О методике расчёта механической работы локомотива и поезда
Предложен алгоритм графического и аналитического (табличного) способов расчёта механической работы внешних сил, действующих на поезд. Могут использоваться при оценке тягово – энергетической эффективности локомотивов дизельной и электрической тяги в условиях эксплуатации.
ABSTRACT
An algorithm for graphical and analytical (tabular) methods for calculating the mechanical operation of external forces acting on a train is proposed. They can be used to assess the traction and energy efficiency of diesel and electric traction locomotives under operating conditions.
Ключевые слова: локомотив, поезд, скорость, расчёт, график, режим.
Keywords: locomotive, train, speed, calculation, schedule, mode.
Высокоэффективное использование энергетических ресурсов для тяги поездов непосредственно определяет количество и качество работы железных дорог, а энергосберегающая технология перевозочного процесса имеет первостепенное значение, где режим работы силовых энергетических систем локомотивов, обусловленный режимом тяги, является главным фактором их энергетической эффективности.
Для корректного обоснования сказанного необходимо уметь рассчитывать механическую работу сил тяги, сопротивления движению и тормозных на различных режимах ведения поезда – тяги, холостого хода и торможения.
Механическая работа локомотива, затрачиваемая на перемещение поезда, напрямую зависит от тягового качества профиля пути и трассы железной дороги, которые, в свою очередь, характеризуются крутизной, протяжённостью и расположением уклонов элементов профиля, а также кривизной пути.
Эти характеристики профиля пути оказывают существенное влияние на режимы движения поезда и работу силовых энергетических систем локомотива, расход электрической энергии и дизельного топлива локомотивами на тягу поездов, пропускную и провозную способности железных дорог, а также стоимость железнодорожных грузовых и пассажирских перевозок.
Опираясь на рекомендации [4,5], автором были разработаны и предложены соответствующие методики расчёта механической работы локомотива в режиме тяги [1] и поезда в целом [2], основу которых составляет графоаналитический метод расчёта.
Ниже предлагаем алгоритм вычисления (расчёта) механической работы сил основного сопротивления движению поезда в режиме тяги, для реализации которого поступаем следующим образом.
Предварительно строится и располагается рядом с кривой скорости V = f(S)
диаграмма WО = f(V) сил основного сопротивления движению поезда в режиме тяги так, чтобы оси их скоростей совпали между собой (рис. 1).
Исходной информацией для реализации этих целей являются данные таблицы удельных равнодействующих сил поезда в режиме тяги и интегральная кривая скорости V = f(S), ранее построенная в результате тягового расчёта, а также заданный, спрямлённый профиль железнодорожного пути.
/Ablyalimov2.files/image001.jpg)
Рисунок 1. Алгоритм графического расчёта механической работы сил
основного сопротивления движению поезда в режиме тяги
По изломам интегральной кривой скорости V(S) намечаются (выбираются) интервалы скоростей движения поезда в пределах, не превышающих изменение скорости в 10 км/ч и с учётом упомянутой диаграммы WО = f(V) строится графическая зависимость WО = f(S) (рис. 1). По ней можно будет определять средние значения сил основного сопротивления движению поезда в каждом принятом для расчёта i – м интервале скоростей движения последнего.
Методика аналитического (табличного) расчёта механической работы АС сил основного сопротивления движению поезда в режиме тяги приведена в табл. 1, где обозначено: VН, VК – соответственно, скорости в начале и конце каждого i – го интервала скорости движения поезда, определяемого по зависимости V = f(S) при условии изменения интервала скорости ΔV ≤ 10 км/ч; WОН, WОК – соответствующие им силы основного сопротивления движению поезда, которые находим по диаграммам WО = f(V) или WО = f(S); WОср — среднее значение силы основного сопротивления движению поезда в каждом i – м интервале; ΔSi – путь, проходимый поездом при изменении скорости движения в каждом i – м интервале.
Источник
Урок по физике "Механическая работа"
Оборудование: деревянный брусок, динамометр, линейка, два металлических бруска, металлический цилиндр.
