MEKANISK KRAFT: HVA ER DET, APPLIKASJONER, EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Den mekaniske kraften er hastigheten som arbeidet uttrykkes matematisk av hvor mye arbeid som er utført per tidsenhet. Og siden arbeid utføres på bekostning av absorbert energi, kan det også oppgis som energi per tidsenhet.

Å ringe P til makt, W til arbeid, E til energi og t til tid, alt dette kan sammenfattes i enkle å bruke matematiske uttrykk:

Figur 1. Gossamer Albatross, den "flygende sykkelen", krysset Den engelske kanal på slutten av 1970-tallet, kun ved bruk av menneskelig makt. Kilde: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner på engelsk Wikipedia

O vel:

Den ble navngitt til ære for den skotske ingeniøren James Watt (1736-1819), kjent for å lage kondensatorens dampmotor, en oppfinnelse som startet den industrielle revolusjonen.

Andre kraftenheter som brukes i bransjene er hk (hestekraft eller hestekraft) og CV (hestekrefter). Opprinnelsen til disse enhetene kan også dateres tilbake til James Watt og den industrielle revolusjonen, da målestandarden var den hastigheten som en hest gjorde.

Både hk og CV er omtrent lik ¾ kilo-W og er fremdeles mye brukt, spesielt innen maskinteknikk, for eksempel i betegnelse på motorer.

Multiplum av watt, for eksempel nevnte kilo-W = 1000 W, blir også ofte brukt i elektrisk kraft. Dette er fordi joule er en relativt liten energienhet. Det britiske systemet bruker pund / sekund.

Hva det består av og bruksområder innen industri og energi

Kraftbegrepet kan brukes på alle typer energi, det være seg mekanisk, elektrisk, kjemisk, vind-, lyd- eller av noe slag. Tid er veldig viktig i industrien, fordi prosesser må løpe så raskt som mulig.

Enhver motor vil utføre nødvendig arbeid så lenge den har nok tid, men det viktige er å gjøre det på kortest mulig tid for å øke effektiviteten.

En veldig enkel applikasjon blir umiddelbart beskrevet for å tydeliggjøre skillet mellom arbeid og makt.

Anta at en tung gjenstand trekkes av et tau. For å gjøre dette, er en ekstern agent pålagt å utføre det nødvendige arbeidet. La oss si at dette middelet overfører 90 J energi til objektstrengesystemet, slik at det settes i gang i 10 sekunder.

I et slikt tilfelle er energioverføringshastigheten 90 J / 10 s eller 9 J / s. Da kan vi bekrefte at den agenten, en person eller en motor, har en utgangseffekt på 9 W.

Hvis et annet eksternt middel er i stand til å oppnå samme forskyvning, enten på kortere tid eller ved å overføre mindre energi, er det i stand til å utvikle større kraft.

Et annet eksempel: antar en energioverføring på 90 J, som klarer å sette systemet i gang i 4 sekunder. Utgangseffekten vil være 22,5 W.

Ytelsen til en maskin

Makt er nært knyttet til ytelse. Energien som tilføres en maskin blir aldri fullstendig omgjort til nyttig arbeid. En viktig del blir vanligvis spredt i varme, noe som avhenger av mange faktorer, for eksempel maskinens design.

Det er derfor det er viktig å kjenne til ytelsen til maskinene, som er definert som kvoten mellom arbeidet som er levert og levert energi:

Der den greske bokstaven η betegner utbyttet, en dimensjonsløs mengde som alltid er mindre enn 1. Hvis den også multipliseres med 100, har vi avkastningen i prosent.

eksempler

- Mennesker og dyr utvikler kraft under bevegelse. For eksempel klatring av trapp krever arbeid mot tyngdekraften. Når en sammenligner to personer som klatrer på en stige, vil den som klatrer opp alle trinnene først ha utviklet mer kraft enn den andre, men de gjorde begge den samme jobben.

- Husholdningsapparater og maskiner har deres utgangseffekt spesifisert. En glødepære som er egnet til å tenne på en rombrønn, har en effekt på 100 W. Dette betyr at pæren forvandler elektrisk energi til lys og varme (det meste av det) med en hastighet på 100 J / s.

- Motoren til en gressklipper kan forbruke cirka 250 W, og motoren til en bil er i størrelsesorden 70 kW.

- En hjemmelaget vannpumpe leverer vanligvis 0,5 hk.

