Коэффициент полезного действия

Физика · 7 класс. Изучите схему, разберите примеры и проверьте себя.

Полезная и затраченная работа

Полезной называют работу, ради которой применяют устройство. При равномерном подъёме самого груза Aпол = mgh. Затраченная работа учитывает весь внешний вклад, например работу постоянной тяги Fs. При трении и подъёме частей механизма часть затрат не относится к выбранному полезному действию.

Определение КПД

Коэффициент полезного действия η = Aпол/Aзатр. Отношение безразмерно; для записи в процентах его умножают на 100%. Если полезная работа 80 Дж, затраченная 100 Дж, η = 0,8 = 80%. Нельзя поменять числитель и знаменатель: результат 125% здесь означал бы ошибку.

Полезная работа по КПД

Из определения Aпол = ηAзатр, где η записан долей. При КПД 60% используют 0,6. Если затрачено 2 кДж, то Aпол = 0,6 × 2000 = 1200 Дж. Оставшиеся 800 Дж не входят в полезную работу. В модели без иных изменений энергии они соответствуют потерям.

Затраченная работа по КПД

При η > 0 затраченная работа Aзатр = Aпол/η. Груз 8 кг равномерно подняли на 3 м, g = 10 Н/кг, КПД 60%. Aпол = 8 × 10 × 3 = 240 Дж. Aзатр = 240/0,6 = 400 Дж. Деление на долю меньше единицы даёт затраченную работу больше полезной.

Потери и сравнение

В простой модели Aзатр = Aпол + Aпот. При КПД 80% потери составляют 20% затраченной работы, а не 20% полезной. Идеальный механизм без потерь и с полностью полезным выходом имеет КПД 100%; реальный механизм с потерями — меньше 100%. Больший выигрыш в силе сам по себе не означает большего КПД.

Как улучшить результат

Уменьшают трение смазкой и подходящими подшипниками, сокращают ненужную массу подвижных частей. Это не отменяет золотое правило: полезная работа не превышает полных затрат при отсутствии постороннего источника энергии. Для честного сравнения устройств выбирают одно полезное действие и одинаково учитывают все затраты.

Проверьте себя