КПД
коэффициент полезного действия
Это понятие впервые встречается на программе «Электроника, программирование и инженерная практика» — примерно 13-14 лет (7-8 класс).
Доля энергии, которая пошла на дело: из энергии батарейки только часть крутит колёса робота, остальное зря греет мотор и провода.
Дырявое ведро: несёшь воду на грядку, а по дороге часть выливается. КПД — это сколько донёс.
Потрогать после работы блок питания, моторчик и ноутбук снизу; назвать, во что превращается «потерянная» часть энергии.
Коэффициент полезного действия — какая часть затраченной энергии стала полезной работой: КПД = полезная / затраченная × 100 %. Всегда меньше 100 %: часть энергии уходит в тепло из-за трения и нагрева проводов. Каждая ступень машины добавляет потери: мотор с редуктором имеет КПД ниже, чем мотор без него.
Измерить КПД подъёмника в двух вариантах (редуктор со смазкой и без): полезная мощность — m·g·h/t по секундомеру, затраченная — U·I по мультиметру; сравнить результаты и объяснить, куда ушла разница.
η = W_полезная/W_затраченная = P_полезная/P_затраченная, всегда < 1. КПД последовательных ступеней перемножается: мотор 0,8 × редуктор 0,9 → 0,72. Ориентиры: промышленные электродвигатели — до 0,9 и выше, двигатель внутреннего сгорания — 0,25–0,4, лампа накаливания отдаёт светом лишь единицы процентов. КПД тепловых машин принципиально ограничен (предел Карно).
Рассчитать общий КПД цепочки «драйвер 0,95 → мотор 0,7 → редуктор 0,85» и указать ступень с наибольшими потерями.
Частое заблуждение
«У идеальной машины КПД 100 %, надо только доработать конструкцию». Нет: КПД выше 100 % означал бы энергию из ниоткуда, а ровно 100 % не даёт достичь трение и нагрев — часть энергии всегда уходит в тепло.