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

Kraft og hastighet

Øyeblikkelig kraft oppnås ved å ta en uendelig lang tid: P = dW / dt. Kraften som produserer arbeidet som forårsaker den lille infinitesimale forskyvningen d x er F (begge er vektorer), derfor er dW = F d x . Ved å erstatte alt i uttrykket for makten, gjenstår det:

Menneskelig makt

Mennesker er i stand til å generere kraft på rundt 1500 W eller 2 hestekrefter, i det minste for kort tid, for eksempel å løfte vekter.

I gjennomsnitt er den daglige effekten (8 timer) 0,1 hk per person. Mye av dem blir oversatt til varme, omtrent samme mengde som genereres av en glødepære på 75W.

En idrettsutøver i trening kan generere et gjennomsnitt på 0,5 hk tilsvarende 350 J / s ved å omdanne kjemisk energi (glukose og fett) til mekanisk energi.

Figur 2. En idrettsutøver utvikler en gjennomsnittlig kraft på 2 hk. Kilde: Pixabay.

Når det gjelder menneskelig kraft, foretrekkes det vanligvis å måle i kilo-kalorier / time, i stedet for watt. Den nødvendige ekvivalensen er:

En effekt på 0,5 hk høres ut som en veldig liten mengde, og det er for mange bruksområder.

I 1979 ble det imidlertid opprettet en menneskedrevet sykkel som kunne fly. Paul MacCready designet Gossamer Albatross, som krysset den engelske kanal og genererte 190 W av gjennomsnittlig effekt (figur 1).

Distribusjon av elektrisk energi

En viktig applikasjon er fordelingen av elektrisk energi mellom brukerne. Selskapene som leverer strømregning for energiforbruket, ikke hastigheten som den forbrukes. Derfor vil de som leser regningen nøye finne en veldig spesifikk enhet: kilowatt-timen eller kW-h.

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

Kilowatt-timen brukes til å indikere forbruket av elektrisk energi, siden joule, som nevnt tidligere, er en ganske liten enhet: 1 watt time eller Wh er arbeidet som utføres på 1 time med en effekt på 1 watt.

Derfor er 1 kW-h arbeidet som gjøres på en time med en effekt på 1 kW eller 1000 W. La oss sette tallene for å konvertere disse beløpene til joules:

Det anslås at en husholdning kan konsumere rundt 200 kW timer per måned.

Øvelser

Oppgave 1

En bonde bruker en traktor for å trekke en høy høy M = 150 kg over en 15 ° stigning og kjøre den til fjøset med en konstant hastighet på 5,0 km / t. Kinetisk friksjonskoeffisient mellom høyballen og rennet er 0,45. Finn kraftuttaket til traktoren.

Løsning

For dette problemet må du tegne et frigroppsdiagram for høybalken som stiger på skråningen. La F være kraften som påføres traktoren for å løfte ballen, α = 15º er helningsvinkelen.

I tillegg er den kinetiske friksjonskraften f _friksjon som er imot bevegelsen involvert, pluss normal N og vekten W (ikke forveksle W av vekten med den i arbeidet).

Figur 3. Isolert kroppsdiagram over høybal. Kilde: F. Zapata.

Newtons andre lov tilbyr følgende ligninger:

Hastighet og kraft har samme retning og sans, derfor:

Det kreves transformering av hastighetsenhetene:

Å erstatte verdier, endelig får vi:

Oppgave 2

Motoren vist på figuren vil løfte blokken på 2 kg, som starter fra hvile, med en akselerasjon på 2 m / s ² og på 2 sekunder.

Figur 4. En motor løfter et objekt til en viss høyde, som det er nødvendig å utføre arbeid og utvikle kraft på. Kilde: F. Zapata.

Regne ut:

a) Høyden nådd av blokken på den tiden.

b) Kraften som motoren må utvikle for å oppnå dette.

Løsning

a) Det er en jevn variert rettlinjet bevegelse, derfor vil de tilsvarende ligningene bli brukt, med begynnelseshastighet 0. Den oppnådde høyden er gitt av:

b) For å finne kraften utviklet av motoren, kan ligningen brukes:

Og siden kraften som utøves på blokken, er gjennom spenningen 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

referanser

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 2. Dynamikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
2. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
3. Fysikk Libretexts. Makt. Gjenopprettet fra: phys.libretexts.org
4. Fysikkens hypertekstbok. Makt. Gjenopprettet fra: physics.info.
5. Arbeid, energi og kraft. Hentet fra: ncert.nic.in