры клещей); з — шлагбаум; н, к — переноска тяжестей.
Рис. 47. К упражне-
нию 15, задача 6.
Рис. 48. Предохрани-
тельный клапан паро-
вого котла; О —ось
рычага; О В и О А —
плечи действующих
на рычаг сил; сила
Р — вес противовеса;
F —сила давления
пара на пробку S.
Рис. 49. К упражне-
нию 15, задача 8.
3. При каком положении груза палка меньше давит на плечо (рис. 46Де)?
4. На рисунке 46, г изображено весло. Объясните действие весла как
рычага.
5 Почему резать жесть ножницами легче, когда полоска жести нахо-
дится ближе к винту ножниц?
6. Рычаг, изображенный на рисунке 47, а, находится в равновесии.
Останется ли рычаг в равновесии, если к нему подвесить еще два
равных груза, как показано на рисунке 47, б?
Будет ли рычаг в равновесии, если эти два добавочных груза подве-
сить так, как показано на рисунке 47, в?
7. На рисунке 48 изображен разрез предохранительного клапана1.
Рассчитайте, какой груз Р надо повесить на рычаге, чтобы пар через
клапан не выходил. Давление в котле равно 12 ат. Площадь кла-
пана 3 см2, вес клапана и вес рычага в расчет не принимаются. Плечи
сил измерить по рисунку.
8. На рисунке 49 изображен подъемный кран. Рассчитайте, какой груз
можно поднимать при помощи этого крана, если противовес Р весит
1 Т (схема, изображенная под рисунком крана, дает указания для ре-
шения задачи).
9 Проволока, подвешенная за середину на нити, находится в равнове-
сии в горизонтальном положении. Останется ли она в равновесии, если
один ее конец согнуть пополам? Решение поясните чертежом
10 Придумайте способ, как при помощи линейки с миллиметровыми
делениями и небольшой гирьки, например в 20 Г, определить вес
гайки или какого-нибудь другого небольшого тела. Проверьте
результат вашего определения взвешиванием на весах.
11. Как при помощи комбинации рычагов получить выигрыш в силе
в 100 раз? в 1000 раз? Нарисуйте схему такого приспособления.
Попробуйте сделать модель, дающую выигрыш в силе в 100 раз.
12. Укажите, какие части велосипеда (рис. 17) можно рассматривать
в качестве рычагов.
28. Неподвижный блок
Поднимая при помощи веревки груз, совсем не обязательно
тянуть веревку вверх. Мы можем перекинуть веревку через какую-
нибудь перекладину и тянуть ее в том направлении, в кбТором
нам удобно. Груз при этом будет подниматься вверх к перекла-
дине.
Чтобы уменьшить трение веревки, можно то место перекладины,
о которое трется веревка, вделать круглым и гладким, можно,
наконец, веревку перекинуть через колесико-блок (рис. 50, а),
которое будет вращаться при движении веревки.
‘Предохранительный клапан — особое приспособле-
ние, открывающее, например, отверстие в паровом котле, когда давле-
ние пара в нем становится больше нормы.
3 Заказ № 22U
65
Рис. 50.
На рисунке 50, а изобра-
жено, как можно использо-
вать такой блок для подня-
тия грузов. Обойма бло-
ка укреплена неподвижно
вверху, через блок перекину-
та веревка. Один конец ве-
ревки привязывают к подни-
маемому грузу, а за другой
тянут веревку вниз. Ось бло-
ка при этом остается непод-
вижной, т. е. она не поднима-
ется и не опускается во время
работы относительно уровня
земли, поэтому такой блок
называется неподвиж-
ным блоком.
Неподвижный блок можно
рассматривать как рычаг, у
которого плечи сил равны
радиусу колеса. На рисунке
50, б Р и F — действующие
силы; О А = 11 и ОВ = 12 —
плечи этих сил.
Сила Р — вес поднимаемо-
го груза, сила F — усилие
человека, тянущего за пере-
кинутую через блок веревку.
Сила Р вращает блок про-
тив хода часовой стрелки, а
сила F — по ходу часовой
стрелки. Условием равновесия
такого рычага.будет равенство
моментов сил Р и F: Р1г = /7а.
А так как плечи этого рычага одинаковы и /2 равны радиусу
блока), то сила Р равна силе F.
Равенство сил Р и F показывает, что для поднятия груза при
помощи неподвижного блока к веревке нужно приложить силу,
равную весу груза. (Трение при этом не учитывается.)
Следовательно, неподвижный блок не дает нам выигрыша в силе.
Пути, проходимые точками приложения сил Р и F при подня-
тии груза, равны, так как, на сколько продвинется конец веревки,
за который тянут, на столько же поднимется груз.
Следовательно, неподвижный блок не дает и выигрыша в ра-
боте, так как работы равных сил на равных расстояниях равны.
Таким образом, неподвижный блок позволяет лишь изменять
направление действия силы тяги; веревку можно тянуть вниз или
66
вбок, при этом груз будет подниматься вверх. Изменение направ-
ления действия силы во многих случаях имеет большое практиче-
ское значение. Поднимая груз, тянуть веревку вниз гораздо удоб-
нее, чем поднимать тот же груз без блока.
Неподвижные блоки широко применяются в технике, сельском
хозяйстве и быту. Блоки устанавливаются на промышленных и
сельскохозяйственных машинах, например, на стреле подъемного
крана, экскаватора, в крановом стогометателе и т. д.
29. Подвижный блок
Можно поднимать груз вверх при помощи подвижного блока.
Один конец" веревки укреплен неподвижно, а за другой конец,
параллельно первому, тянут вверх. На образовавшейся петле
висит блок, к которому прикреплен поднимаемый груз. Так как
груз подвешен на двух параллельных веревках, то на каждую
веревку приходится нагрузка, равная половине веса груза. Оче-
видно, рабочему, чтобы удержать груз, приходится прилагать к
веревке силу, равную только половине веса груза. Этот вывод
мы можем проверить на опыте. Если мы приподнимем груз, при-
вязанный к блоку (рис. 51), то динамометр, кольцо которого мы
держим в руке, покажет, что сила, удерживающая груз, равна
половине общего веса груза и блока. Следовательно, подвижный
блок дает выигрыш в силе в два раза.
При движении груза вместе с ним перемещается и блок, по-
этому такой блок называют подвижным.
67
3*
Рис. 54. Выигрыша в работе под?
вижный блок не дает.
Рис. 55. Комбинация подвижного
и неподвижного блоков.
Полученный нами из опыта вывод можно было бы предска-
зать, рассматривая подвижный блок как рычаг, у которого одно
плечо вдвое длиннее другого.
На рисунке 52 изображен подвижный блок, а на рисунке 53
соответствующий ему рычаг: О — точка опоры рычага, ОА — плечо
силы Р и ОВ — плечо силы F, Р — вес груза, F — сила тяги.
Так как ОВ в два раза больше ОА, то сила F будет в два раза
меньше силы Р:
Таким образом, при поднятии груза с применением подвижного
блока нужно приложить силу, вдвое меньшую веса груза. Следо-
вательно, подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза1.
Измерим и сравним между собой работы, совершаемые силами
Р и F. Для этого проделаем опыт.
Будем поднимать гирю при помощи подвижного блока. Чтобы
поднять груз на высоту й, необходимо конец веревки, к которому
прикреплен динамометр, поднять на высоту 2й (рис. 54). Таким
образом, получив выигрыш в силе в два раза, мы проиграли в два
раза в расстоянии.
Подвижный блок, как и рассмотренные ранее механизмы, не
дает выигрыша в работе.
1 Практически сила, с которой тянут веревку, несколько больше рас-
четной, так как мы не учитываем веса блока и возникающей в нем силы
трения.
68
Для поднятия груза при помощи подвижного блока рабочему
можно и не тянуть веревку вверх. Прикрепив неподвижный блок
к балке и перекинув через него веревку, огибающую подвижный
блок, рабочий может тянуть веревку вниз, груз же будет подни-
маться вверх (рис 55).
Применяются подвижные блоки во многих устройствах, где
малой силой бывает нужно преодолевать большую, например при
поднятии тяжелых грузов и т. п.
На рисунках 56 и 57 в качестве примера показано применение
подвижного блока в автокране (рис. 56) и в оснастке парусной
лодки (рис. 57).
Рис. 57.
69
30. Лабораторная работа 3.
Условия равновесия сил ив рычаге и блоке
1. Равновесие сил на рычаге.
На рычаг действуют две силы, точки приложения их расположены по
обе стороны от точки опоры рычага.
Приборы: рычаг; набор грузов; динамометр; масштабная линейка;
штатив.
Указания к работе:
1. Соберите рычаг согласно рисунку 33.
2. Проверьте направление вращения рычага (по ходу часовой стрелки
или против) под действием каждой из приложенных к нему сил в от-
дельности.
3. Подвесьте к левому плечу рычага груз, а затем на правом плече
найдите точку, где надо повесить второй груз, в два раза больший
первого, чтобы рычаг находился в равновесии.
4. Измерьте расстояние от оси вращения до точек приложения сил. Ре-
зультаты опыта запишите в таблицу.
№ измерения Сила, вращающая рычаг против хо- да часовой стрел- ки, F Момент силы в Г*см Сила, вращающая рычаг по ходу ча- совой стрелки, Р Момент силы в Г^см Отношение сил F Р Отношение плеч /1 4
сила в Г длина плеча в см сила в Г Длина плеча в см
1 2 3
5. Повторите опыт несколько раз, изменяя длину плеч и грузы при
равновесии рычага.
6. Какая существует связь между действующими силами и плечами
уравновешенного рычага?
II. Условие равновесия сил на подвижном
блоке.
Принадлежности: два блока, нить, штатив, набор грузов,
динамометр, измерительная линейка.
Указания к рабо те:
1. Соберите на штативе комбинацию подвижного и неподвижного блоков
(см. рис. 55). Нити, идущие от подвижного блока вверх, должны быть
параллельны.
2. Подберите грузик, который уравновешивал бы подвижный блок.
3. Вспомните соотношение плеч двух сил, действующих на подвижный
блок, рассматриваемый как рычаг.
4. Измерьте диаметр подвижного блока с точностью до 0,5 см.
5. Подвесьте к крючку подвижного блока груз.
70
6. Уравновесьте подвешенный к подвижному блоку груз динамометром,
зацепив его за конец нити, перекинутой через неподвижный блок.
Грузик, который перед этим висел на нити и уравновешивал по-
движный блок, нужно снять.
7. Запишите показания динамометра и вес груза, подвешенного к по-
движному блоку. Определите силу, уравновешивающую груз на блоке.
Эта сила равна показанию динамометра за вычетом веса грузика,
уравновешивавшего ненагруженный блок.
8. Проведите три опыта с разными по весу грузами.
9. Результаты опыта занесите в таблицу.
< я
о
С «а
о
Г?
О)
3
о
%
1
2
3
10. Подтверждают ли ваши опыты равенство моментов веса груза и
уравновешивающей его силы?
Упражнение 16.
1. Груз с помощью подвижного блока подняли на высоту 1,5 м. На какую
длину при этом был вытянут свободный конец веревки?
2. С помощью подвижного блока подняли груз на высоту 7 м. Какую
работу произвел рабочий при подъеме
веревки силу 16 «Г?
3. Может ли стоящий на полу ученик
весом 45 кГ поднять с помощью не-
подвижного блока груз весом 54 кГ?
4. Как использовать подвижный блок
для выигрыша в расстоянии?
5. Придумайте комбинацию рычага
и блоков, при помощи которой,
применяя усилие 20 кГ, можно
поднять груз 160 «Г?
6. Какой по весу груз следует под-
весить к концу D рычага (рис. 58),
чтобы рычаг был в равновесии?
Примечание. Вес рычагов и
блоков, а также трение в блоках при
груза, если он прилагал к концу
Рис. 58.
решении задач не учитывать.
71
7. К короткому концу рычага подвешен груз 5 кГ. Ученик, надавливая
на длинный конец рычага, опускает его на 10 см, совершая при этом
работу 0,25 кГ • м.
Определить:
а) силу, с которой ученик действует на рычаг,
б) высоту, на которую был поднят груз.
31. Ворот
Главной частью ворота является укрепленный на оси вал.
К валу прикреплена веревка, которая при вращении вала накру-
чивается на него и поднимает груз. Вращают вал при помощи
рукоятки или большого колеса. На рисунке 59, а изображен коло-
дезный ворот.
Рассмотрим действие ворота, для чего изобразим его схемати-
чески (рис. 59, б). Буквой О на рисунке обозначена ось вращения
ворота. Расстояние ОВ — радиус вала, ОС — радиус окружно-
сти, описываемой при движении рукояткой, при помощи которой
вращают вал, Р — вес ведра с водой, F — сила, приложенная
человеком, поднимающим ведро.
Если через точки С, О и В проведем прямую, то получим схему
рычага, причем плечами действующих сил будут радиусы вала
и рукоятки. Обозначим радиус вала г, а радиус рукоятки 7?, так
как радиусы г и 7? не равны, значит, не равны и силы F и Р, при-
ложенные в точках С и В.
По условию равновесия рычага вал ворота находится в равно-
весии тогда, когда моменты сил F и Р, приложенных к рукоятке
Рис. 59.
72
и валу, равны. Напишем это условие: F7? = Рг. Отсюда найдем
силу F:
F = Р -С- , или
Л\
F г
Р ~ R
Сила, приложенная к рукоятке ворота, во столько раз меньше
веса груза, поднимаемого с помощью ворота, во сколько раз
радиус вала ворота меньше радиуса окружности, по которой
движется рукоятка.
Поскольку ворот представляет собой разновидность рычага,
можно сразу сказать, что ворот не дает выигрыша в работе.
Ворот входит как составная часть во многие сложные маши-
ны. Ворот, например, можно встретить в экскаваторе, в различ-
ных механизмах на строительной площадке и т. д.
Упражнение 17.
1. Рассчитайте и изобразите на чертеже ворот, при помощи которого
силой 10 кГ можно поднять груз 150 кГ.
2. Диаметр вала ворота 20 см, радиус окружности, по которой дви-
жется рукоятка, 50 см. Какое требуется усилие для поднятия ведра
с водой весом 12 кГ?
3. Радиус вала ворота 20 см, а радиус окружности, по которой движет-
ся рукоятка, 80 см. Воротом поднимают из колодца бадью с водой.
Когда рукоятка проходит путь 0,6 м, совершается работа 3 кГ • м.
Определить:
а) величину силы, действующей на рукоятку;
6) вес бадьи с водой;
в) высоту, на. которую поднялась бадья, когда рукоятка ворота про-
шла 0,6 м,
32. «Золотое правило» механики. Коэффициент полезного
действия механизма
Ни рычаг, ни блок, ни ворот, как мы установили, выигрыша
в работе не дают. Как показала многовековая практика, вообще
ни один из механизмов не дает выигрыша в работе.
Применяют же различные механизмы для того, чтобы в зависимо-
сти от условий работы выиграть в силе или расстоянии.
Уже древним ученым было известно следующее правило, при-
менимое к механизмам:
Во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигры-
ваем в расстоянии.
73
Это правило назвали «золотым правилом» механики.
На практике совершенная механизмом полезная работа всег-
да несколько меньше работы, совершенной на приведение его
в движение, потому что часть работы идет на преодоление тре-
ния в механизме и на перемещение его отдельных деталей.
Так, например, используя подвижный блок для поднятия гру-
за, приходится дополнительно совершать работу по поднятию са-
мого блока, веревки и по преодолению трения в блоке.
Следовательно, какой бы механизм мы ни взяли, полезная
работа, совершенная с его помощью, всегда составляет лишь
часть всей совершенной работы.
Число, показывающее, какую часть всей совершенной работы
составляет полезная работа, называется коэффициентом полез-
ного действия (сокращенно к. п. д.) механизма.
Если обозначить: Ап — полезную работу, Ас — всю совершен-
ную работу, то:
к. п. д. = -4s-
Ас
К. п. д. обычно выражают в процентах.
Так как полезная работа всегда меньше всей совершенной
работы, то к. п. д. любого механизма меньше единицы или, если
выражать к. п. д. в процентах, меньше 100%.
33. Наклонная плоскость
Во многих случаях, вместо того чтобы поднимать груз на не-
которую высоту, его вкатывают или втаскивают на ту же вы-
соту по наклонной плоскости. Рассмотрим, чем выгоден такой
способ.
Два примера применения наклонной плоскости изображены
на рисунке 60 (подъем вагонетки и вкатывание бочек). Участок
горной дороги также можно рассматривать как наклонную плос-
кость.
Схематически любую наклонную плоскость можно изобразить
в виде прямоугольного треугольника (рис. 60, вверху), где ВС —
высота наклонной плоскости, АВ—ее длина, Р— вес те-
ла, F — сила, движущая тело вдоль наклонной плоскости
вверх. Обозначим длину наклонной плоскости через /, а высоту
через h.
При подъеме тела на высоту h совершается работа, равная
произведению веса тела Р на высоту подъема: А = Ph.
74
Рис. 60.
Работа при перемещении тела вдоль наклонной плоскости
равна произведению силы, движущей тело, на длину наклонной
плоскости:
A = Fl.
Согласно «золотому правилу» механики, ни один механизм
не дает выигрыша в работе, следовательно, и данные две работы
равны между собой1.
Запишем это равенство:
Ph = Fl.
Составим из него пропорцию:
-у- = Ц-, откуда видно, что,
Применяя наклонную плоскость, мы во столько раз выигрываем
в силе, во сколько раз длина наклонной плоскости больше ее
высоты2.
Наклонный помост доменной печи, по которому поднимают
наверх руду и кокс для загрузки в домну; сортировочная железно-
дорожная горка; стапели, по которым спускают на воду построен-
ные корабли,— все это различные примеры наклонной плоскости.
1 Считаем, что трение отсутствует.
8 Трение при этом не учитывается.
75
34. Лабораторная работа 4.
Определение к.п.д. наклонной плоскости
Приборы и материалы: обструганная доска длиной при-
мерно 50—75 см, шириной 10—20 см; подставка высотой около
20 см; деревянный брусок с крюком для прикрепления динамометра;
разные грузы весом по 0,5 кГ, 1 кГ, 2 кГ; динамометр.
Указания к работе:
1. Установите доску наклонно. Измерьте длину и высоту полученной
наклонной плоскости. Прикрепив динамометр к бруску, двигайте
его равномерно вверх по наклонной плоскости.
2. Не меняя высоты наклонной плоскости, проделайте опыт несколько
раз, нагружая брусок гирями. Результаты запишите в таблицу.
3. Используя полученные данные, найдите к. п. д. наклонной плоскости
в процентах.
Упражнение 18.
1. Длина ледяной горы 20 м, высота 4 м. Какую надо совершить работу,
чтобы на эту гору втащить сани весом 15 кГ? Какая требуется для
этого сила? Трение не учитывать.
2. Подъем дороги составляет 3 м на 50 м пути. Какую скатывающую
силу преодолевает двигатель автомобиля, если вес машины 2 7?
Какая работа совершается на пути в 50 м?
3. На наклонный помост длиной 10 м и высотой 2,5 м нужно вка-
тить бочку весом 200 кГ. Можно ли это выполнить, прилагая усилие
30 кП
35. Скорость вращательного движения
Вращательное движение, с которым мы познакомились в § 2,
очень широко используется в различных машинах и станках.
Вращательное движение совершают и знакомые нам механизмы:
рычаг, блок и ворот.
76
В § 2 было установлено, что при вращательном движении
различные точки тела движутся по окружностям. Центры этих
окружностей лежат на одной прямой, называемой осью вра-
щения.
