Sie finden mechanische Kraftüberall in der modernen Welt im Einsatz. Bist du heute mit dem Auto gefahren? Es nutzte Energie, entweder aus Kraftstoff oder einer Batterie, um eine Reihe miteinander verbundener mechanischer Komponenten zu bewegen – Achsen, Zahnräder, Riemen und so weiter – bis schließlich diese Energie verwendet wurde, um die Räder durchzudrehen und das Fahrzeug zu bewegen nach vorne.
Leistungin der Physik ist ein Maß für dieBewertungbei welchem Arbeitwird im Laufe der Zeit durchgeführt. Das Wort „mechanisch“ ist lediglich beschreibend; Es sagt Ihnen, dass die Kraft mit einer Maschine und der Bewegung verschiedener Komponenten wie dem Antriebsstrang eines Autos oder den Zahnrädern einer Uhr verbunden ist.
Die Formel der mechanischen Leistung verwendet die gleichen grundlegenden physikalischen Gesetze, die für andere Formen der Leistung verwendet werden.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
LeistungP ist definiert als ArbeitWÜberZeittnach folgender Formel. Hinweis zu den Einheiten: Leistung sollte in Watt (W), Arbeit in Joule (J) und Zeit in Sekunden (s) angegeben werden – immer vor dem Einstecken der Werte nochmals überprüfen.
Mechanische Kraft folgt den gleichen Gesetzen, die für andere Arten von Kraft wie chemische oder thermische Kraft gelten. Mechanische Kraftist einfach die Kraft, die mit den beweglichen Komponenten eines mechanischen Systems verbunden ist, zum Beispiel den Zahnrädern, Rädern und Riemenscheiben in einer antiken Uhr.
Energie, Kraft, Arbeit und Leistung
Um den Ausdruck für mechanische Leistung zu verstehen, ist es hilfreich, vier miteinander verbundene Begriffe zu formulieren:Energie, Macht, ArbeitundLeistung.
- DasEnergieEein Objekt enthält ist ein Maß dafür, wie viel Arbeit es tun kann; mit anderen Worten, wie viel Bewegung er erzeugen kann. Es wird in Joule (J) gemessen.
- EINMachtFist im Wesentlichen ein Push oder Pull. Kräfte übertragen Energie zwischen Objekten. Wie die Geschwindigkeit hat die Kraft beidesGrößeundRichtung. Es wird in Newton (N) gemessen.
- Wenn eine Kraft ein Objekt bewegtin die gleiche Richtunges spielt, es performt Arbeit. Per Definition wird eine Energieeinheit benötigt, um eine Arbeitseinheit zu verrichten. Da Energie und Arbeit aufeinander bezogen sind, werden beide in Joule (J) gemessen.
- Leistungist ein Maß für die Bewertungbei welchem Arbeit wird verrichtetoderEnergie wird verbraucht im Laufe der Zeit. Die Standardeinheit der Leistung ist Watt (W).
Gleichung für mechanische Leistung
Aufgrund der Beziehung zwischen Energie und Arbeit gibt es zwei gängige Möglichkeiten, Macht mathematisch auszudrücken. Die erste ist in Bezug aufArbeit WundZeit t:
P=\frac{W}{t}
Kraft in Linearbewegung
Wenn Sie es mit linearer Bewegung zu tun haben, können Sie davon ausgehen, dass jede ausgeübte Kraft entweder ein Objekt bewegt auf gerader Bahn entsprechend der Krafteinwirkung vorwärts oder rückwärts – denken Sie an Züge auf a Spur. Da sich die Richtungskomponente im Grunde von selbst erledigt, können Sie die Leistung auch in Form einer einfachen Formel mit ausdrückenMacht, Entfernung, undGeschwindigkeit.
In diesen Situationen,Arbeit Wkann definiert werden alsMacht F × Entfernung d. Setze das in die obige Grundgleichung ein und du erhältst:
P=\frac{Fd}{t}
Bemerken Sie etwas Vertrautes? Bei linearer Bewegung,Entfernunggeteilt durchZeitist die Definition fürGeschwindigkeit (v), also können wir Macht auch ausdrücken als:
P=F\frac{d}{t}=Fv
Eine Beispielrechnung: Wäsche tragen
Okay, das war viel abstrakte Mathematik, aber lassen Sie uns jetzt ein Beispielproblem lösen:
Deine Eltern bitten dich, 10 Kilogramm saubere Wäsche nach oben zu tragen. Wenn Sie normalerweise 30 Sekunden brauchen, um die Treppe hinaufzusteigen und die Treppe 3 Meter hoch ist, schätzen Sie Wie viel Kraft müssen Sie aufwenden, um die Kleidung vom unteren Ende der Treppe zum zu tragen? oben.
Aufgrund der Aufforderung wussten wir, dass es Zeit wartwird 30 Sekunden sein, aber wir haben keinen Wert für die ArbeitW. Wir können das Szenario jedoch aus Gründen der Schätzung vereinfachen. Anstatt sich darum zu kümmern, die Wäsche bei jeder einzelnen Stufe nach oben und vorne zu bewegen, nehmen wir an, Sie heben sie einfach von ihrer Ausgangshöhe aus gerade an. Jetzt können wir dieP = F × d / tAusdruck mechanischer Kraft, aber wir müssen noch herausfinden, welche Kraft involviert ist.
Um die Wäsche zu tragen, müssen Sie der Schwerkraft entgegenwirken. Da die SchwerkraftF = mgnach unten, müssen Sie dieselbe Kraft nach oben ausüben. Beachten Sie, dassGist die Erdbeschleunigung, die auf der Erde 9,8 m/s. beträgt2. Vor diesem Hintergrund können wir eine erweiterte Version der Standardleistungsformel erstellen:
P=mg\frac{d}{t}
Und wir können unsere Werte für Masse, Beschleunigung, Weg und Zeit einsetzen:
P=(10\times 9,8)\frac{3}{30}=9,08\text{ Watt}
Sie müssen also etwa 9,08 Watt aufwenden, um die Wäsche zu tragen.
Eine letzte Anmerkung zur Komplexität
Unsere Diskussion hat sich auf ziemlich einfache Szenarien und relativ einfache Mathematik beschränkt. In der fortgeschrittenen Physik können komplizierte Formen der mechanischen Leistungsgleichung die Verwendung von Kalkül erfordern und längere, kompliziertere Formeln, die mehrere Kräfte, gekrümmte Bewegungen und andere erschwerende Faktoren berücksichtigen Faktoren.
Wenn Sie ausführlichere Informationen benötigen, können Sie die HyperPhysics-Datenbank gehostet von der Georgia State University ist eine ausgezeichnete Ressource.