Ход урока
I. Орг. момент 2-3 минуты.
II. Анализ контрольной работы.
III. Изучение нового материала.
Структурная схема по теме “Механическая работа”.
1. Сила давления пороховых газов перемещает пулю.
2. Человек под действием силы перемещает шкаф
3. Сила тяги электровоза перемещает вагоны
А = F · S,где А – работа, F – сила, S – пройденный путь.
Работа зависит от силы и пройденного пути.
Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и прямо пропорциональна пройденному пути.
= Ньютон · метр = Н · м = Джоуль = Дж.
2.F и S направлены в разные стороны:
3.F + S (перпендикулярна)
2.Вычисление работы при подъёме материала в строительных организациях.
3.а) при поднятии груза совершается работа по преодолению силы тяжести;
б) при движении тела совершается работа по преодолению силы трения.
4.Привести свой пример.
Рассказ Что такое механическая работа? Понятие механической работы связано с перемещением тела под действием силы. Рассмотрим примеры механической работы.
Поезд движется под действием силы тяги электровоза, при этом совершается механическая работа. При выстреле из ружья сила давления пороховых газов совершает работу – перемещает пулю вдоль ствола, скорость пули при этом увеличивается. Человек под действием силы мышц перемещает шкаф. Из примеров видно, что механическая работа совершается, когда тело движется под действием силы. Если человек желает передвинуть шкаф, то он с силой надавливает на него, но, если при этом шкаф в движение не приходит, то механической работы человек не совершает. Или, если тело движется без участия сил (по инерции), в этом случае механическая работа также не совершается. Например, вода, падая с высоты совершает перемещение, но ни какая сила не толкает воду, она движется по инерции в поле тяготения Земли.
Чем большая сила действует на тело и чем длиннее путь, который проходит тело под действием этой силы, тем большая совершается работа.
Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и прямо пропорциональна пройденному пути.
Механическая работа – скалярная физическая величина, численно равная произведению силы на путь.
А = F · S, где А – работа, F – сила, S – пройденный путь.
За единицу работы принимают работу, совершаемой силой в 1 Н, на пути, равном 1 м. Единица работы – Джоуль (Дж) названа в честь английского ученого Джоуля. Т.о., 1 Дж = 1 Н· м.
Если направление силы совпадает с направлением тела, то данная сила совершает положительную работу, А = F · S.
Если же движение тела происходит в направлении противоположном направлению приложенной силы, то данная сила совершает отрицательную работу, А = – F · S.
Если направление силы, действующей на тело, перпендикулярно направлению движения, то эта сила работы не совершает, работа равна нулю т.е., А = 0.
IV. Демонстрация. Измерение механической работы.
Опыт 1. Измерение механической работы при перемещении бруска по поверхности стола.
Цель опыта: рассчитать механическую работу при движении тела по горизонтальной поверхности.
Отметить на столе расстояние 30 – 40 см, поставить указатели начала пути и конца. При помощи динамометра равномерно переместить брусок по столу между указателями. Определить действующую силу. Чему равна работа, которую совершили при перемещении бруска по столу?
Опыт 2. Измерение механической работы при подъёме тела.
Цель опыта: рассчитать механическую работу при подъёме тела.
Поставить металлический цилиндр на пол. Равномерно поднимать цилиндр с помощью динамометра на стол. Чему равна сила? Чему равна высота, на которую подняли цилиндр? Вычислить работу, которую совершили при подъёме цилиндра на стол.
V. Закрепление нового материала. Решение задач. (У доски решают трое учащихся).
Задача № 1. Выразите в джоулях следующие работы: 2 кДж, 0,4 мДж, 200 мДж.
(Ответ: 2 кДж = 2000Дж, 0,4 мДж = 0,0004 Дж, 200мДж = 0,2 Дж.
Задача № 2. Подъёмный кран поднимает автомобиль. Какую минимальную работу совершает кран при равномерном подъёме автомобиля массой 2000кг на высоту 12м?
