MEKANISK EFFEKT: HVAD ER DET, APPLIKATIONER, EKSEMPLER - FYSISK - 2025

Den mekaniske kraft er den hastighed, hvormed arbejdet udføres, som udtrykkes matematisk af mængden af ​​arbejde, der udføres pr. Tidsenhed, udføres. Og da arbejde udføres på bekostning af absorberet energi, kan det også angives som energi pr. Enhedstid.

At kalde P til magt, W til arbejde, E til energi og t til tid, alt det ovenstående kan sammenfattes i letanvendelige matematiske udtryk:

Figur 1. Gossamer Albatross, den 'flyvende cykel', krydsede den engelske kanal i slutningen af ​​1970'erne ved kun at bruge menneskelig magt. Kilde: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner på engelsk Wikipedia

O godt:

Det blev navngivet til ære for den skotske ingeniør James Watt (1736-1819), kendt for at skabe kondensatorens dampmotor, en opfindelse, der startede den industrielle revolution.

Andre kraftenheder, der bruges i industrierne, er hk (hestekraft eller hestekraft) og CV (hestekræfter). Oprindelsen af ​​disse enheder går også tilbage til James Watt og den industrielle revolution, da målestandarden var den hastighed, hvormed en hest virkede.

Både hk og CV er stort set lig med ¾ kilo-W og bruges stadig vidt, især inden for maskinteknik, f.eks. Til betegnelse af motorer.

Multipler af watt, såsom ovennævnte kilo-W = 1000 W, bruges også ofte til elektrisk energi. Dette skyldes, at joule er en relativt lille energienhed. Det britiske system bruger pund-fødder / sekund.

Hvad det består af og anvendelser inden for industri og energi

Begrebet magt kan bruges til alle typer energi, det være sig mekanisk, elektrisk, kemisk, vind, sonisk eller af enhver art. Tid er meget vigtig i industrien, fordi processer skal køre så hurtigt som muligt.

Enhver motor vil udføre det nødvendige arbejde, så længe det har tid nok, men det vigtige er at gøre det på kortest mulig tid for at øge effektiviteten.

En meget enkel applikation beskrives straks for at tydeliggøre sondringen mellem arbejde og magt.

Antag, at en tung genstand trækkes af et reb. For at gøre dette skal en ekstern agent udføre det nødvendige arbejde. Lad os sige, at dette middel overfører 90 J energi til objektstrengesystemet, så det sættes i bevægelse i 10 sekunder.

I et sådant tilfælde er energioverførselshastigheden 90 J / 10 s eller 9 J / s. Så kan vi bekræfte, at agenten, en person eller en motor, har en udgangseffekt på 9 W.

Hvis et andet eksternt middel er i stand til at opnå den samme forskydning, enten på kortere tid eller ved at overføre mindre energi, er det i stand til at udvikle større magt.

Et andet eksempel: formoder en energioverførsel på 90 J, som formår at sætte systemet i bevægelse i 4 sekunder. Udgangseffekten er 22,5 W.

Ydelse af en maskine

Strøm er tæt knyttet til ydeevne. Den energi, der leveres til en maskine, transformeres aldrig fuldstændigt til nyttigt arbejde. En vigtig del spredes normalt i varme, hvilket afhænger af mange faktorer, for eksempel maskinens design.

Derfor er det vigtigt at kende maskinernes ydelse, der er defineret som kvoten mellem det leverede arbejde og den leverede energi:

Hvor det græske bogstav η angiver udbyttet, er en dimensieløs mængde, der altid er mindre end 1. Hvis det også ganges med 100, har vi udbyttet i procentvise termer.

eksempler

- Mennesker og dyr udvikler kraft under bevægelse. For eksempel kræver klatring af trapper arbejde mod tyngdekraften. Når man sammenligner to mennesker, der klatrer op en stige, vil den, der først klatrer i alle trin, have udviklet mere magt end den anden, men de gjorde begge det samme job.

- Husholdningsapparater og maskiner er deres udgangseffekt specificeret. En glødepære, der er egnet til belysning af en rumbrønd, har en effekt på 100 W. Dette betyder, at pæren omdanner elektrisk energi til lys og varme (det meste af det) med en hastighed på 100 J / s.

- En plæneklippermotor kan forbruge ca. 250 W, og motorens motor er i størrelsesordenen 70 kW.

- En hjemmelavet vandpumpe leverer normalt 0,5 hk.

- Solen genererer 3,6 x 10 ²⁶ W strøm.

