Заядлым и начинающим автомобилистам рекомендую прочесть эту статью до конца - это позволит задуматься над теми вопросами, над которыми вы обычно не задумывались ранее. Позволит взглянуть на многие сложившиеся стереотипные представления другими глазами... Причем это - только начало, впереди вас ожидают куда как более интересные откровения...
Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив. d-pi@yandex.ru
Я уже писал про глупость догматов и формул из школьных учебников физики при определении мощности, в частности, на примере "зависшего вертолёта в статье "Мощность. Глупость школьной физики."
Насколько я понял, никто из читателей так и не смог правильно определить мощность двигателей зависшего вертолёта, опираясь на формулы из школьных учебников физики. Наиболее смышлёные граждане пытались определить мощность двигателей вертолёта, исходя из того, что полезная работа, выполняемая вертолётными двигателями, заключается не в создании подъёмной силы, равной силе тяжести, действующей на вертолёт в течение всего времени его зависания (что мне представляется наиболее логичным пониманием полезной работы), а, опираясь на забетонированные в из головёнках стереотипы, пытаясь определить полезную работу вертолёта из формулы A = F*S*cos(alpha), доставшейся в наследство человечеству с тех времён, когда многие естествоиспытатели (сейчас их называют физиками, химиками и т.д.) считали, что Земля - она плоская, так вот, наиболее смышлёные граждане пытались представить, что полезная работа вертолётных двигателей заключается в создании потока окружающего воздуха вниз, т.е. принижали вертолёт до уровня самого обычного офисного вентилятора или фена для сушки волос. Количественного решения (определить мощность вертолёта, точнее, вертолётных двигателей) никто из более чем 18-ти тысяч читателей так и не предоставил, хотя вроде бы как были попытки.
Если у кого из читателей есть количественное решение задачи про вертолёт. пожалуйста, пришлите это решение мне на e-mail, и я его опубликую со временем - со своими комментариями и замечаниями. А то заниматься поисками пары зёрен среди тонн плевел и откровенного тупого флуда мне не хочется.
Кстати, если кто и смог решить задачи из статьи "Мощность. Глупость школьной физики", было бы недурственно представить и решение задачи из статьи "Глупости школьной физики. Разрушаю стереотип о различии "настоящей" и "бытовой" физики"
Возможно, "вертолётная тема" сложна для многих читателей, поэтому я решил разобрать сейчас более простые, более "приземлённые" задачи - про автомобили. Тем более в Интернетах пишут, что:
и вдобавок что
Количество автомобилей в Российской Федерации перевалило за отметку 300 штук на 1000 жителей, включая молодёжь возрастом до 18 лет, когда появляется возможность получить первые водительское удостоверение и людей, которые не могут быть допущены к управлению автомобилем (средством повышенной опасности) по своему физическому или психологическому состоянию.
Все владельцы автомобилей исправно платят транспортный налог, который высчитывается исходя из мощности автомобиля. В Питере для легковых автомобилей с мощностью двигателя от 101 до 150 "лошадок" (наиболее массовый сегмент, как я полагаю) транспортный налог составляет 35 рублей в год за одну лошадиную силу. Снаряжённая масса этого сегмента автомобилей - примерно 1,5 тонны (1500 кг).
То есть мощность автомобиля - это довольно важная характеристика, которая залезает и в наши кошельки.
Давайте же попробуем определить мощность наших "железных коней", пользуясь знаниями, полученными на школьных уроках физики, опираясь на формулами из школьных учебников:
РАБОТА
Учебник "Физика, 10 класс", автор - В.А. Касьянов, 2005 год. §30 "Работа силы". Работа - скалярная величина, равная произведению проекции силы на ось Х на перемещение по этой оси A = F_x * Δx. Единица работы - Джоуль (Дж). 1 Дж = 1 кг*м²/с². 1 Дж - работа, совершаемая силой 1 Н при перемещении на 1 метр.