Задача № 3. Насос каждую секунду подает 20л воды на высоту 10м. Какую механическую работу производит насос за 1 минуту?
VI. Итоги урока
VII. Домашнее задание
а) § 53, упр. 28 (1,3), составить таблицу ДЭЗ (доминирующие элементы знания) по теме “Механическая работа”.
Источник
Механическая работа: что это и как она используется?
Чтобы иметь возможность охарактеризовать энергетические характеристики движения, было введено понятие механической работы. И именно ей в её разных проявлениях посвящена статья. Для понимания тема одновременно и лёгкая, и довольно сложная. Автор искренне старался сделать её более понятной и доступной для понимания, и остаётся только надеяться, что цель достигнута.
Что называют механической работой?
Что же так называют? Если над телом работает какая-то сила, и в результате действия оной тело перемещается, то это и называется механической работой. При подходе с точки зрения научной философии здесь можно выделить несколько дополнительных аспектов, но в статье будет тема раскрыта с точки зрения физики. Механическая работа – это не сложно, если хорошо вдуматься в написанные здесь слова. Но слово «механическая» обычно не пишется, и всё сокращается до слова «работа». Но не каждая работа является механической. Вот сидит человек и думает. Работает ли он? Мысленно да! Но механическая ли это работа? Нет. А если человек идёт? Если тело перемещается под действием силы, то это механическая работа. Всё просто. Иными словами, сила, действующая на тело, совершает (механическую) работу. И ещё: именно работой можно охарактеризовать результат действия определённой силы. Так ечли человек идёт, то определённые силы (трения, тяжести и т.д.) совершают над человеком механическую работу, и в результате их действия человек меняет точку своего нахождения, другими словами перемещается.
Работа как физическая величина равняется силе, что действует на тело, множимой на путь, который совершило тело под влиянием этой силы и в направлении, указываемом ею. Можно сказать, что механическая работа была сделана, если одновременно было соблюдено 2 условия: сила действовала на тело, и оно переместилось в направление её действия. Но она не совершалась или не совершается, если сила действовала, а тело не поменяло свое местонахождение в системе координат. Вот небольшие примеры, когда механическая работа не совершается:
- Так человек может навалиться на огромный валун с целью сдвинуть его, но сил не хватает. Сила действует на камень, а он не перемещается, и работа не происходит.
- Тело движется в системе координат, а сила равняется нулю или они все компенсировались. Такое можно наблюдать во время движения по инерции.
- Когда направление, в котором двигается тело, перпендикулярно действию силы. Когда поезд двигается по горизонтальной линии, то сила тяжести свою работу не совершает.
Зависимо от определённых условий механическая работа бывает отрицательной и положительной. Так, если направления и силы, и движения тела одинаковы, то происходит положительная работа. Примером положительной работы является действие силы тяжести на падающую каплю воды. Но если сила и направление движения противоположны, то значит происходит отрицательная механическая работа. Примером уже такого варианта является поднимающийся вверх воздушный шарик и сила тяжести, которая совершает отрицательную работу. Когда тело поддаётся влиянию нескольких сил, такая работа называется «работой результирующей силы».
Особенности практического применения (кинетическая энергия)
Переходим от теории к практической части. Отдельно следует поговорить о механической работе и её использовании в физике. Как многие наверняка вспомнили, вся энергия тела делится на кинетическую и потенциальную. Когда объект находится в положении равновесия и никуда не движется, его потенциальная энергия равняется общей энергии, а кинетическая равняется нулю. Когда начинается движение, потенциальная энергия начинает уменьшаться, кинетическая расти, но в сумме они равняются общей энергии объекта. Для материальной точки кинетическую энергию определяют как работу силы, которая ускорила точку от нуля до значения Н, а в формульном виде кинетика тела равна ½*М*Н, где М — масса. Чтобы узнать кинетическую энергию объекта, который состоит из множества частиц, необходимо найти сумму всей кинетической энергии частиц, и это будет кинетическая энергия тела.
