Physiker verwenden alltägliche Wörter auf scheinbar seltsame und sehr spezifische Weise. Arbeite für einen Physiker (W) ist nicht das, was man wochentags von neun bis fünf macht. Es ist das Produkt der Kraft (F) angewendet auf ein Objekt multipliziert mit der Entfernung (d) bewegt sich das Objekt aufgrund dieser Kraft.
W=Fd
Wenn sich das Objekt nicht bewegt, wurde keine Arbeit ausgeführt. Versuchen Sie das dem Mann zu erklären, der versucht, Ihr Auto aus einem Graben zu schieben und kein Glück hat, das Auto in Bewegung zu setzen.
Physiker verwenden auch das Wort Macht (P) in besonderer Weise. Für sie ist Kraft nicht das, was man durch ein herzhaftes Frühstück bekommt. Es ist die Zeit (t) erfordert eine gewisse Arbeit. Die Potenzgleichung lautet:
P=\frac{W}{t}
Mit anderen Worten, Leistung ist die Geschwindigkeit, mit der Arbeit geleistet wird. Es ist auch die Geschwindigkeit der Übertragung von Wärme und elektrischer Energie. In der Elektrizitätslehre lautet die Leistungsformel:
P=VI
woVist die Spannung in einem Stromkreis undichist der Strom, der durch diesen Stromkreis fließt.
Zu wissen, was das Wort "Kraft" für Physiker bedeutet, hilft Ihnen, die Einheiten der Kraft zu verstehen. Im SI-System (metrisch) sind die Einheiten Watt. Beim Messen im imperialen System sind die Einheiten entweder Fuß-Pfund/Sekunde oder PS. Eine PS entspricht 550 Fuß-Pfund/Sekunde.
Watt sind die Leistungseinheiten im SI-System
Das SI-System (Système Internationale) – auch metrisches System genannt – hat nur sieben Basiseinheiten. Alle anderen Einheiten werden daraus abgeleitet. Im SI-System wird die Länge in Metern, die Masse in Kilogramm und die Zeit in Sekunden gemessen. Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung (aus dem zweiten Newtonschen Gesetz), also sind die Einheiten kg-m/s2. Das heißt, die Arbeitseinheiten sind kg-m2/s2. Anstatt diese Einheiten in jeder Berechnung zu verwenden, was umständlich wäre, definieren Wissenschaftler ein Joule (J) (benannt nach dem Physiker James Prescott Joule) als 1 kg-m2/s2. Das Joule ist auch die Energieeinheit im SI-System, obwohl es üblich ist, bei der Messung in Zentimetern und Gramm Ergs zu verwenden.
1\text{ Joule}=1\text{ kgm}^2\text{/s}^2\\\text{ }\\1\text{ erg}=1\text{ gcm}^2\text{/ s}^2
Leistung ist definiert als Arbeit geteilt durch Zeit, ihre Einheiten sind also Joule/Sekunde. Wissenschaftler haben auch einen anderen Namen für diese Einheit. Es ist das Watt, benannt nach James Watt, dem schottischen Erfinder, der an der Entwicklung der Dampfmaschine beteiligt war, die die industrielle Revolution antreibt. Im SI-System ist Watt definiert als:
1\text{ Watt} = 1\text{ J/s}=1\text{ kgm}^2\text{/s}^3
Wenn Sie in Zentimetern und Gramm messen, verwenden Sie diese Umrechnung:
1\text{ Watt} = 10^7\text{ ergs/s}=10^7\text{ gcm}^2\text{/s}^3
Was ist eine Pferdestärke?
Wenn Sie Autos mögen, wissen Sie, dass die Leistungsangaben von Automotoren immer in PS angegeben werden. Das heißt, PS ist auch eine Leistungseinheit, aber woher kommt sie und warum wird sie noch verwendet?
Es stellt sich heraus, dass kein Geringerer als James Watt für diese Machteinheit verantwortlich ist. Um seine Dampfmaschinen verkaufen zu können, musste er den Arbeitsaufwand beziffern, den sie in einer bestimmten Zeit leisten konnten. Er schuf eine Einheit, die darauf basierte, wie viel Arbeit ein einzelnes Grubenpony leisten konnte. Es war damals wohlbekannt, dass ein einzelnes Pony in einer Minute 220 Pfund Kohle durch einen 30 Meter hohen Minenschacht heben konnte. Das entspricht 22.000 ft-lb/min. Er nahm dann fälschlicherweise an, dass ein normales Pferd 50% mehr Arbeit leisten könnte und definierte die PS willkürlich als 33.000 ft-lb/min, was 550 ft-lb/s entspricht. In SI-Einheiten sind das 745,7 Watt.
Als Leistungseinheit sind die PS in der Regel für Motoren und – manchmal – für die Kühlleistung der Klimaanlage reserviert. Warum verwenden wir es immer noch? Wahrscheinlich aus dem gleichen Grund, aus dem die Menschen in einigen Ländern, einschließlich der Vereinigten Staaten, immer noch das imperiale Maßsystem verwenden: Gewohnheit.