сти. Действие этой силы на свободное тело выражается в том, что тело падает на землю с равномерно увеличивающейся скоростью.

Приращение скорости, отнесенное к промежутку времени, за который оно произошло, называется ускорением:

скорость в конце-скорость в начале

ускорение--------,

и г промежуток времени

Если поезд, двигаясь равномерно-ускоренно, за 10 сек увеличил свою скорость с 7 до 12 л/сек, то его ускорение в это время было:

12 м1 сек - 7 м/сек r , 2 ---1-=0,5 м сек*.

1 ) при-

10 сек

Ускорение и сила. Ускорение, сообщаемое свободно падающему телу силой тяжести, почти неизменно во всех точках земного шара и составляет 9,81 м/сек за 1 сек, или 9,81 м/сек2. Если приложить к телу другую силу, кроме силы тяжести, го его ускорение изменится, так как изменится действующая на него сила. Например, ускорение парашютиста, падающего с открытым парашютом, много меньше, чем 9,81 м/сек2, так как на него, кроме силы тяжести, действует еще тормозящая сила сопротивления воздуха, которая вычитается из силы тяжести. На этом и основано применение парашюта: сопротивление воздуха раскрытому парашюту очень велико. Особенно наглядно это проявится при затяжном прыжке.

Если величина приложенной силы больше, чем сила тяжести, и направлена не к земле, как она, а от земли, то тело начнет подыматься с ускорением. Например, воздушный шар или груз, поднимаемый краном. /

Измерение силы. Уже говорилось, что сила пропорциональна ускорению, т. е. чем больше ускорение тела, тем больше сила, вызывающая это ускорение.

Так же как путь может служить мерой совершенной работы при постоянной приложенной силе, так же ускорение тела может быть мерой силы, приложенной к нему. Но для этого нужно, чтобы тело было все время одно и то же, так как ясно, что если мы сообщим одинаковые ускорения пустой тележке и тележке с грузом, то в первом случае потребуется гораздо меньшая сила. Следовательно, вторым

множителем пропорциональности в нашей формуле для силы будет масса материи, которой сообщено ускорение, или просто масса:

сила=масса X ускорение. Это основной закон механики, и он называется по имени первые точно сформулировавшего его ученого вторым законом Ньютона (из трех основных законов, сформулированных им).

Масса. Наряду с законом сохранения энергии существует закон сохранения массы. Он говорит, что убыль массы одного тела может происходить только за счет увеличения массы другого или за счет дробления тела, а увеличение- только за счет превращения нескольких тел в одно тело или убыли массы другого тела.

Таким образом, масса тела, есть мера содержания вещества в нем. Узаконенной в СССР единицей массы является килограмм. С очень большой точностью килограмм равен массе одного литра дистиллированной (очищенной) воды при температуре +4° стоградусной шкалы. Тысяча килограммов составляет тонну. Система МКС Система единиц, включающая массу - килограмм , называется МКС по первым буквам основных независимых единиц этой системы: Метр (единица длины). Килограмм (единица массы). Секунда (единица времени). Сила. В системе МКС единица силы - 1 ньютон. Один ньютон (н) - это такая сила, которая сообщает ускорение 1 м/сек2 (метр в секунду за секунду) массе в один килограмм.

Масса и вес. Мы предостерегаем читателя от путаницы между массой и весом (силой), так как в любом техническом или физическом расчете это приводит к ошибке.

Этой путанице способствует то, что единица массы и Другая единица - единица силы носят одно название - килограмм.

Сила в 1 кГ *-это сила тяжести, действующая на массу в 1 кг, и, следовательно, она в 9,81 раза больше ньютона, так как сообщает массе в 1 кг ускорение Ьм/сек2, а не 1 м/сек2.

чают тоы Различить эти единицы говорят килограмм-сила и обозна-т ее кГ и килограмм-масса (кг).

Вес-это сила тяжести, приложенная к массе, и его нельзя отождествлять с массой. Снаряд, отправленный с Земли на Луну, сохраняет неизменной свою массу, в то время как его вес изменится (как?).

1-3. ИЗМЕРЕНИЕ РАБОТЫ

Теперь вернемся к измерению работы. Мы установили (§ 1-1), что работа равна произведению силы и пути. В свою очередь (§ 1-2) сила равна произведению массы и ускорения. Но так как обычно мы легко можем измерить силу непосредственно, то формулой

пожалуй, чаще всего пользуются для подсчета работы.