Учебник "Физика, для 10 класса общеобразовательных учреждений". Авторы - Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский, 2008 год. §43 "Работа силы". Работа силы равна произведению модулей силы и перемещения точки приложения силы и косинуса угла между ними - A = F |Δr| cosα
МОЩНОСТЬ
Учебник Касьянова. §34 "Мощность". Скорость совершения работы характеризуют физической величиной, называемой мощностью. Средняя мощность - скалярная физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, за который она совершена. P_ср = A / t.
Учебник Мякишева, Буховцева, Сотского. §44 "Мощность". ...Наряду с работой вводят величину, характеризующую быстроту, с которой она производится, - мощность. Мощностью называют отношение работы A к
интервалу времени Δt, за который эта работа совершена. N = A / Δt.
Предположим, мы едем на своем "железном коне, который пришёл на смену крестьянской лошадке" по ровной горизонтальной дороге с постоянной скоростью (рис. 1). Как известно, движущая сила (F), создаваемая двигателем, расходуется в этом случае на преодоление сил сопротивления движению (R), которая слагается из разнообразных сил трения (Rтр), силы на преодоление подъёмов (Ri) и силы сопротивления воздуха (Rв), т.е. F = R
На горизонтальной дороге Ri = 0, и при скорости движения автомобиля до 60 км/час сила сопротивления воздуха Rв настолько невелика, что её можно не учитывать в практических расчётах (давайте не будем учитывать силу сопротивления воздуха и при 80 км/час, это максимальная скорость, которую можно развить на отдельных дорогах в городской черте). Тогда R = Rтр.
Пока что в этом варианте задачи предположим. что мы имеем некий "идеальный" автомобиль, у которого силы трения не зависят от скорости движения автомобиля.
F₂ = ma₂ = 1500×0,40 = 600 Н
Хочу отметить, что так как синяя линия изменения скорости при пассивном торможении автомобиля без размыкания сцепления на графике в статье "Практическое занятие №2" имеет тренд, соответствующий линейному уравнению y = ax+b, то предположение, что силы трения, препятствующие движению автомобиля, действительно не слишком-то серьёзно зависят от скорости автомобиля.
Вооружившись этими фактами и обложившись школьными учебниками физики, приступим к определению мощности двигателя автомобиля, для чего рассмотрим 4 задачи с единственным вопросом - чему равна мощность автомобиля при его равномерном движении со скоростью 20, 40, 60 и 80 км/час (см. рис. 2, 3, 4 и 5) ?
Итак, из школьных учебников физики мы знаем, что мощность - это работа в единицу времени, т.е. мощность - это работа, которую выполнит автомобиль за 1 секунду. Тогда, согласно школьных учебников, учитывая, cos(alpha) = 1 и что F = 600 ньютонов, получаем:
При скорости 20 км/час = 5,55 м/с: N(20) = 600 Н * (5,55 м/с * 1 с) / 1 с = 3330 ватт.
У нас в России 1 лошадиная сила равна 735,5 Вт.
Тогда N(20) = 3330 Вт / 735,5 Вт = 4,53 лошадиных силы. Всего-то?
Постойте-ка, постойте-ка, а за что мы тогда платим по 4- 5 тысяч рублей в качестве транспортного налога? Вспомним также, что двигатели мощностью до 100 л.с. (включительно) оцениваются по другой шкале, по 24 рубля за одну "лошадь".
Давайте подсчитаем мощность в остальных трёх случаях:
N(40) = 600 Н * (11,11 м/с * 1 с) / 1 с = 6660 Вт / 735,5 Вт = 9,06 л.с.
N(60) = 600 Н * (16,67 м/с * 1 с) / 1 с = 10002 Вт / 735,5 Вт = 13,6 л.с.
N(80) = 600 Н * (22,22 м/с * 1 с) / 1 с = 13332 Вт / 735,5 Вт = 18,13 л.с.
