Закон сохранения механической энергии - Моделирование процесса забивки сваи на копровой установке
Полная механическая энергия системы - энергия механического движения и взаимодействия:
E=T+П (18)
Т. е. равна сумме кинетической и потенциальной энергией.
З-н сохранения энергии - результат обобщения многих экспериментальных данных. Идея этого з-на принадлежит М. В. Ломоносову, изложившему з-н сохранения материи и движения, а количесивенная формулировка з-на сохранения энергии дана намецким врачом Ю. Майером и немецким естествоиспытателем Г. Гельмгольцем.
Для системы материальных точек, на которые кроме внутренних сил взаимодействия действуют внешние силы, можно показать, что работа внешних неконсервативных сил, действующих на систему, равна изменению полной механической энергии системы, т. е.
D(T+П)=dA (19)
При переходе системы из одного состояния 1 в какое-либо состояние 2
(20)
Т. е. изменение полной механической системы при переходе из одного состояния в другое равно работе, совершенной при этом внешними неконсервативными силами. Если внешние неконсервативные силы отсутствуют, то из (13) следует, что
D(T+П)=0 (21)
Откуда
T+П=E=const (22)
Т. е. полная механическая энергия системы тел сохраняется постоянной. Выражение (22) представляет собой закон сохранения полной механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется со временем.
Механические системы На тела которых действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называют консервативными системами. З-н сохранения механической энергии можно сформулировать так : в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется.
З-н сохранения механической энергии связан с однородностью времени. Однородность времени проявляется в том, что физические з-ны инвариантны относительно выбора начала отсчета времени. Например при свободном падении тела в поле сил тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать.
Существует еще один вид систем - диссипативные системы, в которых механическая энергия постепенно уменьшается за счет преобразования в другие (немеханические) формы энергии. Этот процесс получил название диссипации (или рассеяния) энергии. Строго говоря все системы в природе являются диссипативными.
В консервативных сиcтемах полная механическая энергия остается постоянной. Могут
Происходить лишь превращения кинетической энергии в потенциальную энергию и обратно в эквивалентных количествах так, что полная энергия остается неизменной. Этот з-н есть просто з-н количественного сохранения энергии, а з-н сохранения и превращения энергии, выражающий и качественную сторону взаимного превращения различных форм движения друг в друга. З-н сохранения и превращения энергии - фундаментальный з-н природы, он справедлив как для систем макроскопических тел, так и для систем микротел.
В системе, в которой действуют также неконсервативные силы, например силы трения, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следовательно, в этих случаях з-н сохранения механической энергии несправедлив. Однако при "исчезновении" механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом и заключается физическая сущность з-на сохранения и превращения энергии - сущность неуничтожимости материи и ее движения.
2. Экспериментальная часть
Внешний вид установки приведен на рис.2. На горизонтальной подставке 2 установлена вертикальная стойка 9. Четыре ножки-винта 1 позволяют выставить подставку в горизонтальном положении. На подставке жестко закреплен полый цилиндр 3. В цилиндр помещен второй цилиндр 4 из текстолита, разрезанный на две половины. На оси 7 располагается тонкий стержень с упором 5. На стержне находится груз 6, который может свободно перемещаться. Упор давит на правую половину цилиндра, поджимая ее к левой половине, между которыми находится металлический стержень 8 с головкой. Величину сжатия стержня можно регулировать, передвигая груз 6. В верхней части стойки 9 находится кронштейн 15. Между цилиндром 3 и кронштейном 15 расположены два вертикал. стержня 10, между которыми может свободно перемещаться груз12, средняя часть которого изготовлена из стали, а внешняя - из текстолита. В нижней части груза закреплен указатель 11. На стержнях под кронштейном находится электромагнит 13, который фиксируется с помощью винта 14. Электропитание на электромагнит подается через выключатель, расположенный на подставке. На стержнях 5 и 10 нанесены деления с шагом 1 см.
Рис.3
Разрезанный цилиндр 4 имитирует грунт, стержень 8 - сваю, а груз 12- "бабу" копра. Величину сопротивления грунта меняют, перемещая груз 6 по стержню. В работе измеряют сопротивление, которое оказывает грунт при забивке сваи.
В основе измерений лежат з-ны сохранения импульса и механической энергии системы тел. При падении груза, с некоторой высоты его потенциальная энергия превращается в кинетическую, часть которой при ударе груза о сваю расходуется на совершение работы для забивки стержня-"сваи" в "грунт", а другая часть превращается в тепло (при этом повышается температура системы). Стержень и груз изготовлены из материалов, обеспечивающих практически неупругий удар.