Мы тянем тележку по рельсам. Пружинный динамометр (прибор для измерения силы) показывает, что приложена сила, равная 25 н, а прикладывая рулетку к рельсам между точкой начала и точкой конца, мы измеряем пройденный путь и находим, что он равен 4 м. Тогда совершенная работа будет:

25 -4ж=:100 ньютонометров = 100 джоулей. Так мы познакомились с единицей измерения работы.

Работа силы в один ньютон на пути в один метр называется джоулем (дж).

Однако джоуль - это очень малая единица работы. Взрослый человек, поднявшийся на одну ступеньку, совершает работу по подъему своего тела, равную 170 дж. Поэтому наравне с джоулем употребляется единица, в 1 ООО раз большая, 1 килоджоуль. Положим теперь, что мы подняли массу в один килограмм на высоту одного метра. Мы совершили работу против силы тяжести, равной 9,81 ньютона, и она равна 9,81 дж.

/С другой стороны, взяв за единицу силы 1 кГ, мы увидим, что именно такая сила была приложена к телу с массой 1 кг для преодоления земного притяжения и, таким образом, работа этой силы может быть принята равной 1 кГ. м-.

Один килограммометр равен 9,81 джоуля.

Мы советуем всегда переводить килограмм-силу в ньютоны и килограммометры в джоули. Преимущество кило-20

граммометров и сил, выраженных в килограммах, весьма призрачно. Они упрощают расчеты лишь в тех случаях, когда мы интересуемся силами тяжести и их работами. Но при переходе к любой другой силе пользование такой системой очень усложняет и запутывает всю картину. Происходит это потому, что за единичное ускорение выбрано ускорение силы тяжести 9,81 м/сек2. Последнее обстоятельство позволяет легко оперировать в области сил тяжести и вносит большие затруднения во всех остальных случаях.

Другие виды работы. Работа не обязательно связана с перемещением тел. Иными словами, работа не всегда бывает механической работой. Мы видели в первом параграфе, что энергия сожженного бензина перешла в механическую энергию и была истрачена в процессе работы поднятия груза. Эта же энергия могла быть употреблена, скажем, на согревание воды. А горячая вода могла снова отдать свою энергию какой-либо механической системе (с этим процессом мы сталкиваемся в паровых двигателях). Следовательно, при нагревании воды совершается некоторая работа. Такие примеры наводят на мысль о гом, что тепловая энергия (или работа) может быть тоже подсчитана и измерена и, что очень важно, поддается сравнению с механической работой.

Мерой тепловой энергии служит количество теплоты, нагревающей массу воды в 1 грамм на 1° стоградусной шкалы. Такая единица называется калорией.

1 ООО калорий составляет 1 килокалорию.

I килокалория нагреет на 1° тысячу граммов воды или на 10° сто граммов воды.

Содержание энергии в топливе определяется его теплотворной способностью, выражаемой количеством калорий ьа единицу массы, т. е. способностью нагреть при сгорании До определенной температуры некоторое определенное тело. Так, например, сжигая 1 кг нефти, освобождают энергию в 10 000 килокалорий, сжигая 1 кг каменного угля - ООО килокалорий и т. п.

Эквиваленты. Сравнивая механическую и тепловую работу,- нагревая воду при помощи трения и измеряя меха-ническую работу, потребную для получения некоторого количества тепла, - нашли, что 1 джоуль превращается

в 0,239 калорий и, следовательно, 1 калория переходит в 4,128 дж.

Таким образом, 1 калория равна или эквивалентна 4,128 дж.

Соответственно 1 дж = 0,239 кал.

Пример. Покажем на примере, как производится такой подсчет. Работая против сил трения (скажем, двигая товарные вагоны по рельсам) на пути в 100 м, совершим работу в 1 ООО килоджоулей. Вся работа перешла в тепло (нагрелись буксы вагонов, нагрелись рельсы и ободья колес). Если бы вся эта тепловая энергия была собрана (она рассеялась в нашем, примере) и употреблена на нагревание воды, то мы могли бы вскипятить некоторое количество воды. Подсчитаем, сколько воды можно было бы вскипятить:

1 ООО кдж X 0,239 кал/дж = 239 килокалорий,

т. е. затраченная энергия в 1 ООО кдж, выраженная в тепловых единицах, составит 239 ккал.

