МЕХАНИЧЕСКАЯ СИЛА: ЧТО ЭТО ТАКОЕ, ПРИМЕНЕНИЕ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

Механическая мощность представляет собой скорость , при которой выполняется работа, которая выражается математически объем работы , проделанной за единицу времени. А поскольку работа выполняется за счет поглощенной энергии, ее также можно выразить как энергию в единицу времени.

Вызов P для мощности, W для работы, E для энергии и t для времени, все вышеперечисленное можно обобщить в простых в использовании математических выражениях:

Рисунок 1. Паутинный альбатрос, «летающий велосипед», пересек Ла-Манш в конце 1970-х годов, используя только человеческую силу. Источник: Wikimedia Commons. Паутинный альбатрос. Guroadrunner в английской Википедии

Хорошо:

Он был назван в честь шотландского инженера Джеймса Ватта (1736-1819), известного созданием конденсаторного парового двигателя - изобретения, положившего начало промышленной революции.

Другие силовые агрегаты, которые используются в промышленности, - это л.с. (мощность в лошадиных силах) и CV (мощность в лошадиных силах). Происхождение этих единиц также восходит к Джеймсу Ватту и промышленной революции, когда эталоном измерения была скорость, с которой лошадь работала.

И л.с., и CV примерно равны киловатта и до сих пор широко используются, особенно в машиностроении, например, для обозначения двигателей.

Значения, кратные ваттам, такие как вышеупомянутый киловатт = 1000 Вт, также часто используются в электроэнергии. Это потому, что джоуль - относительно небольшая единица энергии. Британская система использует фунт-футы в секунду.

Из чего он состоит и приложения в промышленности и энергетике

Концепция мощности применима ко всем видам энергии, будь то механическая, электрическая, химическая, ветровая, звуковая или любая другая. Время очень важно в промышленности, потому что процессы должны выполняться как можно быстрее.

Любой мотор выполнит необходимую работу, если у него есть время, но главное - сделать это в кратчайшие сроки, чтобы повысить эффективность.

Сразу же описывается очень простое приложение, чтобы хорошо прояснить различие между работой и мощностью.

Предположим, что за веревку тянут тяжелый предмет. Для этого требуется внешний агент, выполняющий необходимую работу. Допустим, этот агент передает 90 Дж энергии системе объект-струна, так что она приводится в движение на 10 секунд.

В таком случае скорость передачи энергии составляет 90 Дж / 10 с или 9 Дж / с. Тогда мы можем утверждать, что этот агент, человек или двигатель, имеет выходную мощность 9 Вт.

Если другой внешний агент способен достичь такого же смещения либо за меньшее время, либо за счет передачи меньшего количества энергии, то он способен развивать большую мощность.

Другой пример: предположим, что передача энергии составляет 90 Дж, что позволяет привести систему в движение на 4 секунды. Выходная мощность составит 22,5 Вт.

Производительность машины

Мощность тесно связана с производительностью. Энергия, подаваемая в машину, никогда полностью не превращается в полезную работу. Важная часть обычно рассеивается в виде тепла, что зависит от многих факторов, например, конструкции машины.

Вот почему важно знать производительность машин, которая определяется как отношение выполненной работы к поставленной энергии:

Где греческая буква η обозначает доход, безразмерная величина, которая всегда меньше 1. Если ее также умножить на 100, мы получим доход в процентах.

Примеры

- Люди и животные развивают силу во время передвижения. Например, подъем по лестнице требует работы против силы тяжести. Сравнивая двух людей, поднимающихся по лестнице, тот, кто первым поднимается на все ступеньки, развил большую мощность, чем другой, но они оба проделали одинаковую работу.

- Для бытовой техники и оборудования указана выходная мощность. Лампа накаливания, подходящая для освещения комнаты, имеет мощность 100 Вт. Это означает, что лампочка преобразует электрическую энергию в свет и тепло (большую часть) со скоростью 100 Дж / с.

- Двигатель газонокосилки может потреблять около 250 Вт, а двигатель автомобиля - порядка 70 кВт.

- Самодельная водяная помпа обычно выдает 0,5 л.с.

- Солнце генерирует мощность 3,6 x 10 ²⁶ Вт.

Мощность и скорость

Мгновенная мощность получается за бесконечно малое время: P = dW / dt. Сила, которая производит работу, вызывающую небольшое бесконечно малое смещение d x, равна F (оба являются векторами), поэтому dW = F d x . Подставляя все в выражение для мощности, остается:

Человеческая сила

Люди способны генерировать мощность около 1500 Вт или 2 лошадиные силы, по крайней мере, на короткое время, например, поднимая тяжести.