Обоснуем возможность применения з-нов сохранения для решения данной задачи. Строго говоря, система : груз-стержень-цилиндр, не является замкнутой. На нее действует из вне сила тяжести (M+m)g (M-масса стержня с цилиндром, m-масса груза) и исла реакции платформы N, на которой стоит цилиндр (см. Рис.4). Во время удара гуза вторая сила в той или иной степени будет превышать первую и к рассматриваемой системе будет приложена из вне равнодейсвующая R=N-(M+m)g. Однако силы ударного взаимодействия тел весьма велики. Очевидно, условие предполагает, что по сравнению с этими силами величиной R можно пренебречь, и, таким образом, считать систему замкнутой.
На соновании з-на сохранения энергии можно утверждать, что энергия, затраченная на забивку, равна разности значений кинетической энергии системы до и после удара. Т. к. во время удара изменяется только кинетическая энергия (незначительным перемещением тел по вертикали во время удара мы пренебрегаем), то вырвжение для энергии, затраченной при ударе на "забивку" стержня,
(23)
Где v - скорость груза в момент удара о стержень, а v' - общая скорость всех тел системы после неупругого удара. Ее найдем на основании закона сохранения импульса:
(24)
Рис.4
Подставив в формулу (23) значение v', найденное из уравнения (24), получим
(25)
Скорость груза в момент удара может быть найдена из з-на сохранения энергии. Если считать, что трение между грузом и направляющими стержнями осутствует, то потенциальная энергия груза, поднятого на высоту H над "сваей", при движении груза вниз перейдет полностью в кинетическую энергию:
(26)
Где H - высота падения груза и
(27)
Так как начальная скорость груза равна нулю.
Похожие статьи
-
Кинетическая энергия Кинетическая энергия тела является мерой его механического движения и определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы...
-
Для вывода закона сохранения импульса рассмотрим некоторые понятия. Совокупность материальных точек (тел), рассматриваемых как единое целое, называются...
-
Работа и энергия - Моделирование процесса забивки сваи на копровой установке
Энергия - универсальная количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. С различными формами движения материи связывают различные формы...
-
Гидро - и геотермальная энергия - Ресурсосбережение в строительстве
Архитектурные и конструктивные приемы проектирования зданий с использованием гидротермальной и геотермальной энергии Гидротермальная и геотермальная...
-
Подбор молота для погружения свай - Проект девятиэтажного жилого дома со встроенными помещениями
От правильности выбора дизель - молота зависит успешное погружение свай в проектное положение. В первом приближении дизель - молот можно подобрать по...
-
Подбор молота для погружения свай - Девятиэтажный жилой дом со встроенными помещениями
От правильности выбора дизель - молота зависит успешное погружение свай в проектное положение. В первом приближении дизель - молот можно подобрать по...
-
Стационарный подъемник - подъемник, устанавливаемый стационарно возле возводимого сооружения и перебазируемый с разборкой на узлы. Подъемник с креплением...
-
Соблюдение каких правил и законов, использование каких тайных знаний помогает дизайнеру по ландшафту создавать рукотворные шедевры при работе с...
-
К возобновляемым источникам энергии, многие из которых имеются практически повсеместно и в разных масштабах используются в современном строительстве,...
-
Геометрическая неизменяемость ферм - Стальные строительные конструкции
Для обеспечения геометрической неизменяемости необходимо, во-первых, чтобы связей, наложенных на перемещение узлов фермы было достаточно, во-вторых,...
-
Энергия ветра - Ресурсосбережение в строительстве
Ветер традиционно учитывают в градостроительном, архитектурном и теплотехническом аспектах проектирования зданий. Расчетными факторами являются скорость...
-
От правильности выбора дизель - молота зависит успешное погружение свай в проектное положение. В первом приближении дизель - молот можно подобрать по...
-
В процессе производства железобетонных изделий используется бетон и арматура. Бетон создан специально для нужд строительства и производится только для...
-
Солнечная энергия - Ресурсосбережение в строительстве
Солнечная энергия, а также солнечное излучение, аккумулированное в виде тепла в окружающей среде, являются одним из дополнительных энергетических...
-
Если присмотреться к объектам, которые нас окружают, то можно заметить, что многие из них обладают осевой симметрией. Например, плафон люстры, тарелки,...