Чтобы вскипятить 1 кг воды, мы должны поднять ее температуру от 20° (комнатная температура) до 100°, т. е. нагреть ее на 100°-20°= = 80°, т. е. потратить на это 80 калХ\ 000 = 80 килокалорий Значит, собрав все тепло, рассеянное в процессе, мы могли бы вскипятить 239:80 3 кг воды (знак означает: приблизительно равно ),

В заключение отметим, что основная задача энергетической техники состоит в том, чтобы путем самых многообразных превращений энергию, полученную от какого-то природного источника - энергию падающей воды, энергию любого вида топлива, энергию солнечных лучей (первоисточник почти всех запасов энергии, которыми обладает человечество), наконец, стоящий сейчас на очереди источник энергии - энергию внутренних связей материи (так называемая атомная энергия) - перевести эту энергию в такую форму, которая окажется наиболее удобной и выгодной с точки зрения ее практического приложения в каждом отдельном случае.

Один пример такого процесса мы разобрали (работа подъемника). Читатель может сам придумать и разобрать еще ряд примеров.

1-4. МОЩНОСТЬ

Грузчик употребит целый день на то, чтобы поднять на четвертый этаж 2 тонны кирпича, а мощный подъемник легко сделает то же самое за 15 мин. Между тем грузчик и подъемник совершили одну и ту же работу.

Чайник воды, поставленный на керосинку, закипит через час. На газовой горелке он вскипит в 10 мин. Работа совершена одна и та же. 22

Ясно, что ни одно из введенных до сих пор понятий не характеризует разницы между такими процессами. Мы нуждаемся в новой характеристике процесса, которая установит, за сколько времени может быть совершена одинаковая работа.

Если одна и та же работа у одной системы занимает час, а у другой - четыре часа, то говорят, что первая обладает мощностью, в 4 раза большей, чем вторая.

В один час первая система сделает работу, в 4 раза большую, чем вторая. Значит,

Здесь Р - принятое обозначение мощности; Л - работа; t - как всегда - время.

Так как работа в системе МКС измеряется в джоулях, а время в секундах, то мощность в этой же систе-

ме измеряется в джоулях за секунду (-). Эта едини-

ца называется также ваттом (вт):

аналогично предыдущему мощность в 1 ООО вт или 1000 дж/сек назовем 1 кдж/сек или 1 кет (киловатт).

Мощность электрической плитки 0,5 кет. Примерно такую же мощность развивает человек, взбегая по лестнице на второй этаж за 6 сек.

Мощность автомобиля Москвич , около 17 кет. Мощность Волжской ГЭС имени В. И. Ленина равна 2 300 тыс. кет.

Распространена другая единица измерения мощности - лошадиная сила .

Здесь мы еще раз сталкиваемся с физической неточностью, допускаемой по традиции. Термин лошадиная сила был введен английским конструктором Уаттом из рекламных сообоажений Он хотел показать, во сколько раз его паровые машины выгоднее лошадей (бывших

мощность определяется как отношение величины работы к промежутку времени, за который она произведена:

мощность =

или

в то время одним из основных двигателей), и потому выбрал в качестве единицы измерения мощность, несколько превышающую среднюю мощность сильной лошади.

Уагта не очень беспокоила недостаточная точность термина.

Всегда следует помнить, что единица лошадиная сила употребляется для определения мощности и с силой ничего общего не имеет.

Одна лошадиная сила равна 736 вт, или 0,736 кет.

Ясно, что чем дольше работает машина, тем больше работа, совершенная ею.

Из определения мощности следует, что

работа = мощность X время.

Из определения единиц мощности и работы следует также, что джоуль и ватт-секунда - это одно и то же, так же как ватт и джоуль в секунду.

Выражение работы в ватт-секундах или чаще в киловатт-часах часто применяют в электротехнике.

1-5. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ НА РАССТОЯНИЕ

В большинстве случаев мы стремимся использовать энергию не в том месте, где она непосредственно наличествует в виде каких-то источников. Дом отапливается не там, где бьет нефтяной фонтан, и завод - потребитель энергии строится не обязательно там, где большая река позволяет получать значительные мощности, используя энергию падающей воды.

Механическая передача энергии при помощи трансмиссий, валов и приводных ремней немыслима при расстояниях, превышающих несколько десятков метров.

Первым решением этой задачи было применение топливных двигателей и соответственно перевозка топлива. Однако такая перевозка требует настолько больших дополнительных затрат энергии, что этот способ был в значительной мере вытеснен другим, явившимся ему на смену. Это-передача электроэнергии по проводам.