Одни тела вращаются быстрее, другие медленнее. Секундная
стрелка часов, например, совершает один оборот за одну минуту,
минутная стрелка — за час, а часовая — за 12 ч. Земной шар
совершает один оборот вокруг своей оси за сутки, а вокруг Солн-
ца — за год. Искусственные спутники Земли в сутки совершают
14—16 оборотов вокруг Земли. Вал автомобильного двигателя
делает 4000 оборотов в минуту.
/ об \
По числу оборотов в минуту (обозначается сокращенно
можно судить об угловой скорости вращательного движения тела.
В физике угловая скорость измеряется углом поворота тела
в единицу времени.
Если, например, колесо делает 60 , то за 1 сек оно сдела-
ет 1 оборот — повернется вокруг оси вращения на 360°. Чем больше
оборотов в минуту делает тело, тем на больший угол оно повора-
чивается за 1 сек и, следовательно, тем больше его угловая ско-
рость. Поэтому в практике угловой скоростью вращательного
движения часто называют число оборотов в минуту.
Ниже в таблице приведены некоторые примеры угловых ско-
о об
ростеи вращательного движения тела в----- .
Таблица угловых скоростей, встречающихся в технике
Колесо ветряного двигателя Д-12 (при скорости ветра 8 jJL) 60—.
ССК, мин
Рабочее колесо водяной турбины .«.««««. ,««•« около 100 »
Вал двигателя С-80 . . ,.............♦«.<«<«« ® до 1000 >
Винт самолета ........................» 1200 >
Вал двигателя автомобиля «Москвич-402» . 4 » 4200 »
В$л электрического двигателя.........« 4 . « « « « t ® > 6000 »
Барабан сепаратора «Урал-3» ( ( • > 8250 >
Веретено прядильного станка * * * < * ® • ДО 18 000 »
Скорость, с которой движется какая-нибудь точка вращающе-
гося тела, называется линейной скоростью.
(м \
'сёк'1в
Чем больше угловая скорость вращения тела, тем, очевидно,
больше будет и линейная скорость отдельных точек тела. Линей-
77
ная скорость зависит также от величины радиуса окружности, по
.которой движется точка. При одном и том же числе оборотов,
чем больше радиус окружности, тем больше будет и линейная
скорость точки.
Выразим зависимость линейной скорости от угловой и от ра-
диуса окружности.
Пусть v — линейная скорость, п — число оборотов в минуту,
г — радиус окружности, по которой движется какая-либо точка
тела.
За один оборот вращающегося тела точка, движущаяся по
окружности радиуса г, пройдет путь sv равный длине окруж-
ности:
s1 = 2nr.
За минуту вращающееся тело совершит п оборотов, а точка
по окружности за это время пройдет путь s, в п раз больший:
s = 2кг/г.
Разделив пройденный путь з на время t = 1 мин = 60 сек,
получим линейную скорость:
<о — — или
t
Пример. С какой линейной скоростью движутся частицы,
расположенные на поверхности цилиндрической детали, при об-
работке ее на токарном станке, если угловая скорость вращения
детали 3000 а радиус окружности цилиндра 2,0 см?
мин
Решение:
2лгга 2 • 3,14 • 2см • 3000 СОЛ см
v = -60-; 0 =---------60^--------~ 630 ^
Ответ: t» = 6,3-^-.
36. Ременная и зубчатая передачи
Во многих машинах имеются механизмы (их называют п е-
р е д а ч а м и), которые передают движение и усилие от дви-
гателя к рабочим частям машины или от одной части машины
к другой.
Например, усилием ног велосипедист вращает педали велоси-
педа. Вращательное движение педалей при помощи цепи (цеп-
ной передачи) передается заднему колесу велосипеда.
Широко применяются и другие виды передач, например ре-
менная передача. Ее можно увидеть на станках в школьной ма-
78
стерской, у ножной швейной
машины, у различных сельско-
хозяйственных машин.
Рассмотрим наиболее часто
встречающиеся виды передач.
а) Ременная передача. Прос-
тейшая ременная передача пока-
зана на рисунке 61, вверху. На
два шкива1 А и В, сидящих на
параллельных валах, надет ре-
мень. Движение от одного шки-
ва к другому передается благо-
даря наличию трения между
ремнем и шкивами.
Шкив Л, передающий дви-
жение, называется ведущим,
а шкив В, воспринимающий
движение, называется в е д о -
м ы м.
Если ведущий шкив А тянет
с определенной силой ремень, то
с той же силой ремень действует
на обод ведомого шкива. В ре-
менной передаче усилие от од-
Рис. 61.
ного шкива к другому передает ремень.
Ременная передача работает плавно и почти бесшумно, при
широких шкивах и ремнях она способна передавать большие уси-
лия. Ремень при этом не должен проскальзывать на шкивах. Для
усиления сцепления между шкивами и ремнем ремень сильнее
натягивают и смазывают особой липкой пастой.
Оба шкива на рисунке 61, вверху, вращаются в одну сторону.
Если ведомому шкиву В нужно сообщить вращение в сторону,
противоположную вращению ведущего шкива Л, то ремень пере-
крещивают (рис. 61, внизу).
Числа оборотов ведущего и ведомого шкивов находятся в
зависимости от величины их диаметров.
Если диаметры одинаковы, то в единицу времени оба шкива
совершают одинаковое число оборотов. При неравенстве диа-
метров числа оборотов шкивов обратно пропорциональны их
диаметрам.
1 Шкив— колесо, приспособленное для передачи вращения при по-
мощи ремня. Чаще всего шкивы имеют гладкий обод, иногда слегка вы-
пуклый посередине (бочкообразной формы): на шкиве бочкообразной
формы лучше удерживается ремень.
79
Рис. 62. (Вверху.) Рис. 63. (Внизу.)
Это следует из того, что ли-
нейные скорости поверхностей
ведущего, и ведомого шкивов
одинаковы и равны скорости
движения точек ремня:
Vi = v2 или 2^/^ = 2кг2п2,
откуда
пг ___ 2г2 _ Р2
п2 ~~ 2гг ~ Di ’
где £>i и D2 — диаметры шки-
вов.
б) Зубчатая передача. Если
валы, между которыми осущест-
вляется передача движения, на-
ходятся близко друг от друга,
то для передачи применяются
зубчатые колеса (шестерни).
Зубья одного колеса (рис.
62) путем непосредственного за-
цепления с зубьями другого пе-
редают вращение и усилие от
одного вала другому. При этом
ведомая шестерня В по отноше-
нию к ведущей А вращается в
противоположную сторону.
Чтобы выяснить, с каким
числом оборотов будут вращать-
ся валы при зубчатой передаче,
рассмотрим пример. Допустим, что ведущая шестерня имеет 75
зубьев, а ведомая—25. При повороте ведущей шестерни на один
зуб ведомая , шестерня повернется тоже на один зуб. Следова-
тельно, пока шестерня с 75 зубьями сделает один оборот, шес-
терня с 25 зубьями сделает три оборота.
Число оборотов каждой из сцепленных шестерен обратно про-
порционально числу имеющихся на ней зубьев:
_ z2
По ’
2 Z1
где ?! и г2 — число зубьев на шестернях.
Зубчатая передача проста в обслуживании, надежна и долго-
вечна в работе. Ее можно встретить в самых различных машинах
и механизмах: в часах, токарных станках, швейных машинах
(рис. 63), автомобилях (рис. 64, б), лебедках (рис. 64, а).
80
г
Рис. 64.
На рисунке 64, г показан механический пресс для штамповки
металлических деталей. От электродвигателя (вверху справа)
движение передается при помощи ременной передачи, а затем —
зубчатой (слева).
В настоящее время для изготовления шестерен часто приме-
няется текстолит1. Текстолитовые шестерни бесшумны в работе и
служат так же исправно, как и стальные.
в) Фрикционная передача1 2 3. На практике применяется еще
так называемая фрикционная передача. Фрикционная передача
состоит из двух колес, прижатых друг к другу с некоторой силой
1 Текстолит изготовляют из многих слоев ткани, пропитанной
особым лаком и спрессованной под большим давлением.
3 Фрикционный — от латинского слова «фрикцио» — трение,
т. е. действующий благодаря трению.
81
(рис. 64, в). При вращении одного колеса другое вследствие трения
тоже приходит во вращение, но в обратную сторону. Такая пере-
дача имеется, например, в швейной машине между колесом и
шпулькомоталкой (рис. 63).
Упражнение 19.
1. Который из шкивов, изображенных на рисунке >61, внизу, вращается
быстрее? Почему?
2. Укажите примеры применения ременной и зубчатой передач в вашей
школьной мастерской.
3. Два вала соединены «бесконечным» ремнем. Ведущий вал делает
150 На ведомом валу, который должен вращаться со скоростью
мин
375 насажен шкив диаметром 250 мм. Какого диаметра должен
мин
быть шкив на ведущем валу?
об
4. Ведущее колесо имеет 20 зубцов и вращается со скоростью 200^^-.
Сколько зубцов имеет ведомое колесо, если скорость его вращения
об
50----?
мин
37. Простые механизмы в машине
Современная промышленность, сельское хозяйство, транспорт
основаны на применении самых разнообразных машин. В любой
машине или станке есть много простых механизмов.
з
РиС. 65.
82
Для примера рассмотрим устройство экскаватора (рис. 65)—
машины, применяемой для рытья каналов, на стройках и т. д.
Не вдаваясь в подробное изучение этой сложной машины, мож-
но сказать, что во время работы экскаватор действует как рычаг
(рис. 65, внизу; ОА и ОВ — плечи рычага, к которым приложе-
ны силы Р и F). Рычагами же являются стрела экскаватора 1 и
его лопата 2 (ковш с рукоятью). Для управления стрелой и подъ-
ема ковша экскаватора применяются блоки 3.
Для подъема и опускания стрелы и ковша в кабине экскава-
тора установлена лебедка, представляющая собой сочетание во-
рота и зубчатой передачи. Вал лебедки приводится во вращение
двигателем.
38. Потенциальная и кинетическая энергия тел
1. Понятие об энергии. На камень, поднятый над землей, дей-
ствует сила притяжения со стороны Земли — сила тяжести. На
стальной шарик, находящийся около магнита, действует сила
магнитного притяжения. Если дать возможность камню упасть
на землю или шарику притянуться к магниту, то силы притяже-
ния в обоих случаях совершат работу.
Сожмем проволочную пружину и закрепим ее ниткой так,
чтобы она не могла распрямиться. Сжатая пружина, если она рас-
прямится, сможет совершить работу, например поднять груз.
Значит, сжатая пружина, так же как и поднятый над землей ка-
мень или стальной шарик, притягиваемый магнитом, обладает
возможностью совершить работу.
Тела, которые могут совершать работу, обладают энергией.
В рассмотренных нами примерах камень над землей, сталь-
ной шарик около магнита, сжатая пружина обладают энергией,
так как при их движении совершается работа. Чем больше рабо-
та, которую может совершить тело или группа тел, тем больше их
энергия.
2. Потенциальная энергия. Энергия груза, поднятого над зем-
лей, энергия деформированной пружины или сжатого газа явля-
ются примерами потенциальной энергии1.
Чем больше вес груза и чем выше он поднят над землей, тём
больше его потенциальная энергия. Падая, такой груз может
совершить .соответственно большую работу.
Падение тяжелого тела (копровой бабы) используется, на-
пример, для забивания свай. При вбивании сваи преодолевается
сила сопротивления грунта — при этом совершается работа.
1 От латинского слова «потенция» — возможность.
83
Огромной потенциальной энергией обладает, например, вода,
поднятая плотинами на реках. Двигаясь вниз, вода приводит
в движение мощные турбины электростанций.
Потенциальная энергия сжатого газа зависит от степени его
сжатия. Чем сильнее газ сжат, тем большей потенциальной энер-
гией он обладает, а следовательно, и большую работу совершит
ври расширении. За счет энергии сжатого пара и газа, как мы
увидим дальше, осуществляется работа тепловых двигателей:
паровой машины, автомобильного двигателя и др. Из рассмот-
ренных примеров видно, что
Потенциальная энергия зависит от положения взаимодействую-
щих тел или их частей (тело, поднятое над землей, витки закру-
ченной пружины, сжатый газ и т. д.).
Потенциальная энергия может проявиться лишь при опреде-
ленных условиях. Поднятая гиря или закрученная пружина
только тогда приведут часовой механизм в движение, когда гире
будет предоставлена возможность падать, а пружине раскру-
чиваться. Сжатый газ может
В привести в движение поршни
двигателя автомобилей лишь в
А том случае, если газ будет рас-
ширяться.
3. Кинетическая энергия. Не
в—только тела, находящиеся в по-
кое и взаимодействующие друг
с другом, но и движущиеся
тела могут совершать работу,
Рис’ ’ т. е. обладают энергией.
На рисунке 66 изображен
шарик Л, скатывающийся по наклонному желобу. Ударившись
о неподвижный цилиндр В, шарик передвинет его, совершив при
этом работу. Значит, движущийся шарик обладает энергией.
Летящий горизонтально на некоторой высоте снаряд, встре-
тив на своем пути препятствие (например, самолет), пробивает
его, преодолевая сопротивление, т. е. совершает раббту.
Движущаяся вода, приводя во вращение турбины электро-
станций, совершает работу. Следовательно, движущаяся вода
также обладает энергией. Обладает энергией и движущийся воз-
дух — ветер.
Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения,
называется кинетической1 энергией.
1 От греческого слова «кинема» — движение.
84
Следовательно, движущаяся вода и ветер обладают кинети-
ческой энергией.
Чем больше масса тела и скорость, с которой оно движется,
тем больше его кинетическая энергия. В этом легко убедиться,
повторив опыт с шариком и цилиндром, но взяв при этом шарики
разной массы и скатывая их с различной высоты. Оказывается,
что, чем больше масса шарика и скорость его движения, тем даль-
ше он передвигает цилиндр, а следовательно, и большую работу
совершает.
Рассмотренные виды энергии, проявляющейся при механиче-
ских перемещениях- тел, объединяются под общим названием —
механическая энергия.
Об иных видах энергии (электрической, химической и др.) вы
узнаете в дальнейшем при изучении других разделов курса фи-
зики.
Все тела в природе обладают либо потенциальной, либо ки-
нетической энергией, но чаще и той и другой вместе.
Например, летящий самолет обладает кинетической энергией,
в тоже время относительно Земли он обладает потенциальной энер-
гией.
Рассмотрим другой пример — работу часов, приводимых в
движение гирей. Чтобы часы шли, необходимо поднять гирю,
т. е. сообщить гире потенциальную энергию. Когда гиря начн.ет
опускаться, она приведет в движение механизм часов. Опускаю-
щаяся вниз гиря обладает как кинетической, так и потенциаль-
ной энергией. Действительно, раз она движется, то она обладает
кинетической энергией, а поскольку гиря не достигла поверхно-
сти Земли, она обладает и потенциальной энергией.
Механическая энергия — кинетическая и потенциальная — из-
меряется в тех же единицах, что и работа, т. е. в джоулях и
килограммометрах.
39. Переход одного вида механической энергии в другой
В природе, технике и быту можно постоянно наблюдать пре-
вращения одного вида механической энергии в другой: потен-
циальной в кинетическую и кинетической в потенциальную. Эти
превращения мы рассмотрим на приборе, изображенном на ри-
сунке 67.
Поднимем диск прибора, накручивая на ось нитки. Диск,
поднятый вверх, обладает некоторой потенциальной энергией.
Если отпустить диск, то он, вращаясь, начнет падать. По мере
падения потенциальная энергия диска уменьшается, но вместе
с тем возрастает его кинетическая энергия. В конце падения диск
85
Рис. 67.
Рис. 68.
обладает таким запасом кинетической энергии, что может опять
подняться почти до прежней высоты1. Поднявшись вверх, диск
снова падает и затем снова поднимается. В этом опыте при движении
диска вниз его потенциальная энергия превращается в кинетиче-
скую, а при движении вверх кинетическая энергия превращается
в потенциальную.
Более сложные явления превращения энергии из одного вида
в другой происходят при ударе двух каких-нибудь упругих тел,
например резинового мяча о пол или стального шарика о сталь-
ную плиту.
Поднимем над плитой из стали стальной шарик (рис. 68). Чем
выше мы его поднимем, тем большую потенциальную энергию
ему сообщим. Выпустим затем шарик из рук.
По мере падения шарика его потенциальная энергия убывает,
а кинетическая — растет, так как увеличивается скорость дви-
жения шарика.
При ударе шарика о плиту произойдет сжатие как шарика,
так и плиты, а кинетическая энергия, которой шарик обладал,
превратится в потенциальную энергию сжатой плиты и сжатого
шарика. Затем благодаря действию сил упругости плита и ша-
рик примут свою первоначальную форму, шарик отскочит от
плиты, а их потенциальная энергия вновь превратится в кинети-
ческую энергию шарика — он отскочит вверх со скоростью, почти
1 Часть энергии расходуется на преодоление трения, поэтому диск
не достигает первоначальной высоты.
86
равной скорости, которой он обладал в момент удара о плиту.
При подъеме вверх скорость шарика, а следовательно, и его кине-
тическая энергия уменьшается, потенциальная энергия растет.
Отскочив от плиты, шарик поднимется почти до той же высоты,
с которой начал падать. В этот момент вся его кинетическая энер-
гия вновь превратится в потенциальную.
Какое бы явление природы ни происходило, оно всегда сопро-
вождается превращением одного вида энергии в другой.
В этом вы будете каждый раз убеждаться, изучая различные
физические явления.
40. Водяные двигатели
Движущаяся вода обладает кинетической энергией, поэтому
она может совершить полезную работу. Для того чтобы использо-
вать энергию воды рек, их перегораживают высокими плотинами.
Чем выше плотина, тем выше поднимется уровень воды в реке
и каждый килограмм воды будет обладать большей потенциаль-
ной энергией. Волжская гидроэлектростанция имени В. И. Ленина
у г. Куйбышева, например, имеет плотину высотой 30 м, а у Брат-
ской ГЭС на реке Ангаре высота плотины более 100 м.
Проходя через турбины электростанции, вода приводит их
во вращение и отдает им свою энергию.
Механическую энергию воды часто называют «белым уг-
лем». За счет «белого угля» работают различные водяные дви-
гатели.
Одним из простейших и
древнейших двигателей является
водяное колесо (рис. 69). Пада-
ющая на лопасти колеса вода
своей тяжестью заставляет его
вращаться и совершать при этом
работу.
В современной технике ши-
роко применяются более совер-
шенные водяные двигатели —
водяные турбины.
На рисунке 70 изображена
схема подачи воды на лопасти
турбины. Рабочее колесо тур-
бины 1 находится внутри направ-
ляющего колеса с поворотными
лопатками 2, Поворотом лопа-
ток направляющего колеса регу-
лируется количество проходя-
Рис. 69.
87
щей через турбину воды. С лопаток направляющего колеса вода
с большой скоростью устремляется на лопасти рабочего колеса
турбины (рис. 71), приводя его во вращение. При этом вода от-
дает свою кинетическую энергию рабочему колесу.
Рабочее колесо турбины соединяется с валом электрического
генератора, дающего электрический ток.
На рисунке 72 показана схема установки турбины на гидро-
электростанции.
На Волжской гидроэлектростанции имени В. И. Ленина уста-
новлено 20 турбин мощностью по 115 000 кет каждая. На Братской
гидроэлектростанции установлены турбины мощностью по 225 000
кет каждая?
Это огромнейшие машины. Они имеют вес около 1500 Т. Только
одно крыло рабочего колеса такой турбины весит 20 Т. Диаметр
рабочего колеса больших турбин достигает 10 м.
При работе вал водяных турбин вращается со сравнительно
небольшой скоростью, примерно 68 оборотов в минуту.
В Советском Союзе одной из первоочередных задач в обла-
сти энергетики является задача использования водной энергии
путем создания мощных гидроэлектроустановок на десятки, со-
тни тысяч и даже миллионы киловатт.
