Voima (fysiikka): Määritelmä, kaava, yksiköt, miten löytää (w / esimerkkejä)

Kehonrakentaja ja viidesluokkalainen pystyisivät molemmat kantamaan kaikki kirjat hyllyltä portaita pitkin, mutta he eivät todennäköisesti pysty suorittamaan tehtävää samassa ajassa. Kehonrakentaja on todennäköisesti nopeampi, koska hänellä on korkeampinimellistehokuin viides luokkalainen.

Samoin kilpa-auto, jolla on korkeahevosvoimaavoi matkustaa kauemmas paljon nopeammin kuin no, hevonen.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Teho mittaa kuinka paljon työtä tehdään aikavälillä.

Nopea huomautus hevosvoimasta: Termin on tarkoitus verrata höyrykoneen tehoa hevosen tuotantoon, sillä 700 hevosvoiman moottori voisi tehdä noin 700 kertaa yhden hevosen työn. Tämä juontaa juurensa siihen aikaan, kun höyrykoneet olivat uusia ja yksi merkittävimmistä keksijöistä parantaa tehokkuuttaan, James Watt esitti sanan keinona vakuuttaa tavallinen ihminen heidän arvoinen.

Tehoa voidaan laskea kahdella tavalla riippuen käytettävissä olevista tiedoista. Lisäksi on olemassa kaksi voimayksikköä, jotka ovat yhtä päteviä.

1. Teho työn ja ajan suhteen:

Missä työWmitataan Newton-metreinä (Nm) ja aikanatmitataan sekunteina.

2. Teho voiman ja nopeuden suhteen:

Missä voimaFon Newtonissa (N), ja nopeusvon metreinä / sekunti (m / s).

Nämä yhtälöt eivät ole satunnaisesti vastaavia. Toinen yhtälö voidaan johtaa ensimmäisestä yhtälöstä:

Ota huomioon, ettätyöon sama kuinvoima kertaa siirtymä:​

Korvaa tämä ensimmäiseen tehoyhtälöön:

Sitten, koska siirtymä millä tahansa aikayksikölläon nopeus(v = d / t), kirjoita lopussa olevat termit uudeksivsaadaksesi toisen tehoyhtälön.

SI-tehoyksikkösesitetään yleensä nimelläWattia (W), nimetty samalle James Wattille, joka suunnitteli moottoreita ja vertasi niitä hevosiin. Hehkulamput ja muut kodinkoneet sisältävät yleensä tämän yksikön tarroissaan.

Toisen tehokaavan tarkastelu johtaa kuitenkin toiseen yksikköön. Voima kertaa -nopeus antaa mittauksen yksikköinä Newton-metriä sekunnissa (Nm / s). Sitten, koska energian yksikkö Joule määritellään myös yhdeksi Newton-metriksi (Nm), sen ensimmäinen osa voidaan kirjoittaa jouleksi, mikä johtaa toiseen SI-tehoyksikköön:Joulea sekunnissa (J / s).​

• Teho voidaan mitata watteina (W) tai jouleina sekunnissa (J / s).

Kun otetaan huomioon vallan määritelmä ja kaksi tapaa löytää se, saadaan aikaan useita tapojalisätä jonkin voimaa: lisää sen voimaa (käytä enemmänpakottaa) tai saada sama työ nopeammin (laskuttai lisätäv). Tehokas auto on vahvajanopea, ja heikko ei ole kumpikaan.työ voidaan tehdä helpommin ja nopeammin,voimakkaampityön tekijä.

• Kuinka lisätä tehoa: Tee enemmän tekemistä lyhyemmässä ajassa.

Tämä tarkoittaa myös sitä, että erittäin vahva kone, esimerkiksi erittäin lihaksikas kehonrakentaja, voisi siltipuuttuu valta. Henkilö, joka pystyy nostamaan erittäin raskaan kuorman, mutta vain hyvin hitaasti, on vähemmän voimakas kuin joku, joka pystyy nostamaan sen nopeasti.

Vastaavasti erittäin nopea kone tai henkilö, jolla ei ole paljon tekemistä, joku nopeasti paikoillaan, mutta ei pääse mihinkään, ei ole todellakin voimakas.

1. Usain Bolt tuotti noin 25 W tehoa ennätyksellisessä 100 m sprintissään, joka kesti 9,58 sekuntia. Kuinka paljon työtä hän teki?

KoskaPjatannetaan, jaWon tuntematon, käytä ensimmäistä yhtälöä:

2. Millä keskimääräisellä voimalla hän työnsi maata vasten juoksessaan?

Siitä asti kuntyöNm: ssä tunnetaan jo, samoin kuinsiirtymämetreinä jakamalla kilpailun pituus antaapakottaa(toisin sanoen,työon sama kuinvoima kertaa siirtymä:W = F × d):

3. Kuinka paljon voimaa tuottaa 48 kg painava henkilö, jolla kestää 6 sekuntia 3 metrin portaiden nousuun?

Tässä tehtävässä annetaan siirtymä ja aika, mikä mahdollistaa nopeuden laskemisen nopeasti:

Toisella tehoyhtälöllä on nopeus, mutta se sisältää myös voiman. Henkilö, joka juoksee portaita ylöspäin, pyrkii torjumaan painovoimaa. Joten voima voidaan tässä tapauksessa löytää niiden painosta johtuvan massan ja kiihtyvyyden perusteella, joka maapallolla on aina yhtä suuri kuin 9,8 m / s².

Nyt voima ja nopeus sopivat toiseen voiman kaavaan:

Huomaa, että päätös jättää yksiköt tähän nimellä J / s kuin Watts on mielivaltainen. Yhtä hyväksyttävä vastaus on 235,2 W.

4. Yksi hevosvoima SI-yksiköissä on noin 746 wattia, joka perustuu kuormitukseen, jonka sopiva hevonen olisi voinut kestää minuutin. Kuinka paljon työtä esimerkkihevonen teki tänä aikana?

Ainoa vaihe ennen tehon ja ajan arvojen kytkemistä ensimmäiseen yhtälöön on varmistaa, että aika on oikeassa SI-sekuntia yksiköissä kirjoittamalla minuutti 60 sekunniksi. Sitten:

Monet sähkölaitokset veloittavat asiakkailta maksun heidän mukaansakilowattituntiakäytön. Ymmärtääksesi tämän yhteisen sähköyksikön merkityksen, aloita rikkomalla yksiköt.

Etuliitekilotarkoittaa 1 000, joten akilowