Du kan finde mekanisk krafti brug overalt i den moderne verden. Kørte du i en bil i dag? Det brugte energi, enten fra brændstof eller et batteri, til at flytte en sammenkoblet serie af mekaniske komponenter - aksler, gear, remme og så videre - indtil endelig energien blev brugt til at dreje hjulene og flytte køretøjet frem.
Strømi fysik er et mål forsatshvor arbejdeudføres over tid. Ordet "mekanisk" er kun beskrivende; det fortæller dig, at kraften er forbundet med en maskine og bevægelse af forskellige komponenter som en bils drivlinje eller et urs tandhjul.
Den mekaniske kraftformel bruger de samme grundlæggende fysiske love, der bruges til andre former for magt.
TL; DR (for lang; Har ikke læst)
StrømP er defineret som arbejdeWovertidtifølge den følgende formel. Bemærkning om enheder: effekt skal være i watt (W), arbejde i joule (J) og tid i sekunder (s) - kontroller altid, inden du tilslutter dine værdier.
Mekanisk kraft følger de samme love, der styrer andre typer magt, såsom kemisk eller termisk.
Mekanisk effekter simpelthen kraft forbundet med bevægelige komponenter i et mekanisk system, for eksempel gear, hjul og remskiver inde i et antikt ur.Energi, kraft, arbejde og magt
For at give mening om udtrykket for mekanisk kraft er det nyttigt at lægge fire indbyrdes forbundne udtryk:energi, kraft, arbejdeogstrøm.
- DetenergiEet objekt indeholder er et mål for, hvor meget arbejde det kan udføre; med andre ord, hvor meget bevægelse det har potentialet til at skabe. Det måles i joule (J).
- ENkraftFer i det væsentlige et skub eller træk. Styrker overfører energi mellem objekter. Ligesom hastighed har kraft begge delestørrelsesordenogretning. Det måles i Newton (N).
- Hvis en kraft bevæger en genstandi samme retningdet handler, det udfører arbejde. Per definition er der brug for en energienhed til at udføre en arbejdsenhed. Fordi energi og arbejde er defineret i form af hinanden, måles de begge i joule (J).
- Strømer et mål for satshvor arbejdet udføresellerenergi bruges over tid. Standardenheden for effekt er watt (W).
Ligning for mekanisk kraft
På grund af forholdet mellem energi og arbejde er der to almindelige måder at udtrykke magt matematisk på. Den første er med hensyn tilarbejde Wogtid t:
P = \ frac {W} {t}
Kraft i lineær bevægelse
Hvis du har at gøre med lineær bevægelse, kan du antage, at enhver anvendt kraft enten bevæger et objekt frem eller tilbage langs en lige sti i tråd med styrkens handling - tænk på tog på en spore. Fordi retningskomponenten dybest set tager sig af sig selv, kan du også udtrykke magt i form af en simpel formel ved hjælp afkraft, afstandoghastighed.
I disse situationerarbejde Wkan defineres somkraft F × afstand d. Sæt det i den grundlæggende ligning ovenfor, og du får:
P = \ frac {Fd} {t}
Bemærk noget velkendt? Med lineær bevægelse,afstanddivideret medtider definitionen forhastighed (v), så vi også kan udtrykke magt som:
P = F \ frac {d} {t} = Fv
Et eksempel på beregning: Bæretøj
OK, det var meget abstrakt matematik, men lad os sætte det i gang nu for at løse et eksempel på et problem:
Dine forældre beder dig om at bære 10 kg rent tøj ovenpå. Hvis det normalt tager dig 30 sekunder at gå op ad trappen, og trappen er 3 meter høj, estimer du hvor meget strøm skal du bruge til at bære tøjet fra trappens bund til top.
Baseret på prompten vidste vi den tidtvil være 30 sekunder, men vi har ikke en værdi for arbejdeW. Vi kan dog forenkle scenariet af estimerings skyld. I stedet for at bekymre dig om at flytte tøjet op og frem på hvert enkelt trin, lad os antage, at du simpelthen hæver det i en lige linje fra starthøjden. Nu kan vi brugeP = F × d / tudtryk for mekanisk kraft, men vi er stadig nødt til at finde ud af den involverede kraft.
For at bære vasketøjet skal du modvirke tyngdekraften på det. Da tyngdekraften erF = mgi nedadgående retning skal du anvende den samme kraft i opadgående retning. Noter detger accelerationen på grund af tyngdekraften, som på Jorden er 9,8 m / s2. Med dette i tankerne kan vi oprette en udvidet version af standardeffektformlen:
P = mg \ frac {d} {t}
Og vi kan tilslutte vores værdier for masse, acceleration, afstand og tid:
P = (10 \ gange 9.8) \ frac {3} {30} = 9.08 \ tekst {watt}
Så du bliver nødt til at bruge omkring 9,08 watt for at bære vasketøjet.
En sidste bemærkning om kompleksitet
Vores diskussion har været begrænset til ret enkle scenarier og relativt enkel matematik. I avanceret fysik kan sofistikerede former for den mekaniske effektligning kræve brug af calculus og længere, mere komplicerede formler, der tager højde for flere kræfter, buet bevægelse og andre komplicerende faktorer.
Hvis du har brug for mere detaljerede oplysninger, kan HyperPhysics-database vært for Georgia State University er en fremragende ressource.