В среднем дневная мощность (8 часов) составляет 0,1 л.с. на человека. Большая часть этого тепла преобразуется в тепло, примерно такое же количество выделяется лампой накаливания мощностью 75 Вт.

Спортсмен на тренировке может генерировать в среднем 0,5 л.с., что эквивалентно примерно 350 Дж / с, путем преобразования химической энергии (глюкозы и жира) в механическую энергию.

Рисунок 2. Спортсмен развивает среднюю мощность 2 л.с. Источник: Pixabay.

Когда дело доходит до мощности человека, обычно предпочтительнее измерять в килокалориях в час, а не в ваттах. Необходимая эквивалентность:

Мощность 0,5 л.с. звучит как очень маленькая величина, и для многих применений это достаточно.

Однако в 1979 году был создан велосипед с приводом от человека, который мог летать. Пол МакКриди разработал Gossamer Albatross, который пересек Ла-Манш, давая в среднем 190 Вт (рис. 1).

Распределение электроэнергии

Важным приложением является распределение электроэнергии между пользователями. Компании, которые выставляют счет за электроэнергию за потребленную энергию, а не за ее потребление. Вот почему те, кто внимательно прочитает ваш счет, найдут очень конкретную единицу: киловатт-час или кВт-час.

Однако, когда название Ватт используется в этой единице, оно относится к энергии, а не к мощности.

Киловатт-час используется для обозначения потребления электроэнергии, поскольку джоуль, как упоминалось ранее, представляет собой довольно небольшую единицу: 1 ватт-час или Втч - это работа, выполняемая за 1 час при мощности 1 ватт.

Следовательно, 1 кВт-ч - это работа, которая выполняется за час при мощности 1 кВт или 1000 Вт. Давайте представим числа, чтобы преобразовать эти суммы в джоули:

По оценкам, домохозяйство может потреблять около 200 кВт-часов в месяц.

упражнения

Упражнение 1

Фермер использует трактор, чтобы тянуть тюк сена M = 150 кг под углом 15 ° и доставлять его в хлев с постоянной скоростью 5,0 км / ч. Коэффициент кинетического трения между тюком сена и желобом составляет 0,45. Найдите мощность трактора.

Решение

Для этой задачи вам нужно нарисовать диаграмму свободного тела для тюка сена, поднимающегося на уклоне. Пусть F - сила, прилагаемая трактором для подъема тюка, α = 15º - угол наклона.

Кроме того, задействована кинетическая сила трения f _{трение,} которая препятствует движению, плюс нормальный N и вес W (не путайте W веса с весом работы).

Рисунок 3. Схема изолированного тела тюка сена. Источник: Ф. Сапата.

Второй закон Ньютона предлагает следующие уравнения:

Скорость и сила имеют одинаковое направление и смысл, поэтому:

Требуется преобразовать единицы скорости:

Подставляя значения, в итоге получаем:

Упражнение 2.

Двигатель, показанный на рисунке, поднимет блок массой 2 кг, начиная с состояния покоя, с ускорением 2 м / с ² за 2 секунды.

Рис. 4. Мотор поднимает объект на определенную высоту, для чего необходимо выполнять работу и развивать мощность. Источник: Ф. Сапата.

Рассчитать:

а) Высота, достигнутая блоком за это время.

б) Мощность, которую двигатель должен развивать для этого.

Решение

a) Это равномерно изменяющееся прямолинейное движение, поэтому будут использоваться соответствующие уравнения с начальной скоростью 0. Достигнутая высота определяется как:

б) Чтобы найти мощность, развиваемую двигателем, можно использовать уравнение:

А поскольку сила, действующая на блок, возникает из-за натяжения струны, которое является постоянным по величине:

P = (ma) .y / Δ t = 2 кг x 2 м / с ² x 4 м / 2 с = 8 Вт

Ссылки

1. Фигероа, Д. (2005). Серия: Физика для науки и техники. Том 2. Динамика. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB).
2. Найт, р. 2017. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон.
3. Физика Либретексты. Мощность. Получено с: Phys.libretexts.org
4. Гипертекстовая книга по физике. Мощность. Получено с: Physics.info.
5. Работа, энергия и мощь. Получено с: ncert.nic.in