Особенности практического применения (потенциальная энергия)
В случае, когда все действующие на тело силы консервативны, и потенциальная энергия равняется общей, то работа не совершается. Этот постулат известен как закон сохранения механической энергии. Механическая энергия в замкнутой системе является постоянной во временном интервале. Закон сохранения широко используют для решения задач из классической механики.
Особенности практического применения (термодинамика)
В термодинамике работа, которую совершает газ при расширении, рассчитывают по интегралу умножения давления на объем. Такой подход применим не только в тех случаях, когда есть точная функция объема, но и ко всем процессам, что могут быть отображены в плоскости давление/объем. Также применяется знание о механической работе не только к газам, но и ко всему, что может оказать давление.
Источник
Механическая работа
Обычно словом «работа» мы называем действие человека или технического устройства. Например, мы говорим: работает плотник, работает холодильник, работает компьютер. В физике термин «работа» имеет более конкретный (определённый) смысл. Поясним это на нескольких примерах действия сил. Взгляните на рисунок.
Лошадь тянет телегу с некоторой силой, обозначим её Fтяги. Дедушка, сидящий на телеге, давит на неё с некоторой силой. Обозначим её Fдавл. Телега движется вдоль направления силы тяги лошади (вправо), а в направлении силы давления дедушки (вниз) телега не перемещается. Поэтому в физике говорят, что Fтяги совершает работу над телегой, а Fдавл не совершает работу над телегой.
Итак, работа силы над телом или механическая работа – физическая величина, модуль которой равен произведению силы на путь, пройденный телом вдоль направления действия этой силы:
| A = ± ( F||· l ) | A – механическая работа над телом, Дж F|| – сила, параллельная пути тела, Н l – пройденный телом путь, м |
В честь английского учёного Д.Джоуля единица механической работы получила название 1 джоуль (согласно формуле, 1 Дж = 1 Н·м).
Если на рассматриваемое тело действует некоторая сила, значит, на него действует некоторое тело. Поэтому работа силы над телом и работа тела над телом – полные синонимы. Однако, работа первого тела над вторым и работа второго тела над первым – частичные синонимы, поскольку модули этих работ всегда равны, а их знаки всегда противоположны. Именно поэтому в формуле присутствует знак «±». Обсудим знаки работы более подробно.
Числовые значения силы и пути – всегда неотрицательные величины. В отличие от них механическая работа может иметь как положительный, так и отрицательный знаки. Если направление силы совпадает с направлением движения тела, то работу силы считают положительной. Если направление силы противоположно направлению движения тела, работу силы считают отрицательной (берём «–» из «±» формулы). Если направление движения тела перпендикулярно направлению действия силы, то такая сила работу не совершает, то есть A = 0.
Рассмотрите три иллюстрации по трём аспектам механической работы.
Совершение силой работы может выглядеть по-разному с точек зрения различных наблюдателей. Рассмотрим пример: девочка едет в лифте вверх. Совершает ли она механическую работу? Девочка может совершать работу только над теми телами, на которые действует силой. Такое тело лишь одно – кабина лифта, так как девочка давит на её пол своим весом. Теперь надо выяснить, проходит ли кабина некоторый путь. Рассмотрим два варианта: с неподвижным и движущимся наблюдателем.
Пусть сначала мальчик-наблюдатель сидит на земле. По отношению к нему кабина лифта движется вверх и проходит некоторый путь. Вес девочки направлен в противоположную сторону – вниз, следовательно, девочка совершает над кабиной отрицательную механическую работу: Aдев < 0. Вообразим, что мальчик-наблюдатель пересел внутрь кабины движущегося лифта. Как и ранее, вес девочки действует на пол кабины. Но теперь по отношению к такому наблюдателю кабина лифта не движется. Поэтому с точки зрения наблюдателя в кабине лифта девочка не совершает механическую работу: Aдев = 0.
Источник
detector