القوة (الفيزياء): التعريف ، الصيغة ، الوحدات ، كيفية البحث (مع أمثلة)

يمكن لكل من لاعب كمال الأجسام وطالب بالصف الخامس حمل جميع الكتب من الرف على الدرج ، لكن من غير المحتمل أن ينهيا المهمة في نفس الفترة الزمنية. من المحتمل أن تكون لاعبة كمال الأجسام أسرع لأنها تتمتع بقدرة أعلىتقييم القوةمن الصف الخامس.

وبالمثل ، فإن سيارة السباق ذات ارتفاعقوة حصانسيكون قادرًا على السفر لمسافة أطول بكثير من الحصان.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)

القوة هي مقياس لمقدار العمل المنجز في فترة زمنية.

ملاحظة سريعة حول القدرة الحصانية: يُقصد بالمصطلح مقارنة ناتج محرك بخاري بإنتاج حصان ، كما هو الحال في محرك بقوة 700 حصان يمكنه القيام بحوالي 700 ضعف عمل حصان واحد. يعود هذا إلى الوقت الذي كانت فيه المحركات البخارية جديدة وكان أحد أبرز المخترعين الذين يعملون عليها تحسين كفاءاتهم ، صاغ جيمس وات المصطلح كطريقة لإقناع الشخص العادي يستحق.

هناك طريقتان لحساب الطاقة ، اعتمادًا على المعلومات المتوفرة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك وحدتان من الطاقة متساويتان في الصلاحية.

1. القوة من حيث العمل والوقت:

اين العملدبليويقاس نيوتن متر (نيوتن متر) ، والوقتريقاس بالثواني.

2. القوة من حيث القوة والسرعة:

حيث القوةFفي نيوتن (N) ، والسرعةالخامسبالأمتار / الثانية (م / ث).

هذه المعادلات ليست متكافئة بشكل عشوائي. يمكن اشتقاق المعادلة الثانية من المعادلة الأولى مثل:

لاحظ أنالشغلبالضبط مثلالقوة مرات الإزاحة:​

عوض بهذا في معادلة القوة الأولى:

ثم بسبب الإزاحة في أي وحدة زمنيةهي السرعة(v = d / t) ، أعد كتابة الحدود في النهاية على النحو التاليالخامسللحصول على معادلة القوة الثانية.

وحدة SI للطاقةصعادة ما يتم تقديمه على شكلواتس (W)، سميت على اسم جيمس وات نفسه الذي صمم المحركات وقارن بينها وبين الخيول. عادةً ما تشتمل المصابيح الكهربائية والأجهزة المنزلية الأخرى على هذه الوحدة على بطاقاتها.

ومع ذلك ، فإن النظر إلى الصيغة الثانية للقوة يؤدي إلى وحدة أخرى. تعطي القوة ضرب السرعة قياسًا بوحدة نيوتن متر في الثانية (Nm / s). بعد ذلك ، نظرًا لأن وحدة الطاقة في الجول تُعرَّف أيضًا على أنها نيوتن متر واحد (نيوتن متر) ، يمكن إعادة كتابة الجزء الأول منها على هيئة جول بدلاً من ذلك ، مما ينتج عنه وحدة SI الثانية للطاقة:جولات في الثانية (J / s).​

• يمكن قياس الطاقة بالواط (W) أو الجول في الثانية (J / s).

بالنظر إلى تعريف القوة وطريقتان للعثور عليه ، ينتج عن ذلك طرق متعددةزيادة قوة شيء ما: زيادة قوتها (استخدم أكثرفرض) أو إنجاز نفس العمل بشكل أسرع (تقليلرأو زيادةالخامس). السيارة القوية قويةوسريع ، والضعيف ليس كذلك. اليمكن إنجاز العمل بسهولة أكبر وبسرعة، الاقوىالكيان الذي يقوم بالعمل.

• كيفية زيادة الطاقة: أنجز المزيد في فترة زمنية أقصر.

هذا يعني أيضًا أن آلة قوية جدًا ، كما يقول لاعب كمال أجسام قوي العضلات ، لا تزال قادرة على ذلكتفتقر إلى القوة. الشخص الذي يستطيع رفع حمولة ثقيلة جدًا ، ولكن ببطء شديد ، يكون أقل قوة من شخص يمكنه رفعها بسرعة.

