MEKAANINEN VOIMA: MIKÄ SE ON, SOVELLUKSET, ESIMERKIT - FYYSINEN - 2026

Mekaaninen teho on nopeus, jolla työ, joka ilmaistaan matemaattisesti työmäärä aikayksikköä kohden suoritetaan. Ja koska työ tehdään absorboituneen energian kustannuksella, se voidaan myös ilmaista energiana yksikköä kohti.

Soittaminen P: lle valtaan, W työhön, E energiaan ja t-ajoissa - kaikki edellä oleva voidaan tiivistää helppokäyttöisissä matemaattisissa lausekkeissa:

Kuva 1. Gossamer Albatross, ”lentävä polkupyörä”, ylitti Kanaalin 1970-luvun lopulla käyttäen vain ihmisvoimaa. Lähde: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner englannin Wikipediassa

Oi:

Se nimettiin skotlantilaisen insinöörin James Wattin (1736-1819) kunniaksi, joka tunnetaan luomaan lauhdutinhöyrykone, keksintö, joka aloitti teollisen vallankumouksen.

Muita teollisuudessa käytettäviä voimayksiköitä ovat hp (hevosvoimaa tai hevosvoimaa) ja CV (hevosvoimaa). Näiden yksiköiden alkuperä juontaa juurensa myös James Wattista ja teollisesta vallankumouksesta, kun mittausstandardi oli hevosen työnopeus.

Sekä hp että CV ovat suunnilleen yhtä suuret kuin ¾ kilo-W, ja niitä käytetään edelleen laajalti, erityisesti konepajateollisuudessa, esimerkiksi moottorien nimeämisessä.

Vatin monikertoja, kuten edellä mainittua kilo-W = 1000 W, käytetään myös usein sähkövirrassa. Tämä johtuu siitä, että jouli on suhteellisen pieni energiayksikkö. Ison-Britannian järjestelmä käyttää kiloa jalat sekunnissa.

Mitä se koostuu ja sovellukset teollisuudessa ja energiassa

Voiman käsitettä voidaan soveltaa kaikentyyppisiin energioihin, olivatpa ne sitten mekaanisia, sähköisiä, kemiallisia, tuulen, ääni- tai muunlaisia. Aika on erittäin tärkeä teollisuudessa, koska prosessien on kuljettava mahdollisimman nopeasti.

Jokainen moottori tekee tarvittavat työt niin kauan kuin sillä on tarpeeksi aikaa, mutta tärkeätä on tehdä se mahdollisimman lyhyessä ajassa tehokkuuden lisäämiseksi.

Hyvin yksinkertainen sovellus kuvaillaan heti työn ja voiman erottamiseksi toisistaan.

Oletetaan, että köysi vetää raskaan esineen. Tätä varten tarvitaan ulkopuolinen edustaja suorittamaan tarvittavat työt. Sanotaan, että tämä agentti siirtää 90 J energiaa objektijonojärjestelmään niin, että se liikkuu 10 sekunnin ajan.

Tällöin energiansiirtonopeus on 90 J / 10 s tai 9 J / s. Sitten voimme vakuuttaa, että kyseisen aineen, henkilön tai moottorin, lähtöteho on 9 W.

Jos toinen ulkoinen aine pystyy saavuttamaan saman siirtymisen joko lyhyemmässä ajassa tai siirtämällä vähemmän energiaa, niin se kykenee kehittämään suuremman tehon.

Toinen esimerkki: Oletetaan, että energiansiirto on 90 J, joka pystyy asettamaan järjestelmän liikkeelle 4 sekunniksi. Lähtöteho on 22,5 W.

Koneen suorituskyky

Voima liittyy läheisesti suorituskykyyn. Koneelle syötetty energia ei koskaan muutu täysin hyödylliseksi työksi. Tärkeä osa häviää yleensä lämmöstä, mikä riippuu monista tekijöistä, esimerkiksi koneen suunnittelusta.

Siksi on tärkeää tietää koneiden suorituskyky, joka määritellään osana toimitetun työn ja toimitetun energian välillä:

Kun kreikkalainen kirjain η tarkoittaa satoa, ulottumattomana suurena on aina pienempi kuin 1. Jos se myös kerrotaan 100: lla, saanto on prosentteina.

esimerkit

- Ihmiset ja eläimet kehittävät voimaa liikkumisen aikana. Esimerkiksi portaiden kiipeäminen vaatii työtä painovoimaa vastaan. Vertaamalla kahta tikkaat kiipeävää henkilöä, joka kiipeää kaikki portaat ensin, on kehittynyt enemmän voimaa kuin toisella, mutta he molemmat tekivät saman työn.

- Kodinkoneiden ja koneiden lähtöteho on määritelty. Huonekammion valaistamiseen soveltuvan hehkulampun teho on 100 W. Tämä tarkoittaa, että polttimo muuntaa sähköenergian valoon ja kuumuuteen (suurin osa siitä) nopeudella 100 J / s.

- Ruohonleikkurin moottori voi kuluttaa noin 250 W ja auton moottori on noin 70 kW.

- Kotitekoinen vesipumppu tuottaa yleensä 0,5 hv.

- Aurinko tuottaa 3,6 x 10 ²⁶ W voimaa.

