MECHANIKAI ERŐ: MI EZ, ALKALMAZÁSOK, PÉLDÁK - FIZIKAI - 2026

A mechanikus teljesítmény az a sebesség, amellyel a munkát matematikailag fejezik ki az időegységen elvégzett munka mennyiségével. Mivel a munkát a felszívódott energia rovására végezzük, ez egységnyi időben kifejezhető energiaként is megadható.

A P energiára hívása, W munkára, E energiára és t időre történő felhívása az összes fentiek könnyen használható matematikai kifejezésekben foglalhatók össze:

1. ábra: A Gossamer Albatross, a „repülő kerékpár”, csak az emberi erő felhasználásával haladta át a La Manche csatornát az 1970-es évek végén. Forrás: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner az angol Wikipedia-ban

Hát:

James Watt skót mérnök (1736-1819) tiszteletére nevezték el, akit ismert a kondenzátor gőzgép előállításával kapcsolatban. Ez egy találmány, amely az ipari forradalmat indította el.

Az iparban használt egyéb erőegységek a hp (lóerő vagy lóerő) és a CV (lóerő). Ezen egységek eredete James Watt és az ipari forradalom eredetétől is származik, amikor a mérési standard a ló munkájának sebessége volt.

Mind a hp, mind a CV nagyjából megegyezik a ¾ kilo-W-val, és továbbra is széles körben használják, különösen a gépiparban, például a motorok megnevezésekor.

A watt többszöröseit, mint például a fentebb említett kilo-W = 1000 W, szintén gyakran használják villamos energiában. Ennek oka az, hogy a joule viszonylag kis energiaegység. A brit rendszer font-láb / másodperc sebességet használ.

Miből áll, és az ipari és energetikai alkalmazásokból

A hatalom fogalma minden típusú energiára alkalmazható, legyen az mechanikus, elektromos, kémiai, szél-, hang- vagy bármilyen típusú energia. Az iparban nagyon fontos az idő, mivel a folyamatoknak a lehető leggyorsabban kell futniuk.

Bármely motor elvégzi a szükséges munkát, amíg van elég ideje, de fontos, hogy a lehető legrövidebb időn belül elvégezze a hatékonyság növelése érdekében.

Azonnal leírják a nagyon egyszerű alkalmazást, hogy tisztázza a munka és a hatalom közötti különbséget.

Tegyük fel, hogy egy nehéz tárgyat kötél húz. Ehhez egy külső ügynöknek kell elvégeznie a szükséges munkát. Tegyük fel, hogy ez az ügynök 90 J energiát továbbít az objektum-húrrendszerbe, úgy, hogy 10 másodpercig mozgásba kerül.

Ilyen esetben az energiaátviteli sebesség 90 J / 10 s vagy 9 J / s. Akkor megerősíthetjük, hogy az ügynök, egy személy vagy motor kimeneti teljesítménye 9 W.

Ha egy másik külső szer képes elérni ugyanazt az elmozdulást, akár rövidebb idő alatt, akár kevesebb energia átvitelével, akkor képes nagyobb energiát kifejleszteni.

Egy másik példa: Tegyük fel, hogy 90 J energiaátvitel történik, amely képes a rendszert 4 másodpercre mozgásba hozni. A kimeneti teljesítmény 22,5 W lesz.

A gép teljesítménye

Az erő szorosan kapcsolódik a teljesítményhez. A géphez juttatott energia soha nem alakul át teljesen hasznos munkává. Egy fontos rész általában a hőben oszlik el, amely számos tényezőtől függ, például a gép kialakításától.

Ezért fontos ismerni a gépek teljesítményét, amelyet úgy határozunk meg, mint hányados a leadott munka és a leadott energia között:

Ahol a görög η betű a hozamot jelöli, olyan méret nélküli mennyiség, amely mindig kisebb, mint 1. Ha azt is megszorozzuk 100-val, akkor a hozamot százalékban adjuk meg.

Példák

- Az emberek és állatok mozgás közben fejlesztenek energiát. Például a lépcsőn történő felmászáshoz a gravitáció ellen kell dolgozni. Ha összehasonlítunk egy létrán mászó két embert, akkor az, aki az első lépésben felmászik, több erővel fog fejlődni, mint a másik, de mindkettő ugyanazt a munkát végezte.

- A háztartási készülékek és gépek kimeneti teljesítménye meg van határozva. A helyiség kútjának megvilágítására alkalmas izzólámpa teljesítménye 100 W. Ez azt jelenti, hogy az izzó az elektromos energiát fényre és hőre (nagy részében) 100 J / s sebességgel alakítja át.

- A fűnyíró motorja körülbelül 250 W-ot képes felvenni, az autó pedig 70 kW nagyságrendű.

- A házi készítésű vízszivattyú általában 0,5 lóerővel rendelkezik.

- A nap 3,6 x 10 ²⁶ W teljesítményt generál.

