Conţinut
- TL; DR (Prea lung; nu a citit)
- Energie, forță, muncă și putere
- Ecuația pentru puterea mecanică
- Putere în mișcare liniară
- Un exemplu de calcul: transportarea rufelor
- O notă finală despre complexitate
Puteți găsi putere mecanică în uz peste tot în lumea modernă. Ai mers într-o mașină azi? A folosit energie, fie din combustibil, fie din baterie, pentru a muta o serie interconectată de componente mecanice - osii, angrenaje, curele și așa mai departe - până când, în sfârșit, acea energie a fost utilizată pentru a roti roțile și a muta vehiculul înainte.
Putere în fizică este o măsură a rată la care muncă se realizează în timp. Cuvântul „mecanic” este doar descriptiv; vă spune că puterea este asociată cu o mașină și mișcarea diferitelor componente, cum ar fi tracțiunea de antrenare a unei mașini sau rotițele unui ceas.
Formula de putere mecanică folosește aceleași legi fundamentale ale fizicii care sunt utilizate pentru alte forme de putere.
TL; DR (Prea lung; nu a citit)
Putere P este definit ca muncă W peste timp T conform formulei următoare. Notă despre unități: puterea trebuie să fie în wați (W), să funcționeze în joule (J) și timp în secunde (e) - verificați întotdeauna înainte de a conecta valorile.
P = W / T
Puterea mecanică respectă aceleași legi care guvernează alte tipuri de putere, cum ar fi chimice sau termice. Putere mecanica este pur și simplu puterea asociată componentelor mobile ale unui sistem mecanic, de exemplu angrenajele, roțile și scripetele din interiorul unui ceas antic.
Energie, forță, muncă și putere
Pentru a înțelege expresia pentru puterea mecanică, este util să se stabilească patru termeni interrelațiați: energie, forta, muncă și putere.
Ecuația pentru puterea mecanică
Din cauza relației dintre energie și muncă, există două moduri comune de exprimare a puterii matematic. Primul este în termeni de muncă W și timp T:
P = W/T
Putere în mișcare liniară
Dacă aveți de-a face cu mișcare liniară, puteți presupune că orice forță aplicată mișcă fie un obiect înainte sau înapoi de-a lungul unei căi drepte în linie cu acțiunea forțelor - gândiți-vă la trenuri pe o pistă. Deoarece componenta direcțională are grijă de sine, puteți, de asemenea, să vă exprimați puterea în termeni de formulă simplă folosind forta, distanţă, și viteză.
În aceste situații, muncă W poate fi definit ca fiind forta F × distanţă d. Conectați-l la ecuația de bază de mai sus și veți primi:
P = F ×d / t
Observați ceva familiar? Cu mișcare liniară, distanţă impartit de timp este definiția pentru viteză (v), deci putem exprima și puterea ca:
P = F(d/T) = F × v
Un exemplu de calcul: transportarea rufelor
OK, asta a fost o mulțime de matematică abstractă, dar permiteți-l să funcționeze acum pentru a rezolva o problemă de probă:
Părinții tăi vă roagă să transportați la etaj o sarcină de 10 kilograme de rufe curate. Dacă în mod normal, durează 30 de secunde pentru a urca scările, iar scările sunt înalte de 3 metri, estimați câtă putere va trebui să cheltuiți pentru a transporta hainele din partea de jos a scării până în vârf.
Pe baza promptului, știam acea dată T va fi de 30 de secunde, dar nu avem o valoare pentru muncă W. Cu toate acestea, putem simplifica scenariul de dragul estimării. În loc să vă faceți griji cu privire la mutarea rufelor în sus și înainte în fiecare treaptă individuală, să presupunem că sunteți pur și simplu ridicând-o în linie dreaptă de la înălțimea sa de pornire. Acum putem folosi P = F × d / T expresie a puterii mecanice, dar mai trebuie să ne dăm seama de forța implicată.
Pentru a transporta rufele, trebuie să contracarați forța gravitației asupra acesteia. Deoarece forța gravitației este F = mg în sens descendent, trebuie să aplicați aceeași forță în sens ascendent. Rețineți că g este accelerația datorată gravitației care pe Pământ este de 9,8 m / s2. Având în vedere acest lucru, putem crea o versiune extinsă a formulei standard de putere:
P = (m × g) (d / T)
Și putem conecta valorile noastre pentru masă, accelerație, distanță și timp:
P = (10 kg × 9,8 m / s2) (3 m / 30 s)
P = 9,08 wați
Deci, va trebui să cheltuiți aproximativ 9,08 wați pentru a duce rufele.
O notă finală despre complexitate
Discuția noastră s-a limitat la scenarii destul de simple și la matematică relativ simplă. În fizica avansată, formele sofisticate ale ecuației de putere mecanică pot necesita utilizarea de calcule și formule mai lungi, mai complicate, care iau în considerare forțele multiple, mișcarea curbă și alți factori complicatori.
Dacă aveți nevoie de informații mai detaliate, baza de date HyperPhysics găzduită de Universitatea de Stat din Georgia este o resursă excelentă.