机车启动方式有两种:
(1)以恒定功率启动;
(2)以恒定加速度启动。
下面以恒定加速度启动为例详细讲解说明。
(一)一图表
(二)两公式
第一个公式:p=Fv。其中:
(1)在节点1功率达到额定功率,故节点1及之后(节点1、第二阶段、节点2、第三阶段)中p=p_{额};
(2)在节点2速度达到最大之后保持匀速运动,故节点二和第三阶段中v=v_{max};
(3)在第一阶段(含节点1)和第三阶段(含节点2)牵引力F均为保持不变,但第一阶段(含节点1)大于阻力,第三阶段(含节点2)等于阻力。
第二个公式:a=(F-f)/m,即牛顿第二定律,一般只在第一阶段(含节点1)和第三阶段(含节点2)中使用,因为第二阶段中F为变量。其中:
(1)在第一阶段(含节点1):a=(F-f)/m;
(2)在第三阶段(含节点2):a=0,故公式简化为:F=f。
(三)三阶段
最后再详细说一下三个阶段:
第一阶段:匀加速直线运动。加速度保持不变,由a=(F-f)/m可知,牵引力F保持不变,由p=Fv可知,功率线性增大,直到节点1,功率达到额定功率。
第二阶段:变加速直线运动。功率达到额定功率后无法继续增大,但此时牵引力仍大于阻力,速度仍然在增大,由p_{额}=Fv可知,牵引力将变小,但是a=(F-f)/m可知,牵引力虽然在减小,但只要比阻力大,速度将进一步增加,由p_{额}=Fv可知,牵引力将进一步减小,直到节点2,牵引力等于阻力。
第三阶段:匀速直线运动。牵引力等于阻力后,加速度等于0,速度保持不变,由p_{额}=Fv可知,牵引力也保持不变且始终等于阻力,因此可以维持匀速直线运动。
节点1和节点2:节点同时满足前后两个阶段的物理关系。一般情况下,将节点1纳入第一阶段,将节点2纳入第三阶段。
虽然,我总结了这么多,但是在实际教学中,我发现效果并不理想,学生只有自己将整个过程前后理解一遍,反复思考各物理量在运动过程中的变化情况,才能真正学会学好机车启动问题,如果要强行记忆各阶段物理量的变化和大小关系,只会事倍功半,而真正理解过后,上面我列出的这些都是浮云,没有必要去记忆,而我详细罗列这些,无非只是希望你在理解过程中可以借鉴。
另外,机车还有一种以恒定功率启动的方式,相当于上面从节点1开始,即省略了第一阶段,直接进入第二阶段,从节点1(达到额定功率)开始。而此时刚起步时,速度为零,更由p_{额}=Fv可知,将有一个无穷大的牵引力,对机车伤害较大,因此一般情况下都是以恒定加速度启动的。
下面,我们讲一道例题:
例:假设某汽车额定功率为80kw,在平直的公路上行驶的最大速度为20m/s,质量为2\times10^3kg,如果汽车从静止开始做匀加速直线运动,加速度为2m/s^2,运动过程中阻力不变,求:
(1)汽车所受的阻力大小;
(2)汽车做匀加速运动的时间;
(3)第3s末汽车的瞬时功率;
(4)速度为16m/s时汽车的加速度大小。
解析:(1)由于第三阶段中牵引力和阻力相等,故求解第三阶段牵引力即可。同时,第三阶段速度已达到最大且匀速,功率也已达到额定功率,因此:
由p_{额}=Fv,得到:
F=p_{额}/v=80\times10^3/20=4\times10^3N
由F=f,得到:
f=F=4\times10^3N
即阻力为4000N。
(2)求解匀加速运动的时间,即要求解第一段段的时间。因此,考虑求出第一阶段结束时的速度(即节点1的速度)和第一阶段的加速度。
首先第一阶段加速度题目已知,即:
a=2m/s^2
然后求解节点1的速度,已知在节点1刚好达到额定功率,根据公式p_{额}=Fv可知:
v=p_{额}/F
因此还得求出节点1牵引力的大小,而节点1属于第一阶段最后时刻,牵引力大小同第一阶段保持不变,由a=(F-f)/m可知:
F=f+ma=4\times10^3+2\times10^3\times2=8\times10^3N
从而得到:
v=p_{额}/F=\frac{80\times10^3}{8\times10^3}=10m/s
所以,匀加速运动的时间为:
t=\frac{v}{a}=\frac{10}{2}=5s
(3)因此,第3s末汽车还处于第一阶段匀加速直线运动状态,所以,第3s末的速度大小为:
v=at=2\times3=6m/s
所以求解得到:
p=Fv=8\times10^3\times6=48\times10^3w=48kw
(4)因为10m/s<16m/s<20m/s,此时处于第二阶段,因此功率已经达到额定功率,由p_{额}=Fv可知:
F=P_{额}/v=\frac{80\times10^3}{16}=5\times10^3N
再根据a=(F-f)/m可得:
a=(F-f)/m=(5\times10^3-4\times10^3)/(2\times10^3)=0.5m/s^2
即加速度大小为0.5m/s^2。
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