Рис. 70. Схема подачи воды к ра-
бочему колесу турбины: 1 — рабочее
колесо (вид сверху); 2 — лопатки
направляющего колеса; 3 — положе-
ние лопаток у неработающей тур-
бины.
Рис. 71. Рабочее колесо турбины
гидроэлектростанции.
88
Рис. 72. Схема установки турбины на гидроэлектростанции.
41. Ветряные двигатели
Ветер — движущийся воздух — обладает кинетической энер-
гией. Энергия ветра, по расчетам ученых, значительно превы-
шает энергию всех видов топлива.
Энергия ветра используется в ветряных Двигателях.
Ветряные двигатели известны с древнейших времен. На ри-
сунке 73 изображены ветряные мельницы. Современный мощный
ветряной двигатель изображен на рисунке 74.
Двигающиеся массы воздуха оказывают давление на наклон-
ные плоскости крыльев ветряных двигателей и приводят их в дви-
жение. Вращательное движение крыльев при помощи системы
передач передается механизмам, выполняющим какую-либо ра-
боту.
Ветряные двигатели применяют для подъема воды из колод-
цев, для подачи воды в водонапорные башни в совхозах, колхо-
зах, на железнодорожных станциях, для получения электриче-
ской энергии и т. д.
89
Упражнение 20.
1. Приведите примеры, когда тела обладают потенциальной энергией.
2. Приведите примеры, когда тела обладают кинетической энергией.
3. Укажите превращения энергии в следующих случаях:
а) при падении воды в водопаде;
б) при бросании мяча вертикально вверх;
в) при закручивании пружины наручных часов;
г) на примере дверной пружины.
4. Определите, какая работа совершается силой тяжести при падении
каждого кубического метра воды, находящегося у верхнего края
”. плотины Днепровской гидроэлектростанции имени В. И. Ленина,
если вода падает здесь с высоты 50 м.
5. Производит ли человек механическую работу, входя по лестнице на
верхний этаж здания? Производит ли человек механическую работу,
поднимаясь на ту же высоту на лифте?
6. В какой реке — горной или равнинной — каждый кубометр текущей во-
ды обладает большей кинетической энергией?
7. Где потенциальная энергия каждого кубометра воды в реке больше: у
истоков или в устье реки?
90
42. Механизация работ
Еще в древние времена люди применяли блоки, рычаги, во-
роты для того, чтобы облегчить и ускорить выполнение различ-
ных работ, главным образом работ по поднятию и перемещению
больших тяжестей.
Замена мускульной силы машиной, внедрение машин и ме-
ханизмов в производство называется механизацией.
Механизация Повышает производительность труда. В социа-
листическом обществе механизация ведет к облегчению труда,
сокращению рабочего дня, улучшению материального благососто-
яния трудящихся. В капиталистических странах она способству-
ет усилению эксплуатации рабочих, ведет к росту безработицы.
Грандиозные стройки в нашей стране были бы немыслимы
без широкой механизации, так как при строительстве каналов,
плотин и других сооружений приходится вынимать и перемещать
сотни миллионов кубических метров грунта, устанавливать очень
тяжелые машины.
Без применения мощных экскаваторов, тракторов, земснаря-
дов и других машин и механизмов было бы невозможно выпол-
нить такие огромные объемы работ в невиданно короткие сроки.
Например, один шагающий экскаватор выполняет за смену та-
кую работу, для выполнения которой понадобилось бы 8—10 ты-
сяч рабочих.
В нашей стране механизируются не только отдельные виды
работ, но и осуществляется комплексная механизация и автома-
тизация (все работы выполняют машины).
Например, широко механизировано строительство шоссей-
ных дорог.
Для строительства дороги нужен грунт. Его вынимает экска-
ватор и грузит на автомобиль-самосвал, который доставляет грунт
к месту укладки. Затем специальные машины выравнивают и уп-
лотняют грунт. Ручной труд здесь устранен. В подобных случаях
говорят, что работа полностью механизирована.
Применение в большом количестве тракторов, автомобилей,
комбайнов и других сельскохозяйственных машин позволило в
невиданно короткие сроки освоить миллионы гектаров целинных
земель, значительно повысить жизненный уровень населения
нашей страны.
В городах, промышленных посёлках и во многих селах в на-
стоящее время почти полностью механизировано строительство
жилых домов и произвбдственных зданий. На специальных за-
водах изготовляют из железобетона плиты, панели и блоки, из
которых затем с помощью механизмов быстро собирают здания.
Механизация жилищного строительства дала возможность пре-
доставить многим миллионам трудящихся нашей Страны удоб-
ные квартиры.
ТЕПЛОТА И РАБОТА
43- Нагревание тел при трении, ударе и теплопередаче
Каждому известно из повседневных наблюдений, что при
трении тела нагреваются.
Вследствие трения, например, нагревается пила при работе, осо-
бенно если она плохо разведена. При точке ножа на точиле нагре-
вается как нож, так и точило. Холодные метеоритные камни, с огром-
ной скоростью влетающие из космоса в земную атмосферу, при тре-
нии о воздух раскаляются и чаще всего сгорают, не долетев до
Земли.
Сгибая и разгибая несколько раз толстую проволоку, можно
заметить, что в месте изгиба проволока нагрелась.
Трением двух кусков сухого дерева друг о друга можно до-
быть огонь. Этот способ известен был людям еще в доисториче-
ские времена.
Нагревание тел при трёнии можно наблюдать и на опыте, ко-
торый легко провести в классе.
Укрепим на подставке тонкостенную латунную трубку, наль-
ем в нее немного эфира и плотно закроем пробкой. Обовьем трубку
веревкой и начнем быстро перетягивать веревку то в одну, то в
другую сторону (рис. 75). От трения трубка нагреется, эфир за-
кипит и пар вытолкнет пробку.
Преодолевая трение веревки о трубку, мы совершили работу,
в результате совершенной работы эфир нагрелся и часть его пре-
вратилась в пар.
Нагреваются тела и при ударе, что можно также показать на
опыте. На рисунке 76 изображена плоская металлическая коро-
бочка, соединенная резиновой трубкой с жидкостным маномет-
ром, заполненным спиртом.
92
Положим на коробочку кусок свинца и отметим уровни жид-
кости в манометре. Снимем свинец с коробочки и, положив его
на наковальню, несколько раз ударим по нему тяжелым молот-
ком.
Если после этой ковки свинец положить на коробочку, то в
правом колене манометра жидкость опустится, а в левом подни-
мется. После ковки, т. е. в результате совершенной работы, свинец
нагрелся, он нагрел и коробочку с воздухом, давление которого
увеличилось.
Проделаем еще один опыт. Возьмем толстостенный цилиндри-
ческий сосуд из органического стекла, внутри которого может
перемещаться поршень. Этот прибор называется воздушным
огнивом. На дно этого сосуда положим кусочек ваты, смоченной
легковоспламеняющимся веществом, например эфиром. При бы-
стром сжатии воздух в цилиндре сильно нагревается, и вата заго-
рается (рис. 77).
В этом опыте воздух в сосуде нагревается в результате рабо-
ты, совершенной при его сжатии.
Нагревание тел, как мы знаем (§ 83 учебника для VI класса),
может происходить также в результате теплопередачи. Работы
же при этом никакой не совершается. Нагревается, например, чай-
ник с холодной водой, если поставить его на горячую плиту, на-
гревается воздух в комнате от горячей печки или от теплых ради-
аторов водяного отопления и т. д.
Вообще при соприкосновении двух тел, имеющих разные тем-
пературы, одно тело нагревается, а другое охлаждается. Это
происходит до тех пор, пока температуры обоих тел не срав-
няются. Механической же работы во всех этих случаях не совер-
шается.
Наши опыты и примеры показывают, что тела могут на-
греваться в результате совершенной над ними работы
и в результате теплопередачи.
Рис. 75.
93
Рис. 76.
Рис. 77.
Теплопередача может осуществляться тремя путями: /) теп*
лоправедностью, 2) конвекцией и 3) излучением. Все
эти виды теплопередачи были изучены в VI классе («Физика»,
учебник для VI класса, § 83—87).
44. Внутренняя энергия тела. Количество теплоты
1. Понятие о внутренней энергии тела. Нам уже известно, что
все тела состоят из молекул.
Мы знаем также, что молекулы находятся в непрерывном
движении. Молекулы газа при своем движении сталкиваются
друг с другом и со стенками сосуда, в котором находится газ.
От одного столкновения до другого они движутся прямолинейно.
В жидкостях молекулы могут колебаться и перемещаться
друг относительно друга. В твёрдых телах молекулы и атомы
главным образом колеблются.
Так как молекулы движутся, то каждая молекула обладает
кинетической энергией. Кинетическая энергия одной молекулы,
конечно, очень мала, но общая кинетическая энергия огромного
числа молекул в теле — это уже большая величина.
Мы знаем также, что если два взаимодействующих тела на-
ходятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие тела
обладают потенциальной энергией.
Молекулы любого тела взаимодействуют друг с другом. По-
этому молекулы тела, кроме кинетической энергии, обладают
еще и потенциальной энергией.
Кинетическая энергий молекул не зависит от того, движется
ли само тело или покоится. Точно так же потенциальная энергия
94
взаимодействия молекул тела не зависит от того, имеет ли тело
потенциальную энергию относительно других тел или нет.
Так, например, потенциальная энергия взаимодействия моле-
кул камня одинакова, лежит ли камень на земле или приподнят
над ней и обладает, следовательно, определенной потенциальной
энергией относительно земли.
Кинетическая . и потенциальная энергия молекул является
внутренней энергией тела.
Энергия молекул тела, как уже было сказано выше, не зави-
сит ни от движения, ни от положения этого тела относительно
других тел. Поэтому энергию молекул тела и считают внутренней
энергией тела.
2. Изменение внутренней энергии тела. Внутренняя энергия
тела может изменяться. Замечено, например, что при нагревании
жидкости диффузия в ней идет быстрее. А это означает, что при
нагревании тела его молекулы начинают двигаться быстрее —
увеличивается их- кинетическая энергия.
При охлаждении тела скорость движения молекул уменьшается,
уменьшается и их внутренняя энергия.
Тело может совершить работу за счет энергии своих молекул,
т. е. за счет своей внутренней энергии, которая при этом умень-
Рис. 78.
шится.
Проделаем следующий опыт. Будем накачивать воздух в проч-
ную, закрытую пробкой стеклянную банку, в которую налито
немного воды. В банке, кроме воздуха, находятся пары воды.
При достижении некоторого давления воздуха пробка из банки
выскочит, а в банке появится туман (рис. 78).
Туман это мельчайшие капельки воды. Он образуется из
пара при понижении температуры воздуха. Следовательно, когда
сжатый воздух вытолкнул проб-
ку и расширился, т. е. совершил
работу, температура его понизилась.
Понижение температуры указы-
вает на уменьшение внутренней
энергии сжатого воздуха.
Если, после того как появился
туман, закрыть сосуд пробкой и
начать вновь сжимать в нем насо-
сом воздух, то туман исчезнет. В
результате совершенной нами ра-
боты внутренняя энергия сжатого
в сосуде воздуха увеличилась,
температура его повысилась и ка-
пельки воды в тумане превратились
в пар.
95
Из проделанных опытов и рассуждений можно сделать сле-
дующий вывод.
Внутренняя энергия тела может изменяться как путем совер-
шения работы, так и путем теплопередачи (без совершения ра-
боты).
Количество внутренней энергии, которое тело получает или
теряет при теплопередаче, называется количеством теплоты.
Упражнение 21.
1. Во время работы в мастерской обратите внимание на нагревание
пилы при работе. Как объяснить это явление?
2. Почему из-за недостатка смазки могут расплавиться вкладыши под-
шипников у машины?
3. При осмотре вагонов смазчик пробует рукой буксы (подшипники
вагонных осей). Как он при этом определяет, какая букса требует
дополнительной смазки?
4. Случалось ли вам замечать, как нагревается насос при накачивании
велосипедной шины? Как объяснить это явление?
5. Приведите примеры нагревания тел путем: а) теплопроводности;
б) конвекции; в) излучения.
45. Единицы количества теплоты
Чтобы нагреть печку, надо сжечь в ней достаточное количест-
во дров. Если положить дров мало, то печка нагреется слабо и в
Комнате будет холодно. Каждое полено, сгора^, отдает печке
определенное количество энергии, или, как мы теперь будем го-
ворить, определенное количество теплоты. Чем больше масса
сгоревших дров, тем, очевидно, большее количество теплоты по-
лучит печка, тем сильнее она нагреется.
Но нельзя только по повышению или понижению температуры
судить о количестве теплоты, полученном телом при нагревании
или отданном при охлаждении. В самом деле, раскаленный утюг,
до которого нельзя дотронуться, холодную комнату не согреет,
тогда как теплая печь или радиаторы водяного отопления хоро-
шо нагревают комнату.
Будем нагревать при помощи двух одинаковых горелок два
сосуда. В одном сосуде находится 1 кг воды, в другом — 2 кг.
Начальная температура воды в обоих сосудах одинакова. Мы
заметим, что за одно и то же время во втором сосуде вода нагре-
ется на меньшее число градусов, хотя от одинаковых горелок оба
сосуда получают одинаковые количества теплоты.
Нетрудно выяснить, что, чем больше масса воды в сосуде и
чем выше температура, до которой нагревают воду, тем дольше ।
96
должна гореть горелка, а следовательно, тем большее количество
теплоты будет израсходовано на нагревание воды. Этот вывод
справедлив для любого другого вещества.
Количество теплоты, как и всякий другой вид энергии, можно
измерять известными нам единицами: килограммометрами и джо-
улями. Однако измерять количество теплоты ученые стали задолго
до того, как в физике появилось понятие об энергии и было уста-
новлено, что количество теплоты служит мерой изменения внут-
ренней энергии тела. Поэтому для измерения количества теплоты
была установлена особая единица — калория1, которую при-
меняют и в настоящее время.
Калория — это количество теплоты, которое необходимо для
нагревания одного грамма воды на один градус.
В технике пользуются обычно более крупными единицами ко-
личества теплоты — килокалориями {ккал).
Килокалория — это количество теплоты, которое необходимо
для нагревания одного килограмма воды на один градус.
1 ккал = 1000 кал.
В Международной системе единиц физических величин (СИ)
за единицу количества теплоты принят джоуль.
1 дж — 0,239 кал = 0,102 кГ-м.
46. Удельная теплоемкость
Установив единицу количества теплоты — калорию, мы мо-
жем теперь довольно просто рассчитать количество теплоты,
идущее на нагревание какой угодно массы воды на любое число
градусов.
Рассмотрим пример.
Сколько необходимо калорий для нагревания 500 в воды на
100°С?
Для нагревания 1 а воды на Iе С требуется 1 кал.
» » 500 a » » » » 500 »
» » 500 а » » 100’С » 50 000 кал, или 50 ккал.
На 50 ккал в этом случае увеличится и внутренняя энергия
взятой массы воды.
Но можно ли так рассчитывать количество теплоты, необхо-
димое для нагревания не воды, а какого-нибудь другого вещества,
например свинца, железа, керосина и т. д.?
1 Калория — от латинского слова «калор> — тепло, жар.
74 4 Заказ 221
97
а б
Рис. 79
требуются различные количества
для воды больше.
Обратимся к опыту.
Нальем в один сосуд воды, а
в другой такой же сосуд — керо-
сина. Массы воды и керосина
возьмем равными. Оба сосуда
будем нагревать на одинаковых
горелках. Опыт начнем при оди-
наковой начальной температуре
воды и керосина. Измерив через
некоторое время (например, че-
рез 5 мин) температуру нагрев-
шихся воды и керосина, мы уви-
дим, что керосин имеет более
высокую температуру, чем вода,
хотя обе жидкости получили от
горелок равные количества теп-
лоты (рис. 79).
Из опыта нетрудно сделать
вывод, что для нагревания рав-
ных масс воды и керосина на
одно и то же число градусов
теплоты: для керосина меньше,
Этот вывод оказывается справедливым и для других веществ:
для нагревания на одно и то же число градусов различных ве-
ществ, имеющих одинаковую массу, требуется затратить раз-
личные количества теплоты.
Опытами установлено, какое количество теплоты расходуется
на нагревание 1 г любого вещества на ГС < Эта физическая вели-
чина получила название удельной теплоемкости вещества.
Удельной теплоемкостью вещества называется количество теп-
лоты, необходимое для нагревания одного грамма вещества на
один градус.
кал
Удельная теплоемкость вещества измеряется в ^град*
Из определения калории мы уже знаем, что для нагревания
1 а воды на ГС требуется 1 кал. Из этого следует, что удельная
, кал
теплоемкость воды равна 1
Если количество теплоты выражать в килокалориях, а массу
воды в килограммах, то тогда удельная теплоемкость воды выра-
. ккал
зится тем же числом 1, но с другим наименованием:--------
кг-град
Удельные теплоемкости некоторых других веществ указаны
ниже в таблице.
58
Удельные теплоемкости некоторых веществ
(в—
г-град
Свинец................0,03
Медь..................0,09
Цинк..................0,09
Латунь ..............<0,09
Железо 1
Чугун I...............
Сталь J
Стекло лабораторное , « 0,19
или В^-У--)
кг-град
Алюминий...............0,21
Лед.....................0,43
Масло растительное . . 0,47
Керосин................0,51
Дерево (дуб)...........0,57
Спирт..................0,58
Вода ..................1,00
Как надо понимать, что удельная теплоемкость свинца 0,03-—\?
г - град
Это значит, что для нагревания 1 а свинца на ГС потребует-
ся количество теплоты, равное 0,03 кал (или при охлаждении
1 а свинца на ГС выделяется 0,03 кал).
Так как количеством теплоты мы называем величину внутрен-
ней энергии, которую получает или теряет тело при теплопере-
даче, то можно определить удельную теплоемкость вещества иначе:
Удельная теплоемкость показывает, на какую величину изме-
няется внутренняя энергия 1 г вещества при нагревании или
охлаждении его на ГС.
Например, внутренняя энергия 1 а свинца при нагревании его
на ГС увеличивается на 0,03 кал.
Упражнение 22.
В физическом кабинете различие удельных теплоемкостей металлов
показывают на приборе, изображенном на рисунке 80. Прибор состоит из
четырех цилиндриков одинако-
вой массы: алюминиевого, желез-
ного, медного и свинцового. Все
цилиндрики с помощью неслож-
ного устройства могут быть одно-
временно опущены на край пара-
финовой пластинки. Цилиндрики
предварительно нагреваются в
кипящей воде.
На рисунке 80 изображен тот
момент, когда цилиндрики про-
никли в парафин и уже остыли.
Как определить, у какого ме-
талла удельная теплоемкость
наибольшая и у какого наимень-
шая?
Рис. 80.
74>4*
99
47. Расчет количества теплоты, затрачиваемой на нагревание
тела или выделяемой при его охлаждении
На практике часто пользуются тепловыми расчетами. Напри-
мер, при строительстве зданий необходимо учитывать, какое
количество теплоты должна отдавать зданию вся система отоп-
ления и какое количество теплоты в разное время года будет
уходить в окружающее пространство через стены, окна и двери.
В сельском хозяйстве тепловые расчеты приходится прово-
дить при устройстве парников и оранжерей. И особенно часто
тепловые расчеты проводятся в различных технических, биоло-
гических и физических лабораториях.
Покажем на примерах, как надо вести простейшие тепловые
расчеты. Отметим только, что при остывании на некоторое число
градусов тело, как проверено опытами, отдает такое же
количество теплоты, какое оно поглощает при нагревании на это
же число градусов.
1. Определим, какое количество теплоты требуется для на-
гревания куска меди массой 400 в на 20°С.