وبالمثل ، فإن الآلة السريعة جدًا أو الشخص الذي لا ينجز الكثير ، والشخص الذي يتخبط بسرعة في مكانه ولكنه لا يصل إلى أي مكان ، ليس قوياً في الواقع.

1. أنتج يوسين بولت حوالي 25 واط من الطاقة في سباق 100 متر القياسي ، والذي استغرق 9.58 ثانية. كم عمل قام به؟

لأنصورودبليوغير معروف ، استخدم المعادلة الأولى:

2. ما متوسط ​​القوة التي كان يدفعها على الأرض وهو يركض؟

حيثالشغلفي Nm معروف بالفعل ، كما هو الحال فيالإزاحةبالأمتار ، قسمة طول السباق علىفرض(ضع طريقا اخر،الشغلبالضبط مثلالقوة مرات الإزاحة:W = F × d):

3. ما مقدار القوة التي يولدها شخص يبلغ وزنه 48 كجم ويستغرق 6 ثوانٍ ليصعد مجموعة سلالم بطول 3 أمتار؟

في هذه المسألة ، يتم إعطاء الإزاحة والوقت ، مما يسمح بسرعة بحساب السرعة:

معادلة القوة الثانية لها سرعة ، لكنها تتضمن أيضًا القوة. يعمل الشخص الذي يصعد مجموعة من السلالم على مواجهة قوة الجاذبية. لذلك ، يمكن إيجاد القوة في هذه الحالة باستخدام كتلتها وتسارعها بسبب الجاذبية ، والتي تساوي دائمًا 9.8 م / ث على الأرض².

الآن تتناسب القوة والسرعة مع الصيغة الثانية للقوة:

لاحظ أن قرار ترك الوحدات هنا كـ J / s بدلاً من Watts هو قرار تعسفي. الإجابة المقبولة أيضًا هي 235.2 وات.

4. تبلغ القدرة الحصانية في وحدات SI حوالي 746 واط ، والتي تعتمد على الحمل الذي يمكن أن يحمله الحصان المناسب لمدة دقيقة واحدة. ما مقدار الشغل الذي قام به الحصان النموذجي في هذا الوقت؟

الخطوة الوحيدة قبل إدخال قيم الطاقة والوقت في المعادلة الأولى هي التأكد من أن الوقت في وحدات SI المناسبة للثواني عن طريق إعادة كتابة دقيقة واحدة على أنها 60 ثانية. ثم:

تفرض العديد من المرافق الكهربائية رسومًا على العملاء بناءً علىكيلوواط / ساعةمن الاستخدام. لفهم معنى هذه الوحدة الشائعة للطاقة الكهربائية ، ابدأ بتقسيم الوحدات.

البادئةكيلويعني 1000 ، لذلك أكيلو واط (kW)يساوي 1،000 واط. وهكذا ، أكيلوواط ساعة (kWh)هي كمية الكيلوواط المستخدمة في ساعة واحدة من الزمن.

لحساب كيلوواط / ساعة ، اضرب عدد الكيلوات في عدد الساعات المستخدمة. وبالتالي ، إذا استخدم شخص ما لمبة 100 واط لمدة 10 ساعات ، فسيكون قد استخدم ما مجموعه 1000 واط / ساعة ، أو 1 كيلو واط / ساعة من الكهرباء.

1. تبلغ تكلفة المرافق الكهربائية 0.12 دولارًا لكل كيلوواط / ساعة. يتم استخدام مكنسة كهربائية قوية للغاية بقدرة 3000 وات لمدة 30 دقيقة. كم يكلف هذا المقدار من الطاقة أصحاب المنازل؟

3000 واط = 3 كيلو واط

30 دقيقة = 0.5 ساعة

2. تمنح نفس المرافق للأسرة 10 دولارات لكل 4 كيلووات ساعة من الكهرباء التي تعيدها إلى الشبكة. توفر الشمس حوالي 1000 واط من الطاقة لكل متر مربع. إذا كانت الخلية الشمسية التي تبلغ مساحتها مترين مربعين في منزل تجمع الطاقة لمدة 8 ساعات ، فكم من المال يدر؟

بالنظر إلى المعلومات الموجودة في المشكلة ، يجب أن تكون الخلية الشمسية قادرة على جمع 2000 واط من الشمس ، أو 2 كيلو واط. في غضون 8 ساعات ، يكون هذا هو 16 كيلو واط في الساعة.