Постойте-постойте, максимальная скорость, которую сегодня можно развить в РФ - на автомагистралях, равна 110 км/час, + 20 км/час нештрафуемых, всего 130 км/час. Если не учитывать "создание ветра", т.е. преодоление силы сопротивления воздуха, то получим, что мощность двигателя в этом случае возрастёт лишь до
N(130) = 600 Н * (36,11 м/с * 1 с) / 1 с = 21666 Вт / 735,5 Вт = 29,46 л.с.
Так за что же Вы платите от 4 до 5 тыс. руб, граждане?
30 л.с. * 24 руб = 720 рублей - в самом крайнем случае. Или налоговики в Российской Федерации не знакомы со школьной физикой?
Вас явно кто-то жестоко обманывает - либо государство со своим транспортным налогом, либо выпущенные под надзором того же государства школьные учебники физики? (За меня можете не беспокоиться, я - военный пенсионер, а, согласно наших местных питерских законов, если автомобиль изготовлен на территории РФ, и его паспортная мощность не превышает 150 лошадей, то транспортный налог с таких бедолаг не снимается. А мой "железный конь" хоть и был изготовлен на заводе в польском городе Гливице, судя по многочисленным бирочкам под капотом и первый VIN, данный ему при рождении, но ведь родные 16"-ые копыта, пардон, колёса заменили на более подходящие для российских ям 15"-ые на заводе "АвтоТОРТ" в Калининграде - и поэтому мой автомобиль получил настоящий российский паспорт уроженца России и российский VIN)
Что мы имеем "в сухом остатке"?
Что, согласно школьных учебников, мощность автомобиля существенно возрастает (линейно) в зависимости от скорости движения, хотя движущая сила остаётся прежней (при скоростях до 60 км/час). Влияние сопротивления воздуха я разберу позже, сначала читатели должны "переварить" эту информацию, и вновь перечесть материалы "Практического занятия №1" и "Практического занятия №2"
Подождите, но движущая сила автомобиля - одинакова, а мощность с 20 км/час до 80 км/час увеличилась аж в 4 раза. Как же так? Ведь естественно предположить, что если движущая сила, создаваемая двигателем - одна и та же - то и мощность вроде бы как должна быть одинаковой? Прошу толковых и уверенных в своих знаниях читателей попытаться разъяснить этот парадокс другим (и мне в том числе). :)
Далее, если создаваемая двигателем "движущая сила" одинакова при разных скоростях, то и расход топлива, по идее, должен бы быть одинаков - ведь именно так происходит в случае применения для движения реактивных ракетных двигателей - у которых тяга (движущая сила) зависит лишь от расхода топлива и внешнего давления. В случае движения по горизонтальной поверхности внешнее (атмосферное) давление не меняется.
Тогда, теоретически, на преодоление 100 километров на скорости 80 км/час потребуется в 4 раза меньше энергии (топлива) чем при движении со скоростью 20 км/час. Что я и показал как можно нагляднее и доходчивее в статье про Решение транспортной задачи. Кстати, движущая сила, создаваемая двигателем, остаётся практически неизменной, поэтому работа, согласно допотопной формулы A = F*S*cos(alpha) - тоже... а энергии (топлива) при движении со скоростью 20 км/час затрачивается в 4 раза больше. Что-то происходит с КПД двигателя автомобиля?
Но на практике мы сталкиваемся с совершенно другим эффектом - при увеличении скорости обычно расход топлива на 100 км существенно увеличивается. Неужто всё дело в увеличении сопротивления воздуха? как Вы думаете, уважаемые читатели? А может, проблема в чём-то другом?
Пишите, мне интересно знать представления читателей о физике, и узнать, что именно Вы вынесли с уроков физики - чтобы понять, нужны ли такие уроки подрастающему поколению?
Ну и - ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ, ЧТОБЫ НИЧЕГО НЕ ПРОПУСТИТЬ
На этом канале Вас ожидает еще немало "открытий чудных", которые будут один за другим рушить отлитые в граните в Ваших головах ошибочные стереотипы и неверные догматы.