Teljesítmény és sebesség

A pillanatnyi energiát egy végtelen idő figyelembevételével lehet elérni: P = dW / dt. Az erő, amely termel a munkát okoz a kis infinitezimális elmozdulás d x jelentése F (mindkettő vektorok), ezért dW = F d x. Helyettesítve mindent a hatalom kifejezésében, így marad:

Emberi erő

Az emberek képesek körülbelül 1500 W vagy 2 lóerős energiát előállítani, legalább rövid ideig, például emelő súlyokkal.

A napi teljesítmény (8 óra) átlagosan 0,1 LE / fő. Ennek nagy része hőre fordul, nagyjából ugyanannyi egy 75 W-os izzólámpa által termelt mennyiség.

Az edzésben részt vevő sportoló átlagosan 0,5 lóerőt képes előállítani, ami megközelítőleg 350 J / s-nak felel meg, a kémiai energiát (glükóz és zsír) mechanikus energiává alakítva.

2. ábra: A sportoló átlagos teljesítménye 2 hp. Forrás: Pixabay.

Az emberi hatalom szempontjából általában inkább kilátásban kifejezett kalóriát / órában mérik, nem pedig wattban. A szükséges egyenértékűség:

A 0,5 lóerő nagyon kicsinek hangzik, és sok alkalmazás számára megfelelő.

1979-ben azonban létrehozták az emberi hajtású kerékpárt, amely képes repülni. Paul MacCready megtervezte a Gossamer Albatrossot, amely áthaladt a La Manche csatornán, így 190 W-os átlagos teljesítményt hozott létre (1. ábra).

Az elektromos energia eloszlása

Fontos alkalmazás az elektromos energia elosztása a felhasználók között. Azok a vállalatok, amelyek villamos energiát szolgáltatnak, az elfogyasztott energiáért számolnak, nem pedig az energiafogyasztás mértékéért. Ezért azok, akik figyelmesen elolvasják a számláját, nagyon specifikus egységet találnak: a kilowattóra vagy kW-h.

Amikor azonban a Watt név szerepel ebben az egységben, az energiára, és nem az energiára utal.

A kilowattóra az elektromos energia fogyasztásának jelzésére szolgál, mivel a joule, mint korábban említettem, meglehetősen kicsi: 1 wattóra vagy Wh az az, amit 1 órán belül 1 watt teljesítménnyel végeznek.

Ezért az 1 kW-h az a munka, amelyet óránként 1kW vagy 1000 W teljesítményű munkával végeznek. Tegyük fel a számokat, hogy ezeket az összegeket džaulokba konvertáljuk:

A becslések szerint a háztartások havonta mintegy 200 kW-órát fogyaszthatnak.

Feladatok

1. Feladat

A mezőgazdasági termelő traktorral M = 150 kg széna bálát húz egy 15 ° -os dőlésszögű sík felett és az istállóba 5,0 km / h állandó sebességgel. A széna bála és a csatorna közötti kinetikus súrlódási együttható 0,45. Keresse meg a traktor teljesítményét.

Megoldás

Ehhez a problémahoz szabad test diagramot kell készítenie a széna bálájáról, amely a lejtőn emelkedik. Legyen F a traktor által a bála felemelésére kifejtett erő, α = 15º a dőlésszög.

Továbbá, a kinetikus súrlódási erő f _súrlódási amely ellene a mozgás van szó, valamint a szokásos N és a tömeg W (nem keverjük össze a W a tömeg, hogy a munka).

3. ábra. A széna bála elkülönített testvázlata. Forrás: F. Zapata.

Newton második törvénye a következő egyenleteket kínálja:

A sebességnek és az erőnek ugyanaz az iránya és értelme, tehát:

Meg kell változtatni a sebesség mértékegységeit:

Helyettesítve az értékeket, végül megkapjuk:

2. gyakorlat

Az ábrán látható motor felemeli a 2 kg-os blokkot 2 m / s ² gyorsulással és 2 másodperc alatt.

4. ábra: A motor egy tárgyat egy magasságra emelt, amelyhez munkát kell végezni és energiát kell fejleszteni. Forrás: F. Zapata.

Kiszámítja:

a) A blokk által abban az időben elért magasság.

b) Az a teljesítmény, amelyet a motornak fejlesztnie kell ennek elérése érdekében.

Megoldás

a) Ez egy egyenletesen változó egyenes vonalú mozgás, ezért a megfelelő egyenleteket kell használni, 0 kezdeti sebességgel. Az elért magasságot a következő érték adja meg:

b) A motor által kifejlesztett teljesítmény megtalálásához az egyenlet használható:

És mivel a blokkra kifejtett erő a húr feszültségén keresztül zajlik, amely állandó nagyságrendű:

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

Irodalom

1. Figueroa, D. (2005). Sorozat: Fizika a tudomány és a technika számára. 2. kötet. Dinamika. Szerkesztette Douglas Figueroa (USB).
2. Knight, R. 2017. Fizika tudósok és mérnökök számára: stratégiai megközelítés. Pearson.
3. Fizika Libretextek. Erő. Helyreállítva: fiz.libretexts.org
4. A fizika hipertext könyve. Erő. Helyreállítva: fizika.info.
5. Munka, energia és hatalom. Vissza a következőhöz: ncert.nic.in