Kraft (fysik): definition, formel, enheder, hvordan man finder (med eksempler)

En bodybuilder og en femteklasse kunne begge bære alle bøgerne fra en hylde op ad en trappe, men de vil sandsynligvis ikke afslutte opgaven på samme tid. Bodybuilderen vil sandsynligvis være hurtigere, fordi hun har en højereeffektend femteklassen.

Tilsvarende en racerbil med en højhestekræftervil være i stand til at rejse længere hurtigere end, ja, en hest.

TL; DR (for lang; Har ikke læst)

Effekt er et mål for, hvor meget arbejde der udføres i et tidsinterval.

En hurtig bemærkning om hestekræfter: Udtrykket er beregnet til at sammenligne output fra en dampmaskine med en hest, som i en 700 hestekræfter kunne gøre omkring 700 gange en enkelt hestes arbejde. Dette går tilbage til, da dampmaskinerne var nye, og en af ​​de mest fremtrædende opfindere, der arbejdede for forbedre deres effektivitet, James Watt, skabte udtrykket som en måde at overbevise den gennemsnitlige person om deres værdi.

Der er to måder at beregne effekt på, afhængigt af hvilken information der er tilgængelig. Derudover er der to enheder, der er lige gyldige.

1. Kraft med hensyn til arbejde og tid:

Hvor arbejdeWmåles i Newton-meter (Nm) og tidtmåles i sekunder.

2. Effekt i form af kraft og hastighed:

Hvor kraftFer i Newton (N), og hastighedver i meter / sekund (m / s).

Disse ligninger er ikke tilfældigt ækvivalente. Den anden ligning kan afledes fra den første sådan:

Noter detarbejdeer det samme somkraft gange forskydning:​

Erstat dette med den første effektligning:

Derefter, fordi forskydning i enhver tidsenheder hastighed(v = d / t), omskriv termerne i slutningen somvfor at få den anden effektligning.

SI-enheden med magtspræsenteres normalt somWatt (W), opkaldt efter den samme James Watt, der designede motorer og sammenlignede dem med heste. Pærer og andre husholdningsapparater inkluderer normalt denne enhed på deres tags.

Ser man på den anden formel for strøm fører dog til en anden enhed. Kraft gange hastighed giver en måling i enhederne Newton-meter pr. Sekund (Nm / s). Derefter, fordi energienheden Joule også er defineret som en Newton-meter (Nm), kan den første del deraf omskrives som en Joule i stedet, hvilket resulterer i den anden SI-enhed:Joule pr. Sekund (J / s).​

• Effekt kan måles i Watt (W) eller Joule pr. Sekund (J / s).

I betragtning af definitionen af ​​magt og de to måder at finde den giver flere måder atøge noget magt: øg dens styrke (brug merekraft) eller få det samme arbejde udført hurtigere (formindskteller øgev). En stærk bil er stærkoghurtig, og en svag er hverken. Detlettere og hurtigere kan arbejdet udføres, detmere magtfuldden enhed, der udfører arbejdet.

• Sådan øges effekten: Få mere gjort i en kortere periode.

Dette indebærer også, at en meget stærk maskine, siger en meget muskuløs bodybuilder, stadig kunnemangler strøm. En person, der kan løfte en meget tung belastning, men kun meget langsomt, er mindre magtfuld end nogen, der kan løfte den hurtigt.

Tilsvarende er en meget hurtig maskine eller person, der ikke får gjort meget, en person, der hurtigt slår på plads, men kommer ingen steder, faktisk ikke stærkt.

1. Usain Bolt genererede omkring 25 W strøm i sin rekordindstillede 100 m sprint, som tog 9,58 sekunder. Hvor meget arbejde udførte han?

FordiPogter givet, ogWer ukendt, brug den første ligning:

2. Med hvilken gennemsnitlig kraft skubbede han mod jorden, da han løb?

Sidenarbejdei Nm er allerede kendt, ligesomforskydningi meter, divideret med længden af ​​løbet vil givekraft(på en anden måde,arbejdeer det samme somkraft gange forskydning:B = F × d):

3. Hvor meget effekt genererer en person på 48 kg, der tager 6 sekunder at køre op ad et 3 meter sæt trapper?

I dette problem gives forskydningen og tiden, hvilket hurtigt tillader en hastighedsberegning:

Den anden effektligning har hastighed, men den inkluderer også kraft. En person, der løber op ad en trappe, arbejder på at imødegå tyngdekraften. Så kraften kan i dette tilfælde findes ved hjælp af deres masse og acceleration på grund af tyngdekraften, som på jorden altid er lig med 9,8 m / s².

Nu passer kraft og hastighed ind i den anden formel for magt:

Bemærk beslutningen om at lade enhederne være her som J / s i stedet for Watts er vilkårlig. Et lige så acceptabelt svar er 235,2 W.

4. Én hestekræfter i SI-enheder er omkring 746 watt, hvilket er baseret på den belastning en fit hest kunne have båret i et minut. Hvor meget arbejde udførte eksempelhesten i denne tid?

Det eneste trin, før værdierne for strøm og tid tilsluttes til den første ligning, er at sikre, at tiden er i de rette SI-enheder på sekunder ved at omskrive et minut til 60 sekunder. Derefter:

Mange elforsyninger opkræver et gebyr for kunderne baseret på dereskilowatt-timeraf brug. For at forstå betydningen af ​​denne fælles elektriske enhed skal du starte med at nedbryde enhederne.

Præfiksetkilobetyder 1.000, så enkilowatt (kW)er lig med 1.000 watt. Således er enkilowatt-time (kWh)er den mængde kilowatt, der bruges i en times tid.

For at tælle kilowatt-timer skal du gange antallet af kilowatt gange de anvendte timer. Således, hvis nogen bruger en 100 W-pære i 10 timer, vil de have brugt i alt 1.000 Watt-timer eller 1 kWh elektricitet.

1. Et elforsyning opkræver 0,12 $ pr. Kilowatt-time. Der bruges et meget kraftigt 3000 W vakuum i 30 minutter. Hvor meget koster denne mængde energi husejere?

3.000 W = 3 kW

30 minutter = 0,5 timer

2. Det samme værktøj krediterer en husstand med $ 10 for hver 4 kWh elektricitet, den vender tilbage til nettet. Solen giver cirka 1.000 W strøm pr. Kvadratmeter. Hvis en solcelle på to kvadratmeter i et hus samler energi i 8 timer, hvor mange penge genererer den?

I lyset af oplysningerne i problemet skal solcellen være i stand til at samle 2.000 W fra solen eller 2 kW. På 8 timer er det 16 kWh.