Kraft og hastighed

Øjeblikkelig kraft opnås ved at tage en uendelig lang tid: P = dW / dt. Kraften, der producerer arbejdet, der forårsager den lille infinitesimale forskydning d x er F (begge er vektorer), derfor er dW = F d x. Ved at substituere alt i udtrykket for magten, forbliver det:

Menneskelig kraft

Folk er i stand til at generere kraft på omkring 1500 W eller 2 hestekræfter, i det mindste i en kort periode, såsom at løfte vægte.

I gennemsnit er den daglige effekt (8 timer) 0,1 hk pr. Person. Meget af dem oversættes til varme, omtrent den samme mængde, der genereres af en 75W glødepære.

En atlet i træning kan generere i gennemsnit 0,5 hk svarende til 350 J / s ca. ved at omdanne kemisk energi (glukose og fedt) til mekanisk energi.

Figur 2. En atlet udvikler en gennemsnitlig effekt på 2 hk. Kilde: Pixabay.

Når det kommer til menneskelig kraft, foretrækkes det generelt at måle i kilo-kalorier / time i stedet for watt. Den nødvendige ækvivalens er:

En effekt på 0,5 hk lyder som en meget lille mængde, og det er til mange applikationer.

I 1979 blev der imidlertid oprettet en menneskedrevet cykel, der kunne flyve. Paul MacCready designet Gossamer Albatross, der krydsede den engelske kanal og genererede 190 W af gennemsnitlig output (figur 1).

Distribution af elektrisk energi

En vigtig anvendelse er distributionen af ​​elektrisk energi mellem brugerne. De virksomheder, der leverer strømregning for den forbrugte energi, ikke den hastighed, hvormed den forbruges. Derfor finder dem, der læser din regning omhyggeligt, en meget specifik enhed: kilowatt-timen eller kW-h.

Når navnet Watt er inkluderet i denne enhed, refererer det imidlertid til energi og ikke strøm.

Kilowatt-timen bruges til at indikere forbruget af elektrisk energi, da joule, som nævnt tidligere, er en forholdsvis lille enhed: 1 watt time eller Wh er arbejdet, der udføres på 1 time med en effekt på 1 watt.

Derfor er 1 kW-h det arbejde, der udføres på en time, der arbejder med en effekt på 1 kW eller 1000 W. Lad os sætte tallene for at konvertere disse beløb til joules:

Det anslås, at en husstand kan forbruge ca. 200 kW timer pr. Måned.

Øvelser

Øvelse 1

En landmand bruger en traktor til at trække en balle med hø M = 150 kg op ad en hældning på 15 ° og bringe den til stalden med en konstant hastighed på 5,0 km / t. Den kinetiske friktionskoefficient mellem høbalen og skakten er 0,45. Find traktorens effekt.

Løsning

Til dette problem skal du tegne et frit legemsdiagram for høbalen, der stiger på skråningen. Lad F være den kraft, der anvendes af traktoren for at løfte ballen, α = 15º er hældningsvinklen.

Derudover er den kinetiske friktionskraft f- _friktion, der modsætter sig bevægelsen, involveret, plus den normale N og vægten W (ikke forveksle W af vægten med den i arbejdet).

Figur 3. Isoleret kropsdiagram over høbale. Kilde: F. Zapata.

Newtons anden lov tilbyder følgende ligninger:

Hastighed og kraft har samme retning og sans, derfor:

Det kræves at omdanne enhederne til hastigheden:

Ved at erstatte værdier får vi endelig:

Øvelse 2

Motoren vist på figuren løfter blokken på 2 kg, startende fra hvile, med en acceleration på 2 m / s ² og på 2 sekunder.

Figur 4. En motor løfter et objekt til en bestemt højde, som det er nødvendigt at udføre arbejde og udvikle kraft til. Kilde: F. Zapata.

Beregn:

a) Højden nået af blokken på det tidspunkt.

b) Kraften, som motoren skal udvikle for at opnå dette.

Løsning

a) Det er en ensartet varieret retlinet bevægelse, derfor anvendes de tilsvarende ligninger med den oprindelige hastighed 0. Den nåede højde er givet af:

b) For at finde den effekt, der er udviklet af motoren, kan ligningen bruges:

Og da den kraft, der udøves på blokken, er gennem spændingen i strengen, som er konstant i størrelse:

P = (ma).y / Δ t = 2 kg x 2 m / s ² x 4 m / 2 s = 8 W

Referencer

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik til videnskab og teknik. Bind 2. Dynamik. Redigeret af Douglas Figueroa (USB).
2. Knight, R. 2017. Fysik for forskere og teknik: en strategi-tilgang. Pearson.
3. Fysik Libretexts. Strøm. Gendannes fra: phys.libretexts.org
4. Fysikens hypertekstbog. Strøm. Gendannes fra: physics.info.
5. Arbejde, energi og kraft. Hentet fra: ncert.nic.in