Из таблицы на странице 99 найдем удельную теплоемкость
ыеди, она равна 0,09 Это значит, что для нагревания 1 а
меди на ГС требуется 0,09 кал. Для нагревания же 400 г меди
на ГС потребуется количество теплоты, в 400 раз большее, т. е.
0,09 кал • 400 — 36 кал.
Для нагревания же 400 в меди на 20*С потребуется еще в 20
раз большее количество теплоты, т. е. 0,09 кал • 400 • 20 =
=720 кал ~ 0,7 ккал.
2. Какое количество теплоты выделится при охлаждении 2 кг
железа от 345 до 18°С? Прежде всего определим, на сколько
градусов охладилось железо: 345°С — 18°С = 327°С.
По таблице удельных теплоемкостей находим, что при охлаж-
дении 1 кг железа на ГС выделяется 0,11 ккал. При охлаждении
2 кг железа на ГС выделится 0,11 ккал-2 = 0,22 ккал. Если
же охладить металл на 327°С, то количество выделившейся теп-
лоты будет в 327 раз больше: 0,11 ккал • 2 • 327 « 72 ккал.
В этих примерах, чтобы найти количество теплоты, поглощае-
мой телом при нагревании или выделяемой при охлаждении, мы
удельную теплоемкость вещества тела умножали на массу тела
и разность температур.
Если удельную теплоемкость обозначить буквой с, массу те-
ла — т, начальную температуру тела — tt, конечную темпера-
туру тела — t2, количество теплоты — Q, то написанное выше
правило можно записать в виде формулы:
Q = cm(t2 — ti)
юо
Упражнение 23.
1. Удельная теплоемкость алюми-
ния 0,21-У-?/1— Что это означает?
г•град
2. Куски стекла и латуни, имеющие
равные массы, нагревают на одно
и то же число градусов. На на-
гревание какого из этих тел из-
расходуется большее количество
теплоты?
3. Какая из указанных в таблице
(стр. 99) жидкостей при одинако-
вых условиях нагревания будет
быстрее нагреваться? Ответ обос-
нуйте.
4. На что пойдет большее количес-
тво теплоты: на нагревание 1,5 кг
воды на 5° С или на нагревание
1 кг воды на 10° С?
5. Какое количество воды можно
нагреть от 15 до 60° С, затратив
на нагревание 225 ккал?
6. На сколько килокалорий увели-
чится энергия воды в бассейне
Георг Рихман (1711—1753) —
замечательный русский ученый,
академик. Занимался изучением
тепловых и электрических явле-
ний. Многое сделал в области теп-
ловых измерений — калоримет-
рии. Совместно с М. В. Ломоно-
совым положил начало изучению
электричества в России.
объемом 20 000 м3 при нагревании ее на 10° С?
7. Два одинаковых медных шарикаг нагретых до одной и той же темпе-
ратуры, бросили: один—в стакан с водой, другой—в стакан с кероси-
ном. Массы воды и керосина одинаковы. Что нагреется до более вы-
сокой температуры: вода или керосин?
8. Алюминиевая кастрюля массой 300 г вмещает 1 л воды. Какое ко-
личество теплоты нужно для того, чтобы нагреть эту кастрюлю с водой
от 15 до 100° С?
9. Вычислить, на сколько градусов нагреваются 500 г воды, если
в ату воду опустить 500 г меди, которая остывает в воде от 80 до
20° С.
10. Задача Р и х м а н а1. Смешали граммов воды, имевшей тем-
пературу fx, с т2 граммами воды, имевшей температуру f2. Опре-
делить температуру полученной смеси В.
Указание. Положить, что t2 меньше Тогда первая порция воды
охладится в смеси на — 0 градусов, а вторая — нагреется на 0 — /а
градусов. Сколько калорий потеряла первая порция воды, столько же
калорий получила вторая порция.
1 Рихман первый открыл формулу для решения задач указанного
типа.
1/2 4 Заказ 221
101
Рис. 81. График нагревания воды
погруженным в нее горячим те-
лом.
11. На графике (рис. 81) изобра-
жены процессы нагревания
холодной воды и остывания
погруженного в нее горячего
тела в зависимости от време-
ни. Начальная температура
холодной воды /1, горячего
тела /2. Укажите, как по та-
кому графику определить ко-
нечную температуру воды и
тела 0. Одинаково ли быстро
остывало тело и нагревалась
вода?
12. При охлаждении куска олова
массой 100 г до 32°С выдели-
лось 1,8 кал. Определить
температуру олова до охлаж-
дения.
48. Лабораторная работа 5.
Сравнение количеств теплоты при смешении воды
Приборы: два стакана; мензурка; термометр»
Указания к работе:
1. Налейте в один стакан 100 г горячей воды, а в другой —столько
же холодной. Измерьте их температуры.
2. Вылейте холодную воду в стакан с горячей водой, помешайте полу-
ченную смесь и измерьте ее температуру.
3. Рассчитайте количество теплоты, отданное горячей водой при осты-
вании до температуры смеси, и количество теплоты, полученное хо-
лодной водой при ее нагревании до этой температуры.
Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.
Масса го- рячей во- ды т2 Начальная температу- ра горячей воды /2 Температу- ра смеси 0 Количество теплоты, отданное горячей во- дой, q2 Масса хо- лодной во- ды mi Начальная температу- ра холод- ной ВОДЫ /1 Количество теплоты, полученное холодной водой, Qi
4. Если останется время, повторите опыт с другими количествами
воды.
5. Сравните количество теплоты, отданное горячей водой, с количеством
теплоты, полученным холодной водой. Велика ли разница?
6. Если учесть неизбежные ошибки при измерениях и не учитывать
потери, на нагревание воздуха, сосудов, термометра, то какой мож-
но было бы сделать вывод из сравнения результатов лабораторной ра-
боты?
102
49- Энергия топлива. Теплота сгорания топлива
Основным источником энергии, которая используется в про-
мышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве, пока еще
является топливо: уголь, нефть, торф, дрова, сланцы и горючие
газы.
При расчете машин-двигателей инженеру необходимо точно
знать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое
топливо. А для этого надо опытным путем найти, какое количест-
во теплоты выделяется при сгорании определенного количества
того или другого топлива.
Количество теплоты, получаемое от 1 кг топлива при полном
его сгорании, называется теплотой сгорания топлива.
Теплота сгорания топлива определяется на опыте с помощью
довольно сложных приборов, ведь надо, чтобы топливо все сгорело
без остатка. Теплота сгорания q измеряется в
Результаты опытных данных приведены ниже в таблице.
Теплота сгорания топлива (в- ккал) кг
Дрова сухие о » * • » О О •< 0 • около 3000
Торф * ♦> « о В « • » 3400
Бурый уголь .> . fc « э 0 •' • • • 5000
Каменный уголь ♦ • • 7000—7500
Спирт . . э . . 7200
Древесный уголь Э » V 0 « • * 0 8000
Антрацит , . . ♦ *: ♦ э «* • • 0 8000
Природный газ . * • • • • « ф 8500
Нефть . ш . • 0 » • 0**0 10 500
Бензин о • • » ф 0 • ф 11000
Керосин . . < . • * 0 0 » • * 0 11000
Водород . . . . •' * •' « ф • » 0 34000
Из этой таблицы видно, что теплота сгорания торфа, например,
3400 Это значит, что при полном сгорании 1 кг торфа
выделяется 3400 ккал.
Общее количество теплоты, выделяемое при сгорании т кг
топлива, вычисляется по формуле:
Q = qm
ЧгА*
103
Упражнение 24.
1. Что такое теплота сгорания топлива?
2. В таблице теплоты сгорания топлива против слова «нефть» стоит
число 10 500. Что оно означает?
Какое наименование надо поставить при этом числе?
3. Какое топливо — сухие дрова или бурый уголь — в одинаковых
условиях выделит при сгорании большее количество теплоты? Ответ
обоснуйте.
4. Какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 15 кг
древесного угля? 200 г спирта?
5. Сколько надо сжечь сухих дров, чтобы получить 36 000 ккал?
50. Тепловая отдача нагревателя
При нагревании тела не вся энергия, отдаваемая нагревате-
лем, используется по прямому назначению, т. е. на нагрев тела.
Так, например, при нагревании воды на плите количество
теплоты, полученное водой, составляет лишь небольшую часть
количества теплоты, полученного от сожженных дров. Большая
часть полученного количества теплоты идет на нагревание плиты,
окружающего воздуха, чайника, в котором находится вода.
В этом примере полезно использованной энергией является
только то количество теплоты, которое пошло на нагревание воды.
Затраченная энергия в нашем примере — это все количество
теплоты, которое получено при сгорании дров.
Чем больше количество теплоты, которое используется по-
лезно, тем выше тепловая отдача нагревателя.
Тепловой отдачей нагревателя (т. о. н.) называется отношение
полезно использованного количества теплоты к затраченному
количеству теплоты.
Тепловая отдача нагревателя выражается правильной дробью,
потому что полезное количество теплоты всегда меньше затрачен-
ного. Обычно тепловую отдачу нагревателя выражают в процентах.
Например, если для нагревания воды на керосинке пошло
80 ккал, а при сгорании керосина получено 200 ккал, то
80 ккал л . л л/
= = И или 40%.
51. Лабораторная работа 6.
Определение тепловой отдачи нагревателя
Приборы и материалы: спиртовка со спиртом; весы; разно-
вески; колба; стакан с водой; мензурка; термометр; штатив.
Указания к работе:
1. Налейте в колбу 150—200 г воды и измерьте ее температуру.
2. Определите массу спиртовки со спиртом до проведения опыта.
104
4. Сравните количество теплоты, полученное при сгорании спирта,
с количеством теплоты, полученным водой при нагревании. Почему
они не райны?
5. Определите по данным вашей лабораторной работы т. о. н. — спир-
товки.
Упражнение 25.
1. Определить тепловую отдачу примуса, в котором при нагревании
4 л воды от 20 до 100° С сгорело 70 г керосина.
2. Тепловая отдача керосинки 30%. Сколько нужно сжечь керосина,
чтобы нагреть на керосинке 3 л воды от 15° С до кипения?
3. Сколько (по массе) нужно сжечь природного газа, чтобы нагреть
до 80° С 3 л воды, взятой при температуре 15° С, если тепловая от-
дача газовой горелки составляет 70%?
52. Соотношение между единицей работы и единицей
количества теплоты
Вернемся еще раз к опытам по нагреванию тел (§ 43). Воздух,
заключенный в сосуд, нагрелся, когда мы его сжали, т. е. совершили
над ним работу. В другом опыте ударами молотка мы нагрели
кусок свинца.
Нагревание тела указывает на увеличение его внутренней
энергии. Следовательно, при совершении в этих опытах работы
внутренняя энергия воздуха и свинца увеличилась.
Существует, как мы знаем, и другой путь увеличения внут-
ренней энергии тела — передача телу определенного количества
теплоты без совершения механической работы.
Так, воздух в сосуде или свинец можно просто нагреть на
пламени горелки до той же температуры, что и при совершении
работы. Изменить внутреннюю энергию тела на определенную
103
Джемс Прескотт Джоуль
(1818—1889) —выдающийся ан-
глийский физик. Он впервые опыт-
ным путем определил величину
механической работы, равноцен-
ной одной килокалории. Опыты
Джоуля помогли обосновать за-
кон сохранения и превращения
энергии.
/2135
427 кГ-м в 5 раз (~42Г= 5
величину мы можем, следователь-
но, как путем теплопередачи, так
и путем совершения механической
работы (§ 44). Какую же работу
над телом нужно совершить, что-
бы его внутренняя энергия увели-
чилась на столько же, на сколь-
ко она увеличивается при сооб-
щении телу количества теплоты,
равного 1 ккал?
Точными опытами1, с которыми
вы познакомитесь при изучении
физики в старших классах, уста-
новлено, что для этого нужно со-
вершить работу, равную 427 кГ • м.
А это значит, что 427 кГ-м работы
в тепловых единицах равны 1 ккал.
427 кГ • м = 1 ккал = 1000 кал.
Пример 1. Какому числу
килокалорий равны 2135 кГ-м?
Решение: 427 кГ-м рав-
ны 1 ккал, 2135 кГ-м больше
, следовательно, они равны не 1,
а 5 ккал.
Пример 2. Какому количеству килограммометров равны
10 ккал?
Решение: I ккал равна 427 кГ-м, а 10 ккал будут равны
427 кГ-м-IQ = 4270 кГ-м.
Рассчитаем, какому количеству калорий равен 1 джоуль.
1 ккал = 427 кГ • м.
\ кГ • м = 9,8 дж (§ 19), поэтому
1 ккал = 427 • 9,8 дж = 4184,6 дж.
1 ккал = 1000 кал, следовательно,
1000 кал = 4184,6 дж, откуда
1 кал = 4,18 дж,
1 дж = 0,24 кал.
•В настоящее время в науке и технике принято измерять работу
и количество теплоты одними и теми же единицами — джоулями.
1 Над установлением соотношения между единицами работы и единица-
ми количества теплоты много и плодотворно работал английский уче-
ный Джемс Джоуль.
106
63. Закон сохранения и превращения энергии в механических
и тепловых процессах
Явления превращения энергии в механических процессах
были рассмотрены в третьей главе учебника. Напомним неко-
торые из них.
Подбрасывая вверх камень или мяч, мы сообщаем им энер-
гию движения — кинетическую энергию. Поднявшись до некото-
рой высоты, подброшенный предмет останавливается, а затем
начинает падать вниз. В момент остановки (в верхней точке пути)
он потеряет всю кинетическую энергию, но, находясь на некото-
ром расстоянии от земли, будет обладать потенциальной энергией.
Падая обратно на землю, предмет с приближением к земле
увеличивает свою скорость и кинетическую энергию, а его потен-
циальная энергия при этом уменьшается.
Рассмотренный пример указывает на возможность превраще-
ния кинетической энергии в потенциальную и обратно.
Опытным путем установлено, что если не учитывать затрат
энергии на преодоление сопротивления воздуха, то подброшен-
ный предмет упадет с тем же запасом энергии, который мы ему
сообщили. Следовательно, механическая энергия, даже если
она переходит из одного вида в другой, количественно сохраня-
ется.
Этот вывод справедлив и для всех тепловых процессов. При
теплопередаче, например, тело, более нагретое, отдает энергию,
а тело, менее нагретое, получает энергию.
Количество энергии, отданное нагретым телом, всегда в точ-
ности равно количеству энергии, полученному всеми телами,
которые нагреваются от этого более нагретого тела.
Конкретным примером этому может служить опыт по смеше-
нию горячей и холодной воды, который был проделан вами в ла-
боратории.
В § 44 мы рассмотрели различные явления нагревания тел
при трении и ударе. В результате совершенной работы, а следо-
вательно, затраты механической энергии, тела нагревались, их
внутренняя энергия увеличивалась. Если определить затрачен-
ную механическую энергию и прирост внутренней энергии тела,
то эти величины окажутся одинаковыми.
При сгорании топлива в топке котла паровой машины энер-
гия топлива превращается во внутреннюю энергию пара. В свою
очередь в паровой машине внутренняя энергия пара превращает-
ся в механическую энергию движения поршня и т. д.
При этом всегда можно определить, где и на что была затра-
чена та или иная доля энергии топлива.
Изучение явлений превращения одного вида энергии в другой
вид энергии привело к открытию одного из основных законов
природы — закона сохранения и превращения энергии.
107
При всех явлениях, происходящих в природе, энергия не воз-
никает и не исчезает, она только превращается из одного вида
в другой.
Исследуя явления природы, ученые всегда руководствуются
&тим законом.
На него опираются в своих расчетах инженеры и техники при
постройке различных машин. «Золотое правило» механики, о
котором говорилось в § 32, представляет собой частный случай
применения закона сохранения и превращения энергии к простым
механизмам: рычагу, блоку, вороту и наклонной плоскости.
Закон сохранения и превращения энергии был открыт в сере-
дине XIX века. Особые заслуги в открытии этого закона при-
надлежат немецким ученым Роберту Майеру и Герману Гельм-
гольцу и английскому ученому Джемсу Джоулю.
Великий русский ученый М. В. Ломоносов еще за сто лет до
открытия закона сохранения и превращения энергии предвидел
его существование. Ломоносовым был открыт другой закон со-
хранения — закон сохранения массы, с которым вы ознакоми-
тесь в курсе химии.
Закон сохранения массы вместе с законом сохранения и пре-
вращения энергии показывает, что мир, в котором мы живем,
не имеет ни начала, ни конца — он существует вечно. Учение
религии о боге как о творце мира — чистейшая выдумка, наука
опровергает ее.
54. Солнце — главный источник энергии на Земле
Большинство видов энергии на Земле, которые мы в настоящее
время используем, имеет своим источником Солнце.
Стоит только представить себе, что произошло бы на Земле,
если бы Солнце каждый день не освещало Землю. Мы знаем
такие места на Земле, где по нескольку месяцев не показывается
Солнце. Это Арктика и Антарктика. Там вечный лед и снег.
Всюду на Земле мы находим следы работы солнечных лучей.
Вследствие неравномерного нагрева поверхности Земли лучами
Солнца возникают ветры.
Под действием ветров и приносимой ими влаги постепенно
разрушаются огромные горные массивы. Вода морей, озер и рек
от тепла солнечных лучей испаряется; поднявшись вверх, она
сгущается в облака, переносится ветром в разные места Земли
и выпадает там в виде осадков. Великий непрерывный круговорот
воды на Земле совершается за счет энергии Солнца (рис. 82). Но
этим роль солнечной энергии на Земле не ограничивается. Мы
знаем, насколько жизнь растений и животных зависит от света и
тепла. В растениях происходит превращение энергии излучения
108
Рис. 82. Круговорот воды в природе.
Солнца в химическую энергию. Эту химическую энергию расте-
ний мы используем, употребляя растения в пищу или сжигая их
как топливо. Каменный уголь, являющийся пока еще одним из
основных наших источников энергии, представляет собой окаме-
невшие в земле остатки лесов, когда-то буйно росших на больших
пространствах Земли.
Энергия животных, питающихся растениями, и энергия чело-
века — все это преобразованная энергия солнечных лучей. Мощ-
ность падающего на Землю солнечного излучения во много раз
больше мощностей, используемых в настоящее время человече-
ством. За счет солнечной энергии поддерживается средняя годо-
вая температура на Земле около 15°С.
Опытным путем нашли, что каждый квадратный сантиметр
поверхности Земли, при перпендикулярном падении солнечных
лучей, получает в минуту в среднем около двух калорий, если не
учитывать потерь энергии при прохождении лучей через атмос-
феру. Это значит, что мощность солнечных лучей, падающих
на один квадратный метр земной поверхности, составляет при-
мерно 1,4 кет. Если бы мы могли использовать хотя бы 1% солнеч-
ной энергии, которая падает на крыши наших городов, то с из-
бытком покрыли бы всю потребность городов в энергии всех видов.,
Лишь недавно человечество научилось использовать новый
мощный источник энергии на Земле — атомную энергию, непо-
средственно не связанную с Солнцем.
109
ПЕРЕХОД ВЕЩЕСТВА ИЗ ОДНОГО АГРЕГАТНОГО1 СОСТОЯНИЯ
В ДРУГОЕ
55. Кристаллические и аморфные тела
Вещество может находиться в трех состояниях: твердом,
жидком и газообразном. Три возможных состояния воды —
лед, жидкая вода й водяной пар — всем хорошо известны. Путем
нагревания вещество можно перевести из твердого состояния в
жидкое (например, расплавить лед), а из жидкого — в газооб-
разное (например, превратить воду в пар). Наоборот, охлаждением
газа можно получить жидкость, а из жидкости — твердое тело.
Твердые тела бывают двух видов: кристаллические и
аморфные.
В кристаллических телах атомы или молекулы объединены
в группы — кристаллы. Кристаллы имеют характерную для
кристаллического вещества форму. Кристаллы поваренной соли
имеют форму кубов, кристаллы слюды — тонких листочков и т. д.