-
К возобновляемым источникам энергии, многие из которых имеются практически повсеместно и в разных масштабах используются в современном строительстве,...
-
Процесс изготовления керамзитобетонной смеси - Расчет производства керамзитобетонных панелей
Керамзитобетонная смесь приготовляется в смесителях принудительного перемешивания, не допускающих разрушения зерен керамзита и изменения их...
-
Выбор, обоснование и описание принятой схемы технологического процесса - Теплоизоляция пенобетона
Технологическим процессом называют процесс обработки сырья и полуфабрикатов до получения готовых материалов или изделий. Производство пеноблока...
-
Портландцемент самоотвердевание строительный Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением...
-
Тепловлажностная обработка в автоклаве заключается в медленном подъеме давления и соответственно температуры до максимального значения, выдержке...
-
Все монтажные работы связаны с использованием различного рода монтажных механизмов, которые в зависимости от выполняемых работ подразделяются на основные...
-
Мероприятия по экономии электрической энергии Экономия электроэнергии в трансформаторах. Потери электроэнергии в трансформаторах являются неизбежными,...
-
Особенности бетонирования в зимний период. - Технология и организация строительных процессов
Возведение монолитных железобетонных сооружений в настоящее время осуществляют круглогодично. Но при этом бетонирование в зимних условиях имеет...
-
Подбор средств водопонижения - Технология строительных процессов
При производстве строительных работ нулевого цикла необходимо, чтобы дно котлована было защищено от грунтовых вод. Для этой цели используют открытый...
-
Геометрические элементы автомобильных дорог - Автомобильная дорога как инженерное сооружение
Геометрические элементы автомобильных дорог определяются расчетной скоростью движения одиночных автомобилей при условии нормального сцепления колес с...
-
Любая задача расчета имеет три стороны: статическую (или динамическую), геометрическую и физическую. Статическая (динамическая) сторона задачи...
-
Устройство набивных свай - Устройство набивных свай
Устройство набивных свай можно разделить на шесть основных групп. В первые три группы входят те виды набивных свай, для устройства которых скважины...
-
Виниловый сайдинг производится методом экструзии. Суть этого метода состоит в том, что расплавленный компаунд, состоящий из винилового порошка (пудры) и...
-
Планировочное решение - Реконструкция как часть строительного процесса
Планировочное решение - это решение, на основе которого принимается тот или иной состав и размеры помещений. Дом находиться в Рязанской области,...
-
Основные процессы производства тяжелого бетона Производство тяжелых бетонов Пропорции для производства тяжелого бетона могут отличаться друг от друга в...
-
Активные и пассивные системы - Современные энергоактивные дома
Гелеоактивные здания. Принципиальные отличия активных и пассивных средств (или систем) можно обозначить несколькими примерами основных средств для сбора...
-
Для районов распространения многолетней мерзлоты характерно: Определенное строение толщ горных пород, обусловленное появлением в них льда (как породы) в...
-
Выбор рационального проекта электрооборудования производится по минимуму приведенных затрат, а также по техническому уровню, надежности и удобству...
-
Насосные установки., Характеристики насосных станций. - Назначение и виды насосных станций
Основным энергетическим элементом насосных станций является насосная установка, содержащая один или несколько насосов, всасывающую и нагнетательную...
-
Газовые установки, Порошковые и аэрозольные установки - Планирование помещений питания при гостинице
В данном случае кислород вытесняется углекислым газом (СО2), в результате горение прекращается. Поскольку углекислый газ по своим свойствам тяжелее...
-
Водяные установки, Пенные установки - Планирование помещений питания при гостинице
Проще говоря, это тушение пожара водой. Этот способ считается наиболее дешевым и безопасным для здоровья человека. Логично, что в помещениях,...
-
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ ГОРЕНИЯ - Пожарная безопасность в строительстве
Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества с окислителем, он сопровождается выделением большого количества...
-
Критерии оценки экологических и энергетических характеристик жилых и общественных зданий (концепция зеленого строительства) Приведены основные положения...
-
Трехрядная перевязка, Кладка стен и углов - Техника и технология каменной кладки
Трехрядная система перевязки является разновидностью многорядной системы и используется большей частью при кладке узких столбов (рис. 3) и простенков....
-
Назначение и виды насосных станций - Назначение и виды насосных станций
Насосные станции представляют собой сложный электрогидравлический технический комплекс сооружений и оборудования, в котором осуществляется преобразование...
Закон сохранения механической энергии - Моделирование процесса забивки сваи на копровой установке