Гениальный русский ученый М. В. Ломоносов (стр. 188), изучая электричество, говорил о возможности передачи электрической силы на расстояние. Сто двадцать лет назад передача электрической энергии по проводам - передача энергии для целей связи была осуществлена в России создателем первого в мире электромагнитного телеграфа П. Л. Шиллингом (1786-1837 гг.).

Первая линия передачи электрической энергии, предназначенная для приведения в действие двигателей, также была построена в России инж. Ф. А. Пироцким. Но об этом мы будем говорить дальше (гл. 2, сгр. 85), а сейчас разберем еще один способ передачи энергии.

В котле нагревается вода любым топливом, сжигаемым в топке. Горячая вода поступает в трубы, по которым следует до места потребления (рис. 1-2). Там она поступает

Рис. 1-2. Система центрального отопления.

Горячая вода - переносчик энергии Вода движется к радиатору с большим запасом тепловой энергии и возвращается от него, лишившись избытка энергии В котле та же вода получает новый запас энергии, которыТ она рассеет в радиаторе. Так происходит передача энергии Энергия топлива, сжигаемого в котельной, поступает в комнаты

в радиаторы центрального отопления и нагревает комнаты, сама при этом охлаждаясь. После этого холодная вода но другим трубам насосами подается обратно в котел, где она снова нагревается. Затем весь процесс повторяется.

Рассмотрим отдельные звенья системы передачи и разберемся в их назначении.

В топке происходит выделение энергии топлива, которая в котле передается воде. Нагретая вода становится носителем энергии. Вместе с потоком воды по трубам поступает к потребителю как бы поток тепловой энергии, которая в радиаторах рассеивается, нагревая окружающий возд>х. Поток охлажденной воды, поступающий в котельную, несет несравненно меньшее количество тепловой энергии. Таким образом, в результате цикла перенесено какое-то количество энергии от ее производителя к ее потребителю, а переносчик энергии - вода - вернулся в преж-

Рис 1-3.

нем объеме. Так возвращаются на нефтеразработки пустые цистерны, отдав бензин потребителю энергии.

Передача энергии нагретой водой или паром для целей отопления и нагрева часто экономичнее, чем перевозка непосредственно топлива. По такой системе работают отопительные устройства целых поселков и городов (теплоцентрали). Не исключена возможноть перевода тепловой энергии и в механическую. Для этого по трубам передается нагретый пар высокого давления; пар попадает в турбины и, расширяясь, вращает их. Однако при увеличении

радиуса действия и количества передаваемой энергии паропроводы быстро теряют свою экономичность.

Мы можем смело сказать, что задача передачи больших и очень больших энергий на огромные расстояния (до 1 ООО км) полностью и блестяще разрешается, если мы выберем в качестве носителя энергии не воду и не пар, з электричество. Электрический ток переносит вдоль тонких металлических проводов то же количество энергии, для которого потребовался бы мощный и дорогой паропровод. Кроме того, электрическая энергия необыкновенно просто по сравнению с другими поддается всевозможным превращениям.

Преимущества такого способа передачи энергии трудно даже перечислить. Частью они известны из повседневной жизни, частью выявятся в процессе чтения настоящего руководства. В дальнейшем мы не будем сравнивать этот способ передачи с другими, но читатель сам увидит, насколько велики возможности энергетических преобразований у этого вида энергии и насколько высок по сравнению с другими у него коэффициент полезного действия всех этих преобразований

К. Маркс и Ф. Энгельс предвидели огромное будущее электроэнергетики. По поводу первых опытов электрической передачи энергии Энгельс говорил о том, что новое открытие ... делает возможным использование также и самой отдаленной водяной энергии, и если вначале оно будет полезно только для городов, то в конце концов оно станет самым мощным рычагом для устранения противоположности между городом и деревней .

Наши пятилетки превратили эти возможности в действительность. В мае 1956 г. Москва получила энергию от Волжской гидроэлектростанции имени В. И. Ленина. Эта энергия проходит путь в 1 ООО км, и для этого потребовалось огромное напряжение в 400 тыс. в (рис. 1-3).

ГЛАВА ВТОРАЯ ТОК И НАПРЯЖЕНИЕ

2-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для того чтобы зажечь электрическую лампу, ее нужно присоединить к сети - к проводам, идущим от установленных на электростанциях специальных машин, называемых генераторами и вырабатывающих электрическую