К числу кристаллических веществ относятся все металлы,
большинство минералов, лед, нафталин и многие другие вещества.
Металлы состоят из очень мелких, прочно соединенных друг
с другом кристаллов, грани которых отчетливо можно уви-
деть под микроскопом на изломе металла.
В аморфных телах молекулы расположены в беспорядке. В свя-
зи с этим их свойства, как мы убедимся в дальнейшем, сущест-
венно отличаются от свойств кристаллических тел.
К аморфным телам относятся стекло, воск, парафин, сургуч,
различные смолы.
1 Агрегатные состояния вещества—общее название трех физических
состояний вещества: твердого (кристаллического), жидкого и газообраз-
ного.
110
66. Плавление и отвердевание кристаллических веществ
Изучение свойств твердых кристаллических тел мы начнем
с процесса плавления.
Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется
плавлением.
Одни кристаллические вещества плавятся при низкой темпе-
ратуре, другие при высокой. Лед, например, плавится при 0°С
(если атмосферное давление нормальное — 760 мм рт. ст.).
Кристаллики нафталина плавятся при 80°С. Поместив про-
бирку с твердым нафталином в кипящую воду, можно получить
жидкий нафталин.
Кусок олова или свинца можно расплавить в стальной ложке,
нагревая ее на спиртовке. Чугун же и сталь плавятся при очень
высокой температуре — около полутора тысяч градусов.
Температура, при которой происходит процесс плавления, на-
зывается точкой плавления.
Если расплавленное вещество охлаждать, то из жидкого оно
превратится в твердое — отвердеет. Отвердевание кристаллических
тел называется кристаллизацией. ’
Температура, при которой происходит процесс кристаллизации
вещества, называется точкой кристаллизации.
Опыты показывают, что кристаллические вещества отвер-
девают при той же температуре, при которой пла-
вятся. Например, вода кристаллизуется (а лед плавится) при 0°С,
чистое железо плавится и кристаллизуется при 1530°С и т. д.
Рассмотрим график плавления и кристаллизации нафталина,
изображенный на рисунке 83.
Наблюдение за температурой нафталина началось с момента,
когда твердый нафталин имел температуру 55°С: При дальней-
шем нагревании температура нафталина росла, пока не достигла
80эС. При 80°С нафталин начал плавиться. В течение всего вре-
мени плавления температура нафталина не менялась, хотя го-
релка продолжала нагревать его. После того как весь нафталин
расплавился, т. е. превратился в жидкость; температура его ста-
ла подниматься и достигла 90°С. После этого горелка была пога-
шена и жидкий нафталин стал охлаждаться; Когда температура
его упала до 80°С, начался процесс кристаллизации, и, пока весь
нафталин не отвердел, температура его не менялась. Лишь
после этого температура уже твердого нафталина стала умень-
шаться.
1.Н
Такие же явления наблюдаются при плавлении любых дру-
гих кристаллических твердых тел, только при иных температурах.
Опытным путем установлено, что:
1. Кристаллические вещества плавятся и отвердевают при
одной и той же для каждого вещества температуре.
2. Точки плавления (и отвердевания) у различных кристалличе-
ских веществ различны.
3. Во время плавления и отвердевания температура кристал-
лического вещества не изменяется.
Ниже приведена таблица, из которой видно, в каких широ-
ких пределах лежат точки плавления различных веществ.
Точки влавлення некоторых веществ (в °C)
Водород • • « • с • « —257 Алюминий • • < « 4 4 658
Кислород « « • « • • —219 Золото •••444 4 « 1063
Азот * о < « 4 4 4 4 4 —210 Медь <«««••« 4 4 1083
Спирт « « . • « 4 « 4 —114 Железо техническое 4 4 1170—1440
Ртуть < ♦ < « < в 4 в — 39 Железо чистое . . . 4 • 1530
Лед • * а « ч • * 4 4 0. Платина • « ♦ « « . 4 4 1774
Олово • • • 4 4 4 4 4 232 Тантал « • « « « « 1 в 3030
Свинец • « * « «. « « • 327 Вольфрам • 4 < < « 4 4 3370
Цинк • • < « 4- 4 в й ф 429
На свойстве металлов при нагревании плавиться и при ох-
лаждении отвердевать основано литейное производство. Целью
литейного производства является получение предметов сложной
112
формы, не прибегая к длительной механической обработке мате-
риалов. Для этого из негорючих материалов изготовляют пусто-
телые формы, куда затем наливают расплавленный металл. Жид-
кий металл заполняет все, даже мельчайшие углубления формы.
Когда металл затвердеет, из него получится деталь нужного фа-
сона. Отливки изготовляются преимущественно из чугуна, стали
и сплавов цветных металлов.
В последнее время путем отливки начали изготовлять изделия
из камня. Из плавленого камня делают трубы, станины (осно-
вания) машин и станков, строительные детали.
Рассмотрим теперь, как объясняет явления плавления и кри-
сталлизации веществ молекулярная теория строения вещества.
Мы знаем, что все вещества состоят из молекул и атомов. Путай
сложных опытов удалось выяснить, что в кристаллах молекулы
(или атомы) расположены в строгом порядке. Благодаря этому
порядку все кристаллы одного и того же вещества имеют свою
собственную форму.
В жидкостях молекулы расположены менее упорядоченно, чем
в кристаллах, и могут свободнее перемещаться друг относительно
Друга.
При температуре плавления строгий порядок в расположении
молекул в кристаллах нарушается. Кристаллы теряют свою фор-
му, вещество плавится, превращаясь в жидкость.
При температуре кристаллизации в охлаждаемом расплав-
ленном веществе сначала возникают мелкие зародыши кристал-
лов. Они растут, и в конце концов все вещество отвердевает.
Аморфные твердые тела в отличие от кристаллических не имеют
точек плавления и отвердевания. С повышением температуры
они постепенно размягчаются и разжижаются, пока не превра-
тятся в жидкость.
При отвердевании аморфных веществ в них не образуется
кристаллов. Молекулы постепенно теряют свою подвижность,
и вещество все более и более густеет. При этом молекулы сохра-
няют беспорядочное расположение, свойственное жидкому со-
стоянию. Твердые аморфные вещества — это сильно загустевшие
жидкости.
Упражнение 26.
1. Почему для измерения температуры наружного воздуха в холодных
районах применяют термометры со спиртом, а не со ртутью?
2. Будет ли плавиться олово, если его бросить в расплавленный сви-
нец?
3. Можно ли расплавить в алюминиевой кастрюле цинк?
4. Почему лед не сразу начинает таять, если его внести с мороза в теп-
лую комнату?
113
57. Лабораторная работа 7.
Наблюдение за нагреванием н плавлением нафталина
Приборы и материалы: широкая пробирка; термометр;
нафталин; стакан химический; спиртовка.
Указания к работе:
1. Пробирку с нафталином и термометром в нем погрузите в стакан
или колбу с водой, которую следует нагревать горелкой с небольшим
пламенем (рис. 84).
Рис. 84.
2. Когда нафталин нагреется до 55° С,
начинайте каждую минуту отмечать
температуру нафталина и записывать
ее в тетрадь. Нагревайте нафталин до
90°С, после чего выньте его из горя-
чей воды и дайте ему остыть в возду-
хе, продолжая отмечать каждую ми-
нуту его температуру до тех пор, пока
он не остынет до 60° С.
Занесите данные наблюдения на клет-
чатую бумагу в виде графика изме-
нения температуры нафталина в зави-
симости от времени нагревания (при-
мер такого графика показан на
рис. 83).
Отметьте на графике температуры
плавления и кристаллизации наф-
талина. Сравните их. Какой можно
сделать вывод из этого сравнения?
Проследите за температурой наф-
талина в течение процессов плавле-
ния и кристаллизации.
Назовите и отметьте на графике
состояния нафталина, когда темпе-
ратура его изменялась.
Назовите состояния, в которых
одновременно находился нафталин
во время процессов плавления и
отвердевания.
3.
4.
5.
6.
7.
58. Теплота плавления и кристаллизации
Рассматривая график плавления и отвердевания (рис. 83),
мы отмечали, что, пока нафталин плавился, температура его не
менялась. И только после того, как он весь растаял, температура
жидкого нафталина стала повышаться.
Но ведь спиртовка горела и тогда, когда нафталин плавился,
значит, в это время он получал энергию от сгорающего спирта,
но температура его не повышалась. На что же расходовалась
энергия, получаемая нафталином?
Мы сможем ответить на.этот вопрос, если вспомним, что при
плавлении происходит разрушение кристаллов вещества. На это
114
и расходуется энергия. Следовательно, энергия, которую получает
вещество при температуре плавления, идет не на дальнейшее повы-
шение его температуры, а на превращение вещества в жидкое со-
стояние.
Количество теплоты, необходимое для превращения 1 г вещест-
ва из твердого состояния в жидкое при температуре плавления,
называется удельной теплотой плавления.
Опыты дают, например, для удельной теплоты плавления
льда величину, равную 80 Это означает, что для превраще-
ния 1 г льда, взятого при 0°С, вводу, имеющую температуру 0°С,
требуется 80 кал, а соответственно на превращение 1кг — 80 ккал.
Удельная теплота плавления некоторых веществ приведена
ниже в таблице.
Удельная теплота плавления веществ
(в^ или
г кг
Алюминий .................. 92,4
Лед *........................ 80
Железо.........................66
Медь ..........................42
Спирт....................‘ . . 26
Олово .........................14
Свинец ....................... 6,3
Ртуть......................... 2,8
Рассмотрим теперь, в каком состоянии — жидком или кри-
сталлическом — 1г вещества обладает при температуре плавле-
ния большей внутренней энергией. Зная, что такое удельная теп-
лота плавления, мы легко сможем ответить на этот вопрос.
Поскольку для превращения, например, 1 г льда, взятого при
0°С, в воду, имеющую температуру 0°С, требуется затратить
80 кал, то, очевидно, на такую же величину, т. е. на 80 кал, энергия
1 г воды больше энергии 1 г льда.
Удельная теплота плавления показывает, на сколько увеличи-
вается энергия 1 г вещества при превращении его из твердого
состояния в жидкое без изменения температуры.
Вернемся еще раз к графику плавления и кристаллизации
нафталина (рис. 83). Рассмотрим теперь ту его часть, которая
относится к охлаждению нафталина.
Иб
При охлаждении расплавленного нафталина температура его
понижается. Как только температура дойдет до точки кристал-
лизации, понижение температуры прекращается, хотя, несом-
ненно, нафталин продолжает отдавать свою внутреннюю энергию
окружающим его телам, так как температура его выше температуры
этих тел. Температура нафталина остается неизменной до тех пор,
цока нафталин не отвердеет. Как только он весь отвердеет, темпе-
ратура будет снова понижаться.
Почему же не понижается температура нафталина во время
кристаллизации?
Дело в том, что при температуре кристаллизации жидкий
нафталин имеет большую внутреннюю энергию, чем тот же наф-
талин в твердом состоянии. При переходе нафталина из жидкого
состояния в твердое избыточная внутренняя энергия выделяется
и восполняет потерю энергии вследствие охлаждения. Темпера-
тура отвердевающего нафталина остается неизменной, пока не
закончится процесс кристаллизации. С этого момента начнется
понижение температуры, так как убыль внутренней энергии не
будет возмещаться.
Точные опыты показывают, что, кристаллизуясь, вещество от-
дает то количество теплоты, которое пошло на его плавление.
Так, например, для плавления 1 г льда при 0°С надо сообщить
ему 80 кал. При кристаллизации 1 г воды при 0°С внутренняя
энергия ее уменьшается н£ 80 кал — вода отдает количество теп-
лоты, равное 80 кал,
В местах, расположенных вблизи больших рек и озер, весной,
когда лед быстро тает, часто наблюдается временное похолода-
ние, так как большое количество теплоты, идущее на плавление
льда, поглощается из окружающего воздуха. В этих же местах
в начале зимы сильных морозов не бывает, так как при замер-
зании вода отдает количество теплоты, равное теплоте плав-
ления.
Упражнение 27.
1. Сколько требуется калорий, чтобы расплавить 4 кг льда при 0° С?
2. Сколько требуется калорий, чтобы расплавить 20 г свинца, если до
нагревания температура свинца была 12° С?
3. Тающий лед принесли в помещение, температура в котором 0° С.
Будет ли он в этом помещении таять?
4. Какое количество теплоты выделяется при обращении 125 кг воды
в лед при 0° С?
б. В 5 л воды при температуре 40° С опустили 3 кг льда при 0° С. Сколь-
ко льда растает?
не
6. Поставьте на плиту две одинаковые жестяные банки. В одну налейте
200 г воды, в другую положите 200 а снега. Заметьте по часам, сколько
времени потребуется для того, чтобы вода в обеих банках закипела?
Напишите коротко отчет о вашем опыте и объясните результаты его.
7. Латунная гиря в 1 кг. нагретая до 100° С, положена в углубление,
сделанное в куске льда, взятого при 0° С. Сколько граммов льда
растает, если температура гири снизится до 0° С?
8 Тонна жидкой стали, налитая в форму, остыла от температуры крис-
таллизации (1170° С) до комнатной температуры (18° С). Какое ко-
личество теплоты выделилось при остывании стали?
59. Сплавы и их применение в технике
Расплавленные металлы можно смешивать друг с другом и
получать сплавы.
Сплавы широко применяются в технике, так как многие из них
обладают ценными качествами. Всем хорошо известна сталь,
представляющая собой сплав железа с углеродом. Небольшие
добавки к стали некоторых металлов: хрома, никеля, молибдена,
титана — позволяют получить сталь повышенной твердости,
нержавеющую сталь или сталь, стойкую к действию высокой
температуры. Высокой прочностью обладают сплавы алюминия
с другими металлами. Из них широкое применение нашел дюр-
алюминий, состоящий из 94% алюминия, 5% меди, 0,5% магния,
0,5% марганца. Температура плавления его 650°С. Удельный
вес дюралюминия втрое меньше удельного веса стали, а сопро-
тивляемость разрыву такая же, как у лучших сортов стали. Спла-
вы, подобные дюралюминию, идут на изделия, в которых надо
сочетать легкость с прочностью, например на изготовление от-
дельных частей автомобилей, самолетов, судов,
Температура плавления сплавов обычно бывает ниже темпе-
ратуры плавления их главных составных частей.
Существуют сплавы с очень низкой температурой плавления.
Например, сплав, состоящий из двух частей висмута (/пл =
= 27ГС), одной части олова (/пл = 232°С) и одной части свинца
(^пл = 327°С), плавится при 95°С. Чайная ложка, изготовленная
из такого сплава, расплавится в кипящей воде. Из подобных лег-
коплавких сплавов изготовляют пробки для предохранительных
клапанов паровых котлов. Если уровень воды в котле опустится
ниже нормы, пробки оказываются выше уровня воды, быстро
нагреваются и плавятся. В результате пар из котла получает
свободный выход в топку, гасит ее и таким образом опасность
взрыва котла устраняется.
Легкоплавкие сплавы применяются также во многих предо-
хранительных противопожарных приспособлениях.
117
Широко применяемый на практике припой для пайки различ-
ных изделий из металла состоит из двух частей свинца и одной
части олова. Температура плавления его 180°С, т. е. значительно
ниже температуры плавления олова и свинца.
Легкоплавкий сплав, называемый баббитом, применяется для
заливки вкладышей подшипников. Баббитом залиты, напри-
мер, вкладыши подшипников, в которых вращаются валы дви-
гателей автомобилей и тракторов. Если по какой-либо причине
смазка подшипника окажется недостаточной, то вследствие уси-
лившегося трения вала о подшипник расплавится баббитовый
вкладыш подшипника, а вал сохранится.
60. Испарение и конденсация
1. Испарение жидкости. Классная доска, вытертая мокрой
тряпкой, очень скоро высыхает: вода обращается в пар — испа-
ряется. Точно так же высыхают полы после мытья; мокрое белье,
повешенное для сушки; случайно пролитая на пол вода; чернила,
которыми только что написали на бумаге.
Когда чистят одежду бензином, запах бензина ощущается во
всей комнате. Это происходит оттого, что бензин испарился и его
пары смешались с комнатным воздухом.
Испаряются все жидкости. Опыт показывает, что испа-
рение жидкости происходит при всякой температуре.
При испарении молекулы вещества вылетают из жидкости.
Совокупность таких молекул образует п а р.
На парообразование расходуется внутренняя энергия жидко-
сти. Не всякая молекула, находясь в поверхностном слое жидко-
сти, может от него оторваться. Молекулы поверхностного слоя
жидкости притягиваются молекулами ее внутренних слоев.
Лишь молекулы, обладающие большой кинетической энергией
(двигающиеся с большими скоростями), могут преодолеть это при-
тяжение и улететь в воздух. Достаточную для вылета кинетическую
энергию молекулы получают от других молекул жидкости, с ко-
торыми они сталкиваются при своем движении.
Поскольку молекулы, переходящие из жидкости в пар, обладают
большей энергией, чем молекулы, остающиеся в жидкости, внут-
ренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается, и жид-
кость поэтому должна охлаждаться.
Охлаждение жидкости при испарении можно наблюдать на
следующем опыте. Тонкостенная колба соединяется резиновой
трубкой с жидкостным манометром (рис. 85). Сверху на колбу
кладется лоскуток ткани, и на него наливают немного эфира.
Испаряясь, эфир охлаждает воздух в колбе, вследствие чего дав-
ление воздуха в ней уменьшается, о чем можно судить по повышению
уровня жидкости в правом колене манометра.
118
Если смочить руку эфиром или
спиртом, то мы будем ощущать
сильное охлаждение.
Выходя из воды даже в жар-
кий день, мы чувствуем холод:
вода, испаряясь с поверхности
нашего тела, отнимает от него
некоторое количество теплоты.
Чем больше поверхность
жидкости, тем быстрее
испаряется жидкость.
Например, вода, налитая в ста-
кан, может долго стоять в комна-
те, медленно испаряясь. Такое же
количество воды, разлитое по полу
комнаты, испаряется довольно
быстро.
При одной и той же тем-
пературе • одни жидкости
испаряются быстрее, другие
медленнее.
Это явление можно наблюдать на следующем простом опыте.
Нанесем кисточкой на стекло или доску мазки различных жидко-
стей: эфира, спирта, воды и масла. Мы заметим, что эфир и спирт
испаряются очень быстро, вода — медленнее и еще медленнее—
масло.
Чем выше температура жидкости, тем большее число молекул
ее обладает кинетической энергией, достаточной, чтобы оторваться
от поверхности жидкости. Следовательно, с увеличением тем-
пературы испарение жидкости усиливается. Это и
наблюдается на опыте. Лужи после дождя, окрашенные поверх-
ности скорее высыхают на солнце, чем в тени.
Одновременно с испарением всегда происходит и обратный
процесс — переход пара в жидкость. При своем движении неко-
торые молекулы пара вновь оказываются у поверхности жидко-
сти и бывают в нее втянуты. Если испарение жидкости происхо-
дит в закрытом сосуде, то довольно быстро число молекул, выле-
тающих из жидкости, становится равным числу молекул пара,
возвращающихся обратно в жидкость,— между жидкостью и па-
ром устанавливается подвижное равновесие. При
подвижном равновесии количество жидкости в сосуде не изме-
няется, хотя жидкость непрерывно испаряется.
В открытом сосуде подвижное равновесие между испаряю-
щейся жидкостью и паром не устанавливается, так как молекулы
пара постепенно рассеиваются в воздухе Но некоторая часть
их все же возвращается в жидкость, замедляя этим испарение
жидкости.
119
На ветру испарение всегда идет быстрее, так как
ветер уносит образовавшийся пар. Так, весной почва просыхает
раньше на открытых возвышенных местах, хорошо обдуваемых
ветром, а в лесу, где ветры значительно слабее, земля долго оста-
ется влажной.