Voima ja nopeus

Hetkellinen teho saadaan ottamalla äärettömän pieni aika: P = dW / dt. Voima, joka tuottaa kipinÅivÄt pieni äärettömän pieni siirtymä d x on F (molemmat ovat vektoreita), siis dW = F d x. Korvaavan kaiken lausekkeessa vallan, se pysyy:

Ihmisen voima

Ihmiset kykenevät tuottamaan noin 1500 W tai 2 hevosvoiman tehoa, ainakin lyhyeksi ajaksi, kuten nostopainoja.

Keskimäärin päivittäinen tehonkulutus (8 tuntia) on 0,1 hv / henkilö. Joista suuri osa muuttuu lämmöksi, suunnilleen saman määrän kuin 75 W hehkulamppu tuottaa.

Harjoitteluun osallistuva urheilija voi tuottaa keskimäärin 0,5 hv, joka vastaa suunnilleen 350 J / s, muuttamalla kemiallinen energia (glukoosi ja rasva) mekaaniseksi energiaksi.

Kuva 2. Urheilijan keskimääräinen teho on 2 hv. Lähde: Pixabay.

Ihmisvoiman suhteen on yleensä suositeltavaa mitata kilokaloreina tunnissa, ei watteina. Tarvittava vastaavuus on:

0,5 hv teho kuulostaa erittäin pieneltä määrältä, ja se on tarkoitettu moniin sovelluksiin.

Vuonna 1979 luotiin kuitenkin ihmiskäyttöinen polkupyörä, joka pystyi lentämään. Paul MacCready suunnitteli Gossamer Albatrossin, joka ylitti Kanaalin ja tuotti 190 W keskimääräisen tehon (kuva 1).

Sähköenergian jakautuminen

Tärkeä sovellus on sähköenergian jakautuminen käyttäjien välillä. Yritykset, jotka toimittavat sähköä, laskuttavat kulutetusta energiasta, ei sen kulutusasteesta. Siksi ne, jotka lukevat laskusi huolellisesti, löytävät hyvin erityisen yksikön: kilowattitunnin tai kW-h.

Kuitenkin, kun nimi Watt sisältyy tähän yksikköön, se viittaa energiaan eikä energiaan.

Kilowattituntia käytetään ilmaisemaan sähköenergian kulutus, koska jouli, kuten aiemmin mainittiin, on melko pieni yksikkö: 1 ​​watti tunti tai Wh on työ, joka tehdään tunnissa 1 watin voimalla.

Siksi 1 kW-h on työ, joka tehdään tunnissa työskentelemällä 1kW: n tai 1000 W: n teholla. Laitetaan numerot muuntaaksesi nämä määrät jouleiksi:

Kotitalouden arvioidaan kuluttavan noin 200 kW-tuntia kuukaudessa.

Harjoitukset

Harjoitus 1

Viljelijä vetää traktorin avulla heinäpaalin M = 150 kg 15 ° kaltevuudelle ja ajaa sen latoon vakionopeudella 5,0 km / h. Heinäpaalin ja kourun välinen kineettinen kitkakerroin on 0,45. Löydä traktorin teho.

Ratkaisu

Tätä ongelmaa varten sinun on piirrettävä vapaa runkokaavio heinän paalista, joka nousee kaltevuuteen. Olkoon F traktorin käyttämä voima paalin nostamiseen, α = 15º on kallistuskulma.

Lisäksi on mukana liikettä vastustava kineettinen kitkavoima f _kitka, plus normaali N ja paino W (älä sekoita painon W ja työn arvoa).

Kuva 3. Heinäpaalin eristetty runkokaavio. Lähde: F. Zapata.

Newtonin toinen laki tarjoaa seuraavat yhtälöt:

Nopeudella ja voimalla on sama suunta ja merkitys, siksi:

Se on muutettava nopeuden yksiköt:

Korvaamalla arvot, saamme lopulta:

Harjoitus 2

Kuvassa esitetty moottori nostaa 2 kg: n lohkon lepoajasta kiihtymällä 2 m / s ² ja 2 sekunnissa.

Kuva 4. Moottori nostaa esineen tietylle korkeudelle, jota varten on tarpeen tehdä työtä ja kehittää voimaa. Lähde: F. Zapata.

Laskea:

a) Korkeus, jonka lohko saavutti tuona aikana.

b) Voima, joka moottorin on kehitettävä tämän saavuttamiseksi.

Ratkaisu

a) Se on tasaisesti muutettu suoraviivainen liike, joten käytetään vastaavia yhtälöitä alkuperäisellä nopeudella 0. Saavutettu korkeus saadaan:

b) Moottorin kehittämän tehon löytämiseksi yhtälöä voidaan käyttää:

Ja koska lohkoon kohdistuva voima on merkkijonojännityksen kautta, joka on vakiona suuruudeltaan:

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

Viitteet

1. Figueroa, D. (2005). Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Osa 2: Dynamiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
2. Knight, R. 2017. Fysiikka tutkijoille ja tekniikoille: strateginen lähestymistapa. Pearson.
3. Fysiikan Libretexts. Virta. Palautettu osoitteesta: phys.libretexts.org
4. Fysiikan hypertekstin kirja. Virta. Palautettu osoitteesta: physics.info.
5. Työ, energia ja voima. Haettu osoitteesta ncert.nic.in