تستطيع ان تجد الطاقة الميكانيكيةقيد الاستخدام في كل مكان في العالم الحديث. هل ركبت سيارة اليوم؟ تستخدم الطاقة ، سواء من الوقود أو البطارية ، لتحريك سلسلة مترابطة من المكونات الميكانيكية - المحاور والتروس والأحزمة وما إلى ذلك - حتى تم استخدام هذه الطاقة في النهاية لتدوير العجلات وتحريك السيارة إلى الأمام.
قوةفي الفيزياء هو مقياس لمعدلالذي الشغليتم تنفيذها بمرور الوقت. كلمة "ميكانيكي" هي مجرد كلمة وصفية. يخبرك أن الطاقة مرتبطة بآلة وحركة مكونات مختلفة مثل مجموعة القيادة في السيارة أو تروس الساعة.
تستخدم صيغة القوة الميكانيكية نفس القوانين الأساسية للفيزياء المستخدمة في أشكال أخرى من القوة.
TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)
قوةص يعرف ب الشغلدبليوعلىزمنرحسب الصيغة التالية. ملاحظة حول الوحدات: يجب أن تكون الطاقة بالواط (W) ، والعمل بالجول (J) والوقت بالثواني (ثوانٍ) - تحقق جيدًا دائمًا قبل توصيل القيم الخاصة بك.
تتبع القوة الميكانيكية نفس القوانين التي تحكم أنواع الطاقة الأخرى مثل الكيميائية أو الحرارية. الطاقة الميكانيكيةهي ببساطة قوة مرتبطة بالمكونات المتحركة لنظام ميكانيكي ، على سبيل المثال التروس والعجلات والبكرات داخل ساعة قديمة.
الطاقة والقوة والعمل والقوة
لفهم تعبير القوة الميكانيكية ، من المفيد وضع أربعة مصطلحات مترابطة:طاقة, فرض, الشغلوقوة.
- الطاقةهالكائن يحتوي على مقياس لمقدار العمل الذي يمكنه القيام به ؛ بمعنى آخر ، مقدار الحركة التي يمكن أن تخلقها. يُقاس بالجول (J).
- أفرضFهو ، في جوهره ، دفع أو سحب. تنقل القوى الطاقة بين الأشياء. مثل السرعة ، القوة لها كلاهماالحجمواتجاه. تقاس بالنيوتن (N).
- إذا تحركت قوة جسمافي نفس الاتجاهإنه يتصرف ، إنه يؤدي الشغل. حسب التعريف ، هناك حاجة إلى وحدة واحدة من الطاقة لأداء وحدة عمل واحدة. نظرًا لأن الطاقة والعمل معرفان من حيث بعضهما البعض ، يتم قياس كلاهما بالجول (J).
- قوةهو مقياس ل معدلالذي يتم تنفيذ العملأويتم استخدام الطاقة متأخر، بعد فوات الوقت. الوحدة القياسية للطاقة هي الواط (W).
معادلة القوة الميكانيكية
بسبب العلاقة بين الطاقة والعمل ، هناك طريقتان شائعتان للتعبير عن القوة رياضيًا. الأول من حيثالشغل دبليووزمن ر:
P = \ فارك {W} {t}
القوة في الحركة الخطية
إذا كنت تتعامل مع حركة خطية ، فيمكنك افتراض أن أي قوة مطبقة إما تحرك الجسم للأمام أو للخلف على طول مسار مستقيم بما يتماشى مع عمل القوة - فكر في القطارات على مسار. نظرًا لأن المكون الاتجاهي يعتني بنفسه بشكل أساسي ، يمكنك أيضًا التعبير عن القوة من حيث صيغة بسيطة باستخدامفرض, مسافه: بعد، و● السرعة.
في هذه الحالات ،الشغل دبليويمكن تعريفها على أنهافرض F × مسافه: بعد د. قم بتوصيل ذلك بالمعادلة الأساسية أعلاه وستحصل على:
P = \ فارك {Fd} {t}
هل لاحظت أي شيء مألوف؟ بالحركة الخطيةمسافه: بعدمقسومًا علىزمنهو تعريف ل● السرعة (الخامس) ، لذلك يمكننا أيضًا التعبير عن القوة على النحو التالي:
P = F \ frac {d} {t} = Fv
مثال على الحساب: حمل الغسيل
حسنًا ، كان هذا كثيرًا من الرياضيات المجردة ، لكن دعنا نضعها في العمل الآن لحل مشكلة عينة:
يطلب منك والداك حمل حمولة 10 كيلوغرامات من الغسيل النظيف في الطابق العلوي. إذا كنت تستغرق عادةً 30 ثانية لتسلق السلالم ، وكان ارتفاع السلالم 3 أمتار ، حسب التقدير ما مقدار الطاقة التي ستحتاجها لحمل الملابس من أسفل الدرج إلى أعلى.
بناءً على الموجه ، عرفنا ذلك الوقترستكون 30 ثانية ، لكن ليس لدينا قيمة للعملدبليو. ومع ذلك ، يمكننا تبسيط السيناريو من أجل التقدير. بدلاً من القلق بشأن تحريك الغسيل للأمام وللأمام في كل خطوة على حدة ، لنفترض أنك ترفعه في خط مستقيم من ارتفاع البداية. الآن يمكننا استخدامص = F × د / رالتعبير عن القوة الميكانيكية ، لكننا ما زلنا بحاجة إلى معرفة القوة المعنية.
لتحمل الغسيل ، يجب أن تواجه قوة الجاذبية الموجودة عليه. منذ قوة الجاذبيةF = ملغفي الاتجاه الهابط ، يجب أن تستخدم نفس هذه القوة في الاتجاه التصاعدي. لاحظ أنزهي عجلة الجاذبية الأرضية 9.8 م / ث2. مع وضع هذا في الاعتبار ، يمكننا إنشاء نسخة موسعة من صيغة الطاقة القياسية:
P = mg \ frac {d} {t}
ويمكننا التعويض بقيم الكتلة والعجلة والمسافة والوقت:
P = (10 \ times 9.8) \ frac {3} {30} = 9.08 \ text {watts}
لذلك ستحتاج إلى استهلاك حوالي 9.08 واط لحمل الغسيل.
ملاحظة أخيرة حول التعقيد
اقتصرت مناقشتنا على سيناريوهات واضحة إلى حد ما ورياضيات بسيطة نسبيًا. في الفيزياء المتقدمة ، قد تتطلب الأشكال المعقدة لمعادلة القوة الميكانيكية استخدام حساب التفاضل والتكامل و صيغ أطول وأكثر تعقيدًا تأخذ في الاعتبار قوى متعددة وحركة منحنية وغيرها من التعقيدات عوامل.
إذا كنت بحاجة إلى مزيد من المعلومات المتعمقة ، فإن قاعدة بيانات HyperPhysics استضافتها جامعة ولاية جورجيا هي مورد ممتاز.