По этой же причине лесозащитные полосы содействуют за-
держанию влаги в почве.
2. Испарение твердого тела. Испаряются не только жидко-
сти, но и твердые тела. Испарение некоторых твердых тел обна-
руживается по запаху. Таким образом легко обнаружить, на-
пример, испарение нафталина и камфары. Испаряется и лед,
вследствие чего на морозе можно сушить белье, которое из обле-
денелого становится сухим.
Очень нагляден опыт с испарением кристаллов иода. Если
подогревать колбу с небольшим количеством кристаллов иода
на слабом пламени, то кристаллы начнут испаряться. Пары иода
имеют густой фиолетовый цвет, поэтому их хорошо видно.
3. Конденсация пара. Всем хорошо известно образование ка-
пелек жидкости из пара. Летним вечером, когда воздух стано-
вится холоднее, выпадает роса. Это водяной пар, находившийся
в воздухе, при охлаждении оседает на траве и листьях в виде
маленьких капелек воды.
Обращение пара в жидкость называется конденсацией1.
Конденсация пара в больших размерах происходит в при-
роде. Пары воды, поднимающиеся над землей, образуют в верх-
них более холодных слоях воздуха облака, состоящие из мно-
жества мельчайших капелек воды.
Упражнение 28,
1. Наполните небольшую пробирку водой и вылейте воду на тарелку.
Снова наполните ту же пробирку водой и поставьте ее вместе с тарел-
кой в спокойное место (например, на шкаф), предоставив воде испа-
ряться. Запишите дату и час начала опыта.
Когда вода из тарелки вся испарится, снова запишите время.
Запишите время, когда из пробирки испарится */« всей находя-
щейся в ней воды.
Измерьте диаметры пробирки и тарелки, определите площадь по-
верхности жидкости в них.; Сопоставьте время испарения жидкости
с площадью ее поверхности. Напишите отчет о работе.
2. Возьмите кусочек нафталина размером с небольшую горошину, по-
ложите его на блюдце и размельчите в порошок.
Запишите дату начала опыта и установите, через сколько времени
весь нафталин испарится.
1 Конденсация — от латинского слова condensare — сгущать.
120
3. В какую погоду скорее просыхают лужи от дождя: в тихую или вет-
реную? В теплую или холодную?
4. Что нужно сделать, чтобы чернила на письме скорее просохли, если
под рукой нет промокательной бумаги?
5. Какую роль играет пот, выступающий в жару на теле?
6. Почему в сухом воздухе переносить жару легче, чем в сыром?
7. Чтобы получить прохладную воду в летнюю жару, ее наливают в
сосуды, изготовленные из слабо обожженной глины, сквозь которую
вода может медленно просачиваться. Вода в таких сосудах заметно
холодней окружающего воздуха. Почему?
8. В холодильниках завода «Газоаппарат» камера, в которой хранят
продукты, охлаждается испаряющимся жидким аммиаком. Чем
объяснить происходящее охлаждение?
61. Кипение
Нальем холодной воды в стеклянную колбу и будем подогре-
вать ее на пламени спиртовки или газовой горелки, измеряя тем-
пературу воды термометром. При внимательном наблюдении
можно увидеть, что от мест наиболее сильного нагревания в во-
де поднимаются потоки. Это нагретые части воды, имеющие мень-
ший удельный вес, чем холодная вода, всплывают на поверхность.
Вследствие конвекции температура воды будет повышаться
довольно равномерно во
всех местах колбы. Уже
при небольшом нагревании
воды на дне и стенках кол-
бы станут появляться мел-
кие пузырьки газа (рис.
86, а). Эти пузырьки со-
держат в основном воздух,
который всегда бывает
растворен в воде. Так как
теплая вода не может со-
держать столько раство-
ренных газов, сколько хо-
лодная, то при ее нагре-
вании излишек воздуха
выделяется в виде пузырь-
ков на стенках сосуда. По
мере дальнейшего нагрева-
ния воды пузырьки ста-
новятся крупнее и много-
численнее. Размеры пу-
зырьков растут благода-
ря тому, что внутрь пу-
Рис. 86. Образование воздушных пузырь-
ков на стенках сосуда с водой при ее
нагревании (а). Кипение воды (б).
5 Заказ № 22i
121
зырьков испаряется вода и количество пара в них увеличи-
вается.
По закону Архимеда, на каждый такой пузырек действует вы-
талкивающая сила. Когда выталкивающая сила превысит силу,
удерживающую пузырек у стенки, он всплывет.
Постепенно почти все пузырьки, находившиеся у стенок и
дна, всплывут, останутся лишь те, которые образовались в тре-
щинах стенок сосуда и других местах, где силы сцепления их со
стенками особенно велики. При достижении температуры 100°С
(при нормальном атмосферном давлении) вода закипает. Остав-
шиеся на стенках и дне пузырьки воздуха становятся центрами
кипения. От них к поверхности воды тянутся длинные цепочки
пузырьков, наполненных парами воды. С приближением к поверх-
ности пузырьки растут, так как давление на них со стороны воды
уменьшается. На поверхности пузырьки лопаются, находившийся
в них водяной пар выходит в атмосферу — жидкость кипит (рис.
86, б). -
Во время кипения температура воды в колбе не повышается,
хотя спиртовка горит и вода продолжает получать энергию.
Энергия, получаемая жидкостью при кипении, рас-
ходуется главным образом на преодоление сил сцеп-
ления между молекулами жидкости и частично на
увеличение объема при переходе жидкости в пар.
Если сцепление между молекулами велико, то такая жид-
кость кипит при высокой температуре и для превращения ее в
пар требуется затратить значительную энергию. Ниже в таблице
указаны температуры кипения различных жидкостей.
Температура кипения различных веществ
при нормальном атмосферном давлении (в °C)
Водород ♦ t .........—253
Кислород.............—183
Жидкий аммиак...........— 33,4
Эфир . . s ....... . 35
Спирт * « ,............ 78
Вода ...................... 100
Ртуть........................357
Свинец . . .................1755
Медь .................... 2360
Железо................... 2840
Из таблицы видно, что вещества, которые в обычных уело*
виях являются газами, при достаточном охлаждении обращают-
ся в жидкости, кипящие при очень низкой температуре. Жидкий
кислород, например, кипит под атмосферным давлением при
—183°С. Наоборот, такие вещества, которые в обычных условиях
мы наблюдаем в твердом состоянии, обращаются при плавлении
в жидкости, кипящие при очень высокой температуре. *Например,
поваренная соль кипит при 1140°С.
122
62. Лабораторная работа 8.
Наблюдение 8а нагреванием и кипением воды
Указания к работе:
1 . Налейте в колбу некоторое количество нагретой до 40 —50°C сырой
воды. Опустите в воду термометр, подвешенный на штативе, и на-
гревайте колбу, записывая температуру через каждую минуту.
Когда вода закипит, дайте ей кипеть минут пять, потом прекратите
нагревание. Продолжайте записывать через каждую минуту темпе-
ратуру еще в течение 4—5 мин.
2 По полученным данным начертите график, откладывая в определен-
ном масштабе по горизонтальной оси время в минутах, а по верти-
кальной — температуру в градусах.
Упражнение 29.
Поставьте на плиту или примус небольшую открытую кастрюльку или
жестянку с водой и нагрейте воду до кипения.
Следите внимательно за тем, что происходите воде во время нагревания.
Обратите внимание, что перед самым началом кипения вода мутнеет.
Почему?
Во время кипения воды подержите наклонно над паром чистую тарелку.
Что наблюдается? Объясните. Напишите короткий отчет о вашем опыте.
63. Зависимость точки кипения от давления
1. Кипение под пониженным давлением. Вскипятим воду
в небольшом стакане и дадим ей остыть до 80—70°С. Поместим
стакан под колокол воздушного насоса и будем откачивать воз-
дух. Давление воздуха под колоколом уменьшится, и мы увидим,
что вода в стакане закипит, несмотря на то что температура ее
намного ниже 100°С (рис. 87).
Если довести воду в круглодонной колбе до кипения, быстро,
снять колбу с огня и, когда в ней кипит еще вода, закрыть проб-
кой, то кипение вскоре прекратится. Кипение в колбе можно легко
вызвать снова, для чего надо повернуть колбу дном вверх и полить
ее холодной водой (рис. 88) или, что еще лучше, положить на дно
снег. Пары, находящиеся в колбе, при охлаждении конденсиру-
ются, давление в колбе понижается, и вода вновь закипает, хотя
ее температура ниже 100°С.
При уменьшении давления на жидкость температу-
ра кипения ее понижается.
На высоких горах, например, где давление воздуха состав-
ляет только часть нормального атмосферного давления, вода
Закипает при температурах 90° С, 80° С и еще ниже.
5*
123
Кипение под пониженным давлением широко используется в
технике, особенно в некоторых химических производствах. В са-
харном производстве, например, чтобы испарить лишнюю воду
из сахарного раствора, его кипятят под давлением ниже атмос-
ферного. В этом случае температура кипения раствора невелика
и сахар не подгорает.
2. Кипение под повышенным давлением. Если кипятить
воду в сосуде, из которого образующийся пар может свободно вы-
ходить, то вода все время остается под атмосферным давле-
нием и температура кипения ее, как мы видели, остается неиз-
менной.
Но если кипятить воду в закрытом сосуде, то пар собирается
над водой, давление на нее увеличивается и температура кипения
повышается.
Это явление удобно наблюдать на специальном приборе.
Прибор этот представляет собой толстостенный металличе-
ский котел с водой (рис. 89), плотно запираемый крышкой при
помощи болтов и гаек. При нагревании котла образующийся в
нем водяной пар, не имея выхода, увеличивает давление на воду
и последняя не закипает даже при температурах, больших 100°С.
Давление пара измеряется манометром, а температура — термо-
метром, опущенным во впаянную в крышку котла трубку, запол-
ненную минеральным маслом.
На крышке котла установлен предохранительный клапан 5.
Рычаг 4 с подвешенным на нем грузом давит на пробку клапана
и не позволяет ей выйти из отверстия крышки.
124
Когда давление пара в котле
превысит давление рычага, кла-
пан приоткрывается и пар на-
чинает выходить. С этого мо-
мента дальнейшее возрастание
давления пара в котле прекра-
щается и жидкость кипит. Тер-
мометр при этом указывает по-
стоянную температуру. Для по-
вышения давления пара в котле
следует передвинуть груз к
внешнему концу рычага.
Тогда увеличившееся давле-
ние рычага на пробку клапана
воспрепятствует выходу пара
из котла: количество пара в
котле, а также его давление
возрастет, и прекратившееся
вследствие этого кипение нач-
нется вновь при более высокой
температуре.
Каждый котел рассчитывает-
ся на определенное предельное
давление, отмечаемое обычно на
манометре и на рычаге предохра-
нительного клапана красной
чертой.
Котлы с высоким давлением
широко применяются в технике,
например на тепловых электро-
станциях.
Врачи-хирурги обеззаражи-
вают паром высокого давления
свои инструменты, так как выяс-
Рис. 89. Прибор для изучения ки-
пения воды при повышенном давле-
нии: 1 —котел; 2 —манометр; 3 —
термометр; 4 — рычаг предохрани-
тельного клапана; 5 —предохрани-
тельный клапан.
Давление водяного пара в атмосферах (технических) Температура кипения воды в °C Давление водяного пара в атмосферах (технических) Температура кипения воды в °C
0,0Э6 0 3 132,9
0,023 — 20 16 200,4
0,012— 50 180 335,3
1 99,1 218 374
12 104,3 — —
125
нено, что не все болезнетворные микроорганизмы погибают при
100°С, для уничтожения некоторых из них нужна более высокая
температура. В больницах горячим паром обеззараживают одежду,
белье, перевязочные материалы и т. д.
Чем выше давление, тем выше температура кипе-
ния жидкости.
Зависимость температуры кипения воды в котле от давления
пара приведена в таблице на странице 125.
Упражнение 30.
1. На очень высоких горах в воде, кипящей в открытом сосуде, нельзя
сварить мясоя Почему?
2. Как можно нагреть воду свыше 200° С и как заставить ее кипеть
при 50° С?
3. Хирургические инструменты стерилизуются в особых паровых кот-
лах — медицинских автоклавах — при температуре свыше 130° С.
Под каким давлением находится пар в этих котлах?
4. Пар в паровозном котле получается при давлении 16 ат. Какова
температура этого пара?
5. Запарка корма для животных происходит примерно при температуре
104° С. На какое наименьшее давление должен быть рассчитан кор-
мозапарочный котел?
6. Вода кипит при давлении пара 16 ат; на сколько надо увеличить
ее температуру, чтобы кипение возобновилось при повышении дав-
ления на 164 ат?
7. Рассчитайте величину груза, который следует подвесить к рычагу
предохранительного клапана парового котла (рис. 89), если площадь
сечения его отверстия 2 см2, давление в котле 4 ат и отношение плеч
сил, действующих на рычаг клапана, равно 8 : 1.
64. Удельная теплота парообразования и конденсации
1. Удельная теплота парообразования. В опыте, описанном
в § 61 (рис. 86, б), кипение воды происходит до тех пор, пока горит
горелка, т. е. расходуется энергия топлива. Как только мы по-
гасим горелку, кипение воды прекращается. Но при кипении
происходит превращение жидкости в пар. Следовательно, для
того чтобы обратить жидкость в пар без повышения темпера-
туры, жидкости необходимо сообщить некоторое количество
теплоты.
Если жидкость закипает вследствие уменьшения давления,
как это мы наблюдали в опытах, описанных в § 63, то она быстро
охлаждается. Причина ее быстрого охлаждения заключается в
том, что при отсутствии горелки жидкость расходует на обра-
зование пара свою внутреннюю энергию.
126
Количество теплоты, необходимое для обращения в пар 1 Z
жидкости при температуре кипения, называется удельной теп-
лотой парообразования.
Опытами установлено, что удельная теплота парообразования
воды при 100° С равна 539 иными словами, для превращения
в пар при 100° С 1 г воды требуется 539 кал.
Удельная теплота парообразования некоторых веществ указана
ниже в таблице.
Удельная теплота парообразования жидкостей
при температуре кипения и при нормальном
давлении
(в-2™. или
г кг
Вода . ..................................539
Аммиак (жидкий)..........................327
Спирт ...................................204
Эфир ................................ . . 84
Ртуть .....................................69
Удельная теплота парообразования показывает, на сколько
увеличивается энергия 1 г вещества при переходе его из жидко-
го состояния в пар без изменения температуры.
Так, для получения'1 г водяного пара из 1 а воды при 100’С
требуется 539 кал энергии.
2. Удельная теплота конденсации. Если струю водяного пара
направить на холодный предмет (рис. 90), то пар, соприкасаясь
с ним, обращается в воду, конденсируется.
Проделаем следующий опыт. Поместим пробирку в стакан с
холодной водой и будем пропускать в нее пар из колбы (рис. 91).
Мы увидим, что пар, попадая в пробирку, конденсируется, а вода
в стакане нагревается.
Этот опыт показывает, что при превращении пара в жидкость
выделяется энергия.
Точные опыты показывают, что, конденсируясь, пар отдает
то количество теплоты, которое пошло на его образование.
Следовательно, при конденсации 1 г водяного пара при темпе-
ратуре 100° С в воду той же температуры энергия пара уменьшается
на 539 кал.
Освобождающаяся при конденсации пара энергия может быть
использована. На крупных тепловых электростанциях отрабо-
127
Рис. 90.
Рис. 91.
тавшим в турбинах паром нагревают воду. Нагретая таким обра-
зом вода используется для отопления зданий, в банях, прачечных
и для других бытовых нужд.
3. Зависимость удельной теплоты парообразования от темпера-
туры. У одной и той же жидкости удельная теплота парообразо-
вания при разных температурах имеет разное значение. Ниже
приведена таблица, показывающая зависимость удельной тепло-
ты парообразования воды от температуры.
Температура в °C 0 50 100 150 200 250 300 350 374
Удельная теп- лота парообра- зования в-кал г 595 568 539 506 468 408 330 210 0
Из таблицы видно, что удельная теплота парообразо-
вания уменьшается с повышением температуры
жидкости.
Чем выше температура жидкости, тем слабее связаны между
собой молекулы жидкости и нужно меньше затратить энергии,
чтобы превратить ее в пар. Этим и объясняется уменьшение удель-
ной теплоты парообразования с повышением температуры.
128
Упражнение 31.
1. Как надо понимать, что удельная теплота конденсации жидкого
кал Л
аммиака 327 -------- ?
г
2. У какого из приведенных в таблице (стр. 127) веществ при обраще-
нии из жидкого состояния в пар энергия увеличивается на большую
величину? Ответ обоснуйте.
3. Почему ожог паром, имеющим температуру 100° С, опасней ожога
водой той же температуры?
4. Какое количество теплоты требуется для обращения 150 г воды при
100° С в пар?
5. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы 5 кг воды при
0° С довести до кипения и испарить ее?
6. Какое количество энергии выделит 1 кг пара, находящегося при
100° С, если этот пар обратить в воду и охладить полученную воду
до 0° С? Выразить эту энергию в килограммометрах и джоулях.
7. Для получения льда в холодильных машинах испаряют жидкий
аммиак. Какое количество аммиака надо испарить, чтобы из 10 кг
воды при 20° С получить 10 кг льда при 0° С?
8. В радиаторе парового отопления 6 кг пара при 100° С сконденсиро-
валось в воду в течение трех часов, и вода вышла из радиатора с тем-
пературой 70° С. Сколько калорий в среднем получала комната
за один час?
9. Производительность одного из современных котлов 220 т пара в чае.
Какое количество теплоты в час должен получать котел, считая,
что на образование 1 кг пара расходуется 807 ккал? Сколько нефти
в час потребуют топки этого котла, если тепловая отдача их 75%.?
10. Паровой котел вырабатывает пар при давлении 16 ат. Сколько
килограммов такого пара можно получить при сжигании в топке
. ккал
парового котла 1 кг угля, теплота сгорания которого 7500 —— ?
К2
Тепловая отдача топки котла 80%. Недостающие для решения за-
дачи данные взять из таблиц.
11. Какое количество керосина надо затратить, чтобы кусок снега массой
20 кг при температуре — 40°С превратить в воду при 100°С и 1 кг во-
ды превратить в пар при 100°С. Тепловая отдача нагревателя 75%.
Удельная теплоемкость снега 0,4.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
65. Превращение энергии топлива в механическую энергию
Сжигая топливо, можно получать, значительные количества
энергии. Энергию топлива широко используют для получения
электроэнергии, выплавки металлов, варки стекла, для нагрева-
ния воды в различных промышленных установках и отапливания
зданий, для приготовления пищи и т. д.
Раньше (§ 40) мы убедились, что нагревание тел может про-
исходить также при трении, ударе, изменении формы тел. В этом
случае нагревание происходит за счет механической энергии,
превращающейся во внутреннюю энергию тела.
Переход механической энергии во внутреннюю энергию тела —
это одно из проявлений всеобщего закона природы — закона
сохранения и превращения энергии.
На основе закона сохранения и превращения энергии совер-
шается и обратный переход внутренней энергии тела в механи-
ческую.
Мы уже рассматривали ряд явлений, при которых происходит
такой переход. Так, при нагревании или охлаждении метал-
лического стержня мы наблюдаем перемещение его концов. Сле-
довательно, внутренняя энергия стержня превращается в кинети-
ческую энергию его движущихся частей. Столбик ртути в термо-
метре перемещается в результате изменения температуры ртути.
В жидкости и газе при нагревании происходит конвекция —
возникают потоки, перемешивающие жидкость или газ.
Газ или пар, нагретый в закрытой пробирке, силой своего
давления выбрасывает пробку (рис. 75).
Все эти примеры показывают, что при тепловом расширении
тел производится механическая работа за счет превращения внут-
130
ренней энергии, сообщенной телу при нагревании или отданной
самим телом, в механическую энергию.
Что механическая работа производится именно за счет внут-
ренней энергии тела, хорошо видно из опыта, описанного в § 44
(рис. 78). Когда воздух, находящийся в банке, совершает ра-
боту по выбрасыванию пробки, он охлаждается. Охлаждение —
результат перехода некоторого количества внутренней энергии
воздуха в механическую энергию.
66. Тепловые двигатели
Превращение энергии топлива в механическую энергию произ-
водится в машинах, называемых тепловыми двигателями.
Сушцсчъует несколько видов тепловых двигателей: паровая
машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, реак-
тивный двигатель.
В паровой машине и в паровой турбине превращение энергии
топлива в механическую энергию осуществляется при помощи
горячего водяного пара, который получают в паровых котлах.
В двигателях же внутреннего сгорания и реактивных двигателях
в механическую энергию превращается внутренняя энергия горя-
чих газов, которые образуются при сгорании внутри двигателя
горючего (бензина, нефти, горючего газа и др.).
Тело, производящее работу в тепловом двигателе (пар или
газ), называется рабочим телом. В процессе превращения
энергии топлива в механическую энергию рабочее тело сначала
нагревается, затем совершает работу за счет полученного количе-
ства теплоты и при этом охлаждается.
67. Паровая машина
Рассмотрим устройство и действие паровой машины — пер-
вого теплового двигателя, изобретенного еще в XVIII веке.
Рабочим телом, при помощи которого в паровой машине осу-
ществляется превращение энергии топлива в механическую энер-
гию, служит водяной пар, имеющий давление выше атмосфер-
ного. Такой пар получают в паровом котле.
На рисунке 92 изображено устройство простейшего парового
котла. Это большой, закрытый со всех сторон, прочный стальной
бак, внутрь которого налита вода. Под паровым котлом имеется
топка.
Если развести в топке огонь, вода в котле начнет нагреваться
и с поверхности ее будет происходить все более сильное испаре-
ние. Количество пара над водой будет увеличиваться и давле-
ние его возрастать. Давление пара, которое может быть получено
131
10
Рис. 92. Простейший паровой котел: 1. — горящее топливо; 2 — топка;
3 —дымоход с заслонкой; 4 —котел (замкнутый сосуд из листов стали);
5 —вода в котле; 6 —пространство, где собирается пар; 7 —водомерное
стекло; 8 —манометр; 9 —предохранительный клапан; 10 —паропровод.
в котле, определяется прочностью его стенок. В современных
котлах давление пара на стенки достигает 140
Чтобы давлением пара не разорвало котел, на нем устанав-
ливается предохранительный клапан. Вес и положение груза
на предохранительном клапане выбирают таким образом, что-
бы при опасном для котла давлении пар мог бы выходить наружу.
Из котла пар по паропроводу поступает в паровую машину.
Схема простейшей паровой машины приведена на рисунке
93. В действительности паровые машины устроены несколько
иначе, о чем будет сказано ниже. Схема машины, изображенная
на рисунке 93, поможет нам лучше понять действие реальной
паровой машины.
Главной частью паровой машины является чугунный или
стальной цилиндр 1, в котором может перемещаться пор-
шень 2, плотно прилегающий к стенкам цилиндра. К поршню
прикреплен стержень 3, называемый штоком поршня.
При помощи кранов /и 11 в цилиндр можно впускать пар из
котла, а через краны III и IV — выпускать пар из цилиндра в
атмосферу.
Чтобы переместить поршень, нужно открыть один из впускаю-
щих пар кранов, например I. Пар войдет в нижнюю часть цилиндра
и будет давить на поршень снизу вверх. Чтобы не создавать
противодавления в верхней части цилиндра, еще нужно открыть
кран III, соединяющий верхнюю часть цилиндра с атмосферой.
132
Рис. 93. Устройство простейшей паровой машины: 1 — цилиндр; 2 — пор-
шень; 3 — шток; 4 — паровой котел; /, II —краны, регулирующие подачу
пара в цилиндр; III, IV — краны, регулирующие выпуск пара.
Когда поршень поднимется, его можно заставить двигаться
в обратном направлении, для чего нужно закрыть краны / и III
и открыть краны // и IV. Пар из котла пройдет теперь через кран
II в верхнюю часть цилиндра, а отработавший пар из нижней
части цилиндра через кран IV выйдет в атмосферу.
Так, открывая в указанной последовательности краны I, III
и II, IV, можно заставить поршень попеременно двигаться то
в одну, то в другую сторону.
Совершая работу по перемещению поршня, пар в цилиндре
расширяется и при этом охлаждается, так как за счет части его
внутренней энергии совершается механическая работа. Выходя-
щий из цилиндра отработавший пар всегда имеет температуру
меньшую, чем пар, поступающий в цилиндр из котла.
68. Преобразование возвратно-поступательного движения
йоршня во вращательное движение вала
Под действием расширяющегося пара поршень в цилиндре
паровой машины движется поступательно по прямой линии то в
одну, то в другую сторону. Такое движение поршня называется
возвратно-поступательн ым.
Возвратно-поступательное движение поршня может быть ис-
пользовано для приведения в действие насоса или кузнечных
мехов, как это делалось в прошлые времена. Однако в большин-
стве современных машин и станков используется вращательное
133
Рис. 94. Механизм для превращения возвратно-поступательного движения
во вращательное в паровой машине: / —шток поршня; 2 —ползун;
8 —плоскости, направляющие движение ползуна; 4 —шатун; 5 —кри-
вошип; 6 — маховик.
движение, которое очень удобно передавать при помощи привод-
ных ремней, зубчатых колес и других передач.
Для преобразования возвратно-поступательного движения
поршня паровой машины во вращательное движение использу-
ется механизм, схематически изображенный на рисунке 94.
Шток поршня / соединен с ползуном 2, движущимся взад и
вперед между направляющими плоскостями 3. Эти плоскости
не позволяют ползуну отклониться в сторону, чтобы не получи-
лось перекоса поршня в цилиндре. К ползуну шарнирно прикреп-
лен шатун 4, передающий движение коленчатому валу 5. На валу
насажено тяжелое маховое колесо 6, благодаря инерции кото-
рого вращательное движение вала приобретает необходимую
равномерность. Без маховика вращение вала могло бы прекра-
титься при крайних положениях поршня, когда шток и шатун
располагаются по одной прямой линии. В таких положениях,
получивших название «мертвых точек», поршень не может выз-
вать вращательного движения коленчатого вала. Вращающийся
маховик выводит машину из мертвых точек.
69. Автоматическое парораспределение
Описанная в § 67 паровая машина с кранами для регулирования
впуска и выпуска пара не годится для практических целей. Обес-
печить достаточно быстрое и своевременное открывание и закры-
вание кранов вручную просто невозможно. Поэтому уже давно
были придуманы приспособления для автоматического парораспре-
деления, когда машина сама открывает и закрывает в нужный
момент клапаны для впуска и выпуска пара.
Рассмотрим, например, самое распространенное автоматиче-
ское парораспределительное устройство, применяемое в паровых
машинах.
134
Рис. 95. Цилиндр и золотниковая коробка паровой машины: 1 — цилиндр
паровой машины; 2 — золотниковая коробка; Я -—золотник; 4 — паро-
провод; 5 и 6 —каналы, соединяющие цилиндр с золотниковой коробкой;
7 — канал для выпуска пара; 8 — коленчатый вал; 9 — маховик.
К боковой поверхности цилиндра 1 (рис. 95) примыкает так
называемая золотниковая коробка 2, внутри ко-
торой перемещается особой формы тело — золотник 3. К зо-
лотниковой коробке подходит паропровод от котла 4. Двумя
каналами ( 5 и 6) золотниковая коробка соединяется с паровым ци-
линдром, а между этими каналами имеется еще один — 7, служа-
щий для выпуска пара из цилиндра.
Рис. 96. Расположение частей паровой машины: / —паропровод; 2 —золот-
никовая коробка; 3 — цилиндр; 4 — пароотводная трубка; 5 — шток;
6 — регулятор; 7 — маховик; 8 — шатун; 9 — кривошип; 10 —эксцент-,
рик, приводящий в движение золотник.
135
Золотник устроен таким образом, что при любом положении
он открывает один из двух каналов, ведущих в цилиндр (на ри-
сунке открыт правый канал). Другой такой канал (на рисунке
левый) соединяется через полость под золотником с выпускным
каналом.
Если впустить пар в золотниковую коробку, то через правый
канал пар войдет в правую часть цилиндра и будет толкать пор-
шень влево. Левая же часть цилиндра в это время соединена с
выпускной трубой. Под давлением пара поршень передвинется
и приведет во вращение коленчатый вал 8. При этом золотник,
соединенный со вторым коленом на валу, передвинется направо,
откроет левый канал, а правый соединит с выпускной трубой.
Пар начнет поступать в левую часть цилиндра, а из правой части
отработавший пар будет выходить наружу. Вал машины будет
продолжать вращение и передвинет золотник опять налево, как
изображено на рисунке 95.
Так при помощи золотника производится автоматическое па-
рораспределение. Машина может работать с большой скоростью,
но золотник, связанный с вращающимся валом, регулярно в нуж-
ные моменты производит впуск и выпуск пара.
Расположение частей действующей паровой машины показано
на рисунке 96.
70. Конденсатор
Отработавший пар из цилиндра паровой машины можно вы-
пускать непосредственно в атмосферу. Однако это невыгодно по
ряду причин. Главная из них заключается в том, что в той части
Рис. 97. Разрез конденсатора паро-
вой машины: 1 —паропровод, соеди-
няющий конденсатор с цилиндром;
2 —трубы, по которым циркулиру-
ет холодная вода; 3 —труба для
отвода сконденсировавшегося пара;
4 и 5 — трубы, по которым посту-
пает и отводится холодная вода.
цилиндра, которая сообщается с
атмосферой, тогда нельзя полу-
чить давление ниже’ атмосферно-
го. Поршню, выталкивающему
отработавший пар, приходится
преодолевать это давление.
Для того чтобы снизить дав-
ление отработавшего пара, па-
ровые двигатели снабжаются
конденсаторами.
Конденсатор — это большой
резервуар, внутри которого на-
ходится система труб (рис. 97).
По трубам все время течет хо-
лодная вода.
Отработавший пар поступает
в конденсатор через отверстие /;
здесь, соприкасаясь с поверх-
136
ностью труб 2, он охлаждается и
превращается в воду (конденсиру-
ется). Объем пара при конденса-
ции сильно уменьшается. В резуль-
тате в конденсаторе поддержива-
ется давление ниже атмосферного.
Вода (сконденсировавшийся пар)
отводится из конденсатора по тру-
бе 3.
Чем меньше температура в кон-
денсаторе, тем ниже в нем давле-
ние. Поршень, вытесняя отрабо-
тавший пар в конденсатор, за-
трачивает в этом случае меньше
энергии на преодоление давления
пара. Следовательно, использова-
ние конденсатора улучшает рабо-
ту паровой машины.
Вода, получившаяся при кон-
денсации пара в конденсаторе
(так называемый конденсат), не
смешивается с охлаждающей во-
дой. Лишенная всяких примесей,
она используется для питания
котлов.
Джемс Уатт (1736—1819) —
знаменитый английский ученый-
изобретатель. До Уатта паровые
машины использовались лишь как
водоподъемные машины. Уатт ре-
конструировал паровую машину:
отделил конденсатор от рабочего
цилиндра, применил автоматичес-
кое парораспределение, снабдил
машину маховиком и центробеж-
ным регулятором. Паровая маши-
на Уатта стала основным промыш-
ленным двигателем того времени.
71. Коэффициент полезного действия теплового двигателя
Всякий тепловой двигатель превращает в механическую энер-
гию только незначительную часть той энергии, которая содер-
жится в топливе. Большая часть энергии топлива не использу-
ется полезно, теряется в окружающем пространстве.
Отношение той части энергии, которая пошла на совершение
полезной работы двигателя, ко всей энергии, содержавшейся
в сгоревшем топливе, называется коэффициентом полезного дей-
ствия (к. п. д.) теплового двигателя. Обычно к. п. д. выражают
в процентах.
Рассмотрим, от чего зависит коэффициент полезного действия
паровой машины.
В лучших современных паровых котлах в энергию пара пере-
ходит до 95% энергии сгоревшего топлива, а 5% идет на образо-
вание тяги, уносится с дымом, теряется из-за неполного сгора-
ния топлива и на нагревание окружающего воздуха. На пути
от котла к рабочей части машины и в самой машине пар охлаж-
дается, что вызывает потерю приблизительно 7% его энергии.
137
Самое большое количество теплоты — 60—70% — уносится отра-
ботавшим паром в конденсатор и отдается охлаждающей воде.
Примерно 1% энергии расходуется на преодоление трения в час-
тях машины.
На полезную работу идет менее 20% энергии топлива.
Коэффициент полезного действия паровой машины без кон-
денсатора еще ниже, так как из цилиндра в этом случае прихо-
дится выпускать пар при более высокой температуре. К. п. д. та-
кой машины составляет всего 8—9%.
72. Из истории изобретения и применения паровой машины
В течение многих веков для приведения в действие машин,
например мельниц или насосов, использовалась энергия ветра
или воды. В конце XVII века развивающейся промышленности
Европы потребовался мощный двигатель, который не был бы
связан с условиями погоды или местонахождением реки, удоб-
ной для устройства водяного колеса. И такой двигатель был
изобретен. Это была паровая машина, которую можно устанавли-
вать в любом месте и приводить в действие в нужное время.
Первые паровые машины имели коэффициент полезного дей-
ствия не более 1%; они не создавали вращательного движения
и использовались главным образом для приведения в действие
насосов, откачивавших воду из шахт. Еще не было изобретено
автоматического парораспределения, впуск и выпуск пара произ-
водился вручную приставленным к машине человеком.
В XVIII веке паровая машина была значительно усовершен-
ствована И. И. Ползуновым в России и Д. Уаттом в Англии.
Иван Иванович Ползунов — выдающийся русский теплотех-
ник — окончил школу горных мастеров и работал вначале на
Урале, а затем на Алтае мастером у доменных печей. Видя несо-
вершенство водяных двигателей, приводящих в движение возду-
ходувные мехи, Ползунов задался целью сконструировать и изго-
товить паровую машину. В 1766 г. такая машина была построена.
Она имела паровой котел и два цилиндра со встречным движением
поршней. В машине впервые было применено автоматическое
парораспределение в виде клапанов, пропускавших пар поочередно
в один или другой цилиндр. Клапаны приводились в действие
самой машиной. При помощи цепей и балансиров движение порш-
ней передавалось воздуходувным мехам.
Болезнь и тяжелый труд подорвали силы Ползунова, и он
умер 16 мая 1766 г. за несколько дней до пуска своей машины.
Машина Ползунова проработала на заводе несколько месяцев
и за это время вполне окупила все расходы на нее. Однако по-
сле смерти Ползунова некому стало исправлять мелкие поломки
в механизме машины, она остановилась, была заброшена и забыта.
138
•86 эи<1
Имя И. И. Ползунова занимает почетное место в истории раз-
вития тепловых двигателей: он первым построил паровую машину,
пригодную для заводских нужд.
Через 18 лет послЬ смерти И. И. Ползунова, в 1784 г., англий-
ский механик Джемс Уатт построил еще более усовершенство-
ванную паровую машину, в которой были применены золотниковое
парораспределение и конденсатор. Эта машина давала вращатель-
ное движение валу и поэтому нашла сразу же широкое применение
в промышленности.
Работая в университетской мастерской в городе Глазго, Уатт
одновременно учился и приобрел солидные знания по физике и
математике. Это дало ему возможность найти и устранить недостат-
ки в паровых машинах, изобретенных до него, и создать такую ма-
шину, главные части которой почти не изменились до настоящего
времени.
В начале XIX века паровая машина была приспособлена для
транспортных целей. Первый паровоз, нашедший техническое
применение, был построен в Англии в 1814 г. Джорджем Стефен-
соном; Несколько ранее (в 1807 г.) американский изобретатель
Роберт Фультон поставил паровую машину на корабль. Это был
первый пароход, приводившийся в движение колесами.
В 1834 г. на Урале, в Нижнем Тагиле, была построена пер-
вая в России железная дорога. Паровоз, который водил по этой
дороге поезда, был построен механиками нижнетагильских гор-
ных заводов Черепановыми (отцом и сыном). Паровоз Черепано-
вых можно считать первым отечественным паровозом.
В настоящее время паровые машины уже не находят такого
широкого применения, как прежде. Благодаря широкому разви-
тию электрификации машины и станки на заводах теперь приво-
дятся в действие электрическими двигателями. Паровая машина
применяется еще на пароходах и паровозах. Однако паровозы
все больше заменяются тепловозами и электровозами, а паро-
ходы — теплоходами, на которых установлены двигатели вну-
треннего сгорания (рис. 98).
Паровые двигатели небольшой мощности — локомобили—
находят применение и сейчас еще в сельском хозяйстве и на
лесоразработках. В качестве топлива в них используются отходы
лесной промышленности и сельского хозяйства.
73. Двигатель внутреннего сгорания
Очень распространенным видом тепловых двигателей являет-
ся двигатель внутреннего сгорания. Этот вид двигателей получил
такое название потому, что топливо в нем сгорает прямо в ци-
линдре, внутри самого двигателя.
140
Двигатели внутреннего сго-
рания работают на жидком то-
пливе (бензин, керосин, нефть)
или на горючем газе.
Рассмотрим устройство и ра-
боту двигателя внутреннего
сгорания, широко применяемо-
го в автомобилях.
В цилиндре такого двигате-
ля периодически происходит
сгорание горючей смеси из па-
ров бензина с воздухом, которая
приготавливается в специаль-
ном устройстве, называемом
карбюратором. За ко-
роткое время температура газо-
образных продуктов сгорания
повышается до 1600—1800°С.
Давление газов на поршень при
этом резко возрастает.
Расширяясь, горячие газы
толкают поршень, совершая ме-
ханическую работу. При этом
Рис. 99. Разрез двигателя внутрен-
него сгорания: /, II —впускной и
выпускной клапаны; 1 —цилиндр;
2 — поршень; 3 — шатун; 4 — ко-
ленчатый вал; 5 —маховик.
происходит значительное охлаждение газов, так как они расходу-
ют на работу часть своей внутренней энергии.
На рисунке 99 дан разрез двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель состоит из цилиндра /, в котором перемещается поршень
2, соединенный при помощи шатуна 3 с коленчатым валом 4. На
валу укреплен тяжелый маховик 5.
В верхней части цилиндра имеются два клапана 1 и II,
которые при работе двигателя автоматически открываются и
закрываются в нужные моменты. Через клапан // в цилиндр из
карбюратора поступает горючая смесь, а через клапан / выпус-
каются отработавшие газы.
Рассматриваемый двигатель относится к числу четырехтакт-
ных. Это значит, что рабочие процессы (цикл) совершаются в
нем за четыре такта, после которых все части двигателя прихо-
дят в исходное положение.
Тактом называется процесс, совершаемый за один ход порш-
ня, что. соответствует повороту коленчатого вала двигателя на
пол-оборота.
При повороте вала двигателя в начале первого такта поршень
движется вниз (рис. 100, а). Пространство над поршнем увеличи-
вается, вследствие чего в цилиндре создается разрежение. В это
время открывается клапан //ив цилиндр впускается горючая
смесь. К концу такта цилиндр оказывается заполненным горючей
смесью, а клапан // закрывается.
141
При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (вто-
рой такт) и сжимает горючую смесь (рис. 100, б). В конце второго
такта, когда поршень дойдет до крайнего верхнего положения,
в камере сгорания (в верхней части цилиндра) проскакивает элект-
рическая искра, сжатая горючая смесь воспламеняется и быстро
сгорает.
Образующиеся при сгорании газы давят на поршень и тол-
кают его вниз (рис. 100, в). Движения поршня передаются шатуну,
а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный
толчок, маховик затем продолжает вращаться, сообщая поршню
движение при последующих тактах.
Под действием расширяющихся горячих газов (третий такт)
двигатель совершает работу, поэтому этот такт называют ра-
бочим.
В конце третьего такта открывается клапан I и через него
продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу. Выпуск
продуктов сгорания продолжается и в течение четвертого такта,
когда поршень двигается вверх (рис. 100, г). В конце четвертого
такта клапан I закрывается.
Продолжающий вращаться вследствие инерции маховик сно-
ва сообщает поршню движение вниз. Открывается клапан II,
и в цилиндр поступает новая порция горючей смеси. Начинается
первый такт нового цикла работы двигателя.
Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех про-
цессов, совершающихся каждый в течение одного такта.
Впуск. Поршень, двигаясь вниз, производит внутри цилиндра
разрежение, впускной клапан открывается, и горючая смесь по-
ступает в цилиндр.
Сжатие. Поршень движется вверх и сжимает горючую смесь.
Оба клапана при этом закрыты. В конце такта сжатия произво-
дится зажигание смеси от электрической искры.
Рабочий ход. Образующиеся при сгорании смеси газы давят
на поршень и заставляют его двигаться вниз и вращать коленча-
тый вал двигателя.
Выпуск. Поршень движется вверх. Через открытый выпуск-
ной клапан отработавшие газы выталкиваются наружу.
При пуске двигателя его валу во время первых двух тактов
нужно сообщить движение посторонней силой. Это можно сделать
при помощи специальной рукоятки или стартером—вспомогатель-
ным электрическим двигателем. С третьего такта двигатель на-
чинает работать сам. В дальнейшем все подготовительные такты
(четвертый, первый и второй) происходят за счет энергии вращаю-
щегося маховика.
Следовательно, маховик в двигателе внутреннего сгорания
описанного типа играет очень важную роль. Он не только обес-
печивает выход двигателя из мертвых точек, но и сообщает дви-
жение поршню при подготовительных тактах.
142
Рис. 100. Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Рис. 101. Разрез четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания:
1 — поршень; 2 — шатун; 3 — коленчатый вал; 4 — маховик; 5 — колеса
зубчатой передачи; 6 —впускной и выпускной клапаны.
Так как в течение двух оборотов вала двигателя маховик по-
полняет свою энергию только во время одного полуоборота, есте-
ственно, что вращение вала происходит неравномерно. Чтобы
двигатель работал более равномерно, его делают со многими ци-
линдрами, чаще всего с четырьмя — по числу тактов. На рисунке
101 приведен разрез четырехцилиндрового двигателя внутреннего
сгорания. Работа цилиндров рассчитывается таким образом, что
в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый
вал все время получает энергию от одного из поршней.
Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно
разнообразно. Они приводят в движение автомобили, тракторы,
тепловозы и теплоходы (рис. 98).
74. Преимущества двигателей внутреннего сгорания
По сравнению с паровой машиной двигатели внутреннего
сгорания имеют ряд преимуществ.
Вследствие того что рабочее тело в двигателях внутреннего
сгорания нагревается непосредственно в рабочей части машины,
потеря энергии в окружающее пространство у этих двигателей
меньше, чем у паровых машин. Совсем исключены потери энер-
144
гии, свойственные паровому котлу,— на образование тяги в топке
и др. Кроме того, температура газов в начале рабочего такта
(1600—1800°С) значительно выше, чем температура пара в паро-
вом котле, которая редко бывает выше 300—400°С.
Благодаря этому коэффициент полезного действия двигателя
внутреннего сгорания больше, чем у паровой машины, и состав-
ляет от 25 до 40% (у разных видов двигателей).
Отсутствие парового котла делает двигатель внутреннего сго-
рания гораздо более легким, чем паровая машина такой же
мощности.
Малый вес при большой мощности позволил применить дви-
гатель внутреннего сгорания для автомобилей и, что особенно
важно, для самолетов. Правда, за последнее время в авиации
двигатели внутреннего сгорания стали заменяться еще более
экономичными реактивными двигателями.
75. Паровая турбина
В современной технике широко применяется особый тип теп-
лового двигателя, в котором пар или раскаленный газ вращает
вал двигателя без посредства поршня, шатуна и коленчатого
вала. Такие двигатели называются турбинами.
Рис. 102. а — схема действия паровой турбины: пар (/), поступая через
сопло (2) на лопатки (<?) диска турбины, заставляет диск (4) вращаться;
б —расположение основных частей турбины: 1 —паропровод, 2 —сопла,
3 —диск с лопатками, 4 —труба, по которой отработавший пар идет в
конденсатор; е —ротор турбины большой мощности.
145
Схема действия простейшей паровой турбины приведена на
рисунке 102, а. На валу 5 насажен диск 4, по ободу которого за-
креплены лопатки 3. Около лопаток расположены расширяю-
щиеся трубы — сопла 2, в которые поступает пар / из котла.
В соплах пар расширяется и выходит из них с огромной ско-
ростью. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают зна-
чительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быст-
рое вращательное движение.
Недостатком турбины с одним рабочим колесом, схема ко-
торой изображена на рисунке 102, б, является то, что ее вал де-
лает очень большое число оборотов — 30 тысяч и более в минуту.
Двигатели с таким числом оборотов вала используются редко.
.В современных турбинах применяют не один, а несколько
дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно прохо-
дит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть
своей энергии. Отработавший пар поступает в конденсатор, где
превращается в воду. Скорость вращения вала такой турбины
около 3 тысяч оборотов в минуту, что является очень удобным
для приведения в движение генераторов электрического тока на
электростанциях. Паровые турбины применяются главным обра-
зом как мощные двигатели на электростанциях. На наших заво-
дах изготавливаются паровые турбины мощностью 300000 кет
и проектируются турбины на 500000 кет. Такие турбины питают-
ся паром с давлением свыше 100 ат и температурой 600°С.
Отсутствие у турбин частей, совершающих возвратно-посту-
пательное движение, и большая скорость вращения вала создают
этому виду тепловых двигателей значительные преимущества по
сравнению с паровой машиной. Коэффициент полезного действия
паровой турбины достигает 25%. Большая плавность и равномер-
ность вращения вала турбины дает возможность использовать их
очень длительное время без остановки на ремонт. На многих
наших электростанциях турбины работают непрерывно по году
и больше.
76- Реакция струи жидкости или газа
В настоящее время в технике широко применяются двигатели
особого устройства, получившие название реактивных
двигателей. Такие двигатели, в частности, приводят в
движение мощные ракеты, при помощи которых запускаются ис-
кусственные спутники Земли, космические станции и корабли.
Работа реактивного двигателя основана на законе механики,
согласно которому при взаимодействии двух тел возникают две
силы: сила действия и сила противодействия (§ 14).
Сила действия и сила противодействия равны по величине,
действуют вдоль одной и той же прямой и противоположно на-
146
правлены. Эти силы заставляют взаимодействующие тела двигаться
в противоположных направлениях.
Рассмотрим в качестве примера опыт. Соединим резиновой
трубкой воронку с изогнутой под прямым углом стеклянной труб-
кой. Если налить в воронку воды, то она будет вытекать
из трубки, которая при этом отклонится в сторону, противопо-
ложную направлению движения струи.
При движении частиц воды по изгибу трубки они испытывают
со стороны стенок трубки действие силы, изменяющей направле-
ние их движения. Движение частиц воды из вертикального ста-
новится горизонтальным. В свою очередь частицы воды оказывают
обратное действие на стенки трубки. Это действие и отклоняет
трубку. Сила, отклоняющая трубку в данном опыте, называется
реакцией вытекающей струи.
Сила реакции вытекающей струи жидкости или газа может
привести в движение какое-либо тело. Например, сегнерово коле-
со, вращающееся под действием сил реакции струй, вытекающих
из изогнутых трубок прибора.
77. Реактивный двигатель
Простейшим реактивным двигателем является обыкновенная
пороховая ракета (рис. 103). Сгорая, порох образует газы,
вытекающие струей из отверстия (дюзы) ракеты. Возникает си-
ла реакции струи — реактивная сила, толкающая ракету вперед.
Таково же, в основном, устройство современных ракет, только
вместо пороха, имеющего небольшую теплотворность, приме-
няются другие виды топлива с более высокой теплотворностью.
Рассмотрим, например, устройство ракеты на жидком топ-
ливе (рис. 104). В корпусе ракеты размещаются баки с топливом
(горючим 3 и окислителем 2), например спиртом и азотной кисло-
той. По трубам эти вещества поступают в камеру сгорания /, где с
выделением большого количества теплоты происходит химическая
реакция их соединения. Нагретые до высокой температуры газо-
образные продукты сгорания с огромной скоростью вытекают че-
рез дюзу, создавая большую реактивную силу. Двигатели такого
типа называются жидкостными реактивными двигателями (ус-
ловно обозначаются ЖРД). Реактивные двигатели могут обеспе-
чить движение ракеты в безвоздушном пространстве, так как для
сжигания горючего двигатель располагает запасом окислителя
и не нуждается в кислороде воздуха.
Одним из первых, кто предложил использовать реактивное
движение для осуществления полетов в космос, был знаменитый
русский ученый К. Э. Циолковский (1857—1935). Циолковский
первый в истории науки разработал теорию реактивного движе-
147
ния и в 1903 г. спроектировал ракету для межпланетных сооб-
щений (рис. 105).
Передняя часть металлической камеры обтекаемой формы
предназначается для размещения людей и приборов 3. В средней
части ракеты находятся запасы горючего (жидкого водорода) 2 и
окислителя (жидкого кислорода) 1. Горючие газы, образующиеся
при сгорании топлива, вылетают по трубе из камеры сгорания с
громадной скоростью, толкая ракету в противоположную сторону.
Реактивные двигатели более сложного устройства широко
применяются в авиации. При полетах в атмосфере нет надобности
иметь запас окислителя, так как для сжигания горючего можно
использовать кислород воздуха. Реактивными двигателями ос-
нащены многие наши самолеты, в том числе ТУ-104.
По применению реактивных двигателей в авиации, успехам
В ракетной технике и космических полетах Советский Союз за-
нимает сейчас первое место в мире.
Рис. 106. Корабль-спутник «Восток».
В нашей стране 4 октября 1957 г. был запущен первый в мире
искусственный спутник Земли, что явилось выражением выдаю-
щихся достижений советской науки и техники. В дальнейшем был
осуществлен удачный запуск ряда космических ракет. Одна из
ракет доставила вымпел Советского Союза на поверхность Луны.
Специальная космическая станция облетела вокруг Луны и
сфотографировала ее обратную, невидимую сторону. Несколько
ракет совершили посадку на Луну. Снимки лунной поверхности
были переданы на Землю.
На основе создания и запуска искусственных спутников и кос-
мических ракет советскими учеными и конструкторами были по-
строены космические корабли-спутники, способные совершить
полет в космос и произвести посадку в заданном районе Земли.
12 апреля 1961 года впервые в истории человечества в СССР был
успешно осуществлен полет человека на корабле-спутнике «Во-
сток» в космическое пространство. Пилотом корабля-спутника
был первый в мире летчик-космонавт Герой Советского Союза
Ю. А. Гагарин.
Этот день навсегда вошел в историю человечества как начало
эры освоения человеком космоса, как день триумфа творческого
гения советского народа.
Пройдет немного времени, и осуществится давняя мечта чело-
вечества о полете на Луну и ближайшие планеты. Вполне воз-
можно, что кто-нибудь из вас, нынешних школьников, будет в
числе первых пассажиров межпланетных кораблей, отправив-
шихся на Марс или Венеру!
ОТВЕТЫ
Упражнение 3, 1. « 17“-. 2. «2 км. 3. « 16 км.
сак
я м м м
Упражнение 4. 1. «8,3 — ;«3,8 —. 2. 11,2 —. з. « 11,4—:
4. «3,4—.
’ сек
Упражнение 5. 2. 0,3. 3. 7,5 Г. 4. 4375 кГ.
Упражнение 9. 10. На 48 Г.
Упражнение 10. 3. 0,5 кГ, вертикально вниз.
Упражнение 12. 1. 0,075 кГ-м. 2. 24000 кГм. 3. 125000 кГ-м.
4. 36 кГ-м., 5. 750 кГ-м. 7. 54 кГ-м. 9. 4500 кГ-м.
Упражнение 13. 1. 1224 000 кГ-м. 2. 10 кет. 3. 0,2 л. с. 4. 40 сек.
6. «0,07 л. с. 7. «28 кет; 25 735 кет.
Упражнение 15. 6. а) Равновесие нарушится; б) равновесие не нарушится.
7. « 11 кГ. 8. «417 кГ.
Упражнение 16. 2. 224 кГ-м. 6. 10 кГ. 7. 2,5 кГ; 5 см.
Упражнение 17. 2. 2,4 кГ. 3. 5 кГ; 20 кГ; 0,15 м.
Упражнение 18. 1. 60 кГ-м: 3 кГ. 2. 120 кГ; 6000 кГ*м.
Упражнение 19. 3. 625 мм. 4. 80.
Упражнение 20. 4. 50000 кГ-м.
Упражнение 23. 5. 5 кг. 8.«90 ,4 ккал. 9. 5,4°С.
12. 32,3°С.
+ тг1г
miti 4“
Упражнение 25. 1. «42%. 2. «77 г. 3. «33 г.
Упражнение 27. 2. 315 кал. 5. 2,5 кг. 1. 112,5 г. 8. 192 720 ккал.
Упражнение 30. 7. 1 кГ.
Упражнение 31. 5. 3195 ккал. 6. 272 853 кГ-м; 2673 959 дж. 1. ^5 кг.
8. 1138 ккал. 9. «22,5 т. 10. « 13 кг.
6.
7.
8.
9.
10.
И.
12.
13.
14.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Начальные сведения по механике
1. Механическое движение . • • • • ...........................
2. Поступательное и вращательное движения тел..............
3. Прямолинейное равномерное и неравномерное движение тел . • •
4. Измерение времени ......................................
5. Скорость тела при равномерном движении. Единицы скорости .
~ Средняя скорость тела при неравномерном движении............
Сила трения
Коэффициент трения .......................................
Лабораторная работа 1. Определение коэффициента трения дере-
ва по дереву .............................................
Способы увеличения и уменьшения силы трения. Шариковые и ро-
ликовые подшипники .......................................
Инерция...................................................
Как можно осуществить равномерное прямолинейное движение?
Действие и противодействие ...............................
Масса тела. Плотность . . • • ............................
Сложение сил. Равновесие тел
15. Сложение сил. Равнодействующая ........................•
16. Сложение двух сил, направленных по одной прямой . . . .
17. Центр тяжести ...........................................
18. Лабораторная работа 2. Нахождение центра тяжести плоских фигур
19. Виды равновесия .........................................
20. Равновесие тел, имеющих площадь опоры ..................
Работа и энергия. Механизмы
21. Механическая работа ....................................
22. Величина работы. Единицы работы ........................
Мощность. Единицы мощности....................... . . . .
Рычаг. Плечо силы ........................................
Момент силы. Равновесие сил на рычаге ....................
Получается ли выигрыш в работе при пользовании рычагом? . .
Применение рычагов в технике и в быту ....................
Неподвижный блок . .......................................
Подвижный блок............................................
Лабораторная работа 3. Условия равновесия сил на рычаге и
блоке , ..................................................
Ворот ... ................................................
«Золотое правило» механики. Коэффициент полезного действия
механизма ......................................
Наклонная плоскость ......................................
Лабораторная работа 4. Определение к. п. д. наклонной плос-
кости ...........................................
Скорость вращательного движения ..........................
Ременная и зубчатая передачи . . •........................
Простые механизмы в машине ....................i . . . .
Потенциальная и кинетическая энергия тел .................
Переход одного вида механической энергии в другой . . .
Водяные двигатели
Ветряные двигатели
42. Механизация работ
Теплота и работа
43. Нагревание тел при
44. Внутренняя энергия
45. Единицы количества
9
10
13
16
18
20
22
23
27
30
31
33
39
42
44
45
47
50
51
53
56
58
60
61
65
67
70
72
76
76
78
82
83
85
87
89
91
92
94
96
4 73
74 .
трении, ударе и теплопередаче
тела. Количество теплоты
теплоты .....................
151
46. Удельная теплоемкость .«• i . 97
47. Расчет количества теплоты, затрачиваемой на нагревание тела
или выделяемой при его охлаждении...........................100
48. Лабораторная работа 5, Сравнение количеств теплоты при смеше-
нии воды.................. । . . . . • • . . * • । . Ю2
49. Энергия топлива. Теплота сгорания топлива 103
50. Тепловая отдача нагревателя . ........................... 104
51. Лабораторная работа 6. Определение тепловой отдачи нагревателя —
52, Соотношение между единицей работы и единицей количества теп-
лоты ...................................... . ....... 105
53. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепло-
вых процессах...............................8 107
54. Солнце — главный источник энергии на Земле............ . 108
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое
55. Кристаллические и аморфные тела............................ПО
56. Плавление и отвердевание кристаллических веществ..........111
57. Лабораторная работа 7. Наблюдение за нагреванием и плавлением
нафталина.......................................... 114
58. Теплота плавления и кристаллизации ............ —
59. Сплавы и их применение в технике . ... ... ..... 117
60. Испарение и конденсация ................................ 118
61. Кипение ..................................................121
62. Лабораторная работа 8. Наблюдение за нагреванием и кипением
воды.................................................. 123
63. Зависимость точки кипения от давления . ........ .
64. Удельная теплота парообразования и конденсации ...... 126
Тепловые двигатели
65. Превращение энергии топлива в механическую энергию .... 130
66. Тепловые двигатели . , ...... , ........ . 131
67. Паровая машина........................................... —
68. Преобразование возвратно-поступательного движения поршня во
вращательное движение вала ............................... 133
69. Автоматическое парораспределение . ................ , . . 134
70. Конденсатор......................... ........ 136
71. Коэффициент полезного действия теплового двигателя........137
72. Из истории изобретения и применения паровой машины .... 138
73. Двигатель внутреннего сгорания.......................... 140
74. Преимущества двигателей внутреннего сгорания 144
75. Паровая турбина.................. , .......... 145
76. Реакция струи жидкости или газа 8 ..... . 146
77. Реактивный двигатель .................................. 147
Ответы ..................................................... 150
Александр Васильевич Перышкин, Евгений Яковлевич Минченков,
Вильгельм Вильгельмович Крауклис, Георгий Константинович Карпинский
ФИЗИКА
Учебник для 7 класса
Редактор Я. В. Хрусталь. Художник М И. Бородкин. Художественный
редактор В. П. Богданов. Техн. ред. Г. Л. Татура. Корректор К. А. Иванова
Сдано в набор 2/VIII 1966 г. Подписано к печати 18/11 1967 г. 60 x 90’/ie.
Бум. типогр. № 3 Печ. л. 9,5. Уч.-изд. л. 8,71. Тираж 1 400 тыс. экз.
Издательство «Просвещение» Комитета по печати при Совете Министров
РСФСР. Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Отпечатано с матриц Ярославского полиграфкомбината на Книжной фаб-
рике № 1 Росглавполиграфпрома Комитета по. печати при Совете Мини-
стров РСФСР, г. Электросталь Московской области, Школьная, 25.
Заказ № 221.
Цена без переплета. 12 коп., переплет 7 коп.
1
19 коп
US
юлка к
СССР
у
Библиотека
бесплатных
учебников на
сайте:
ussrvopros.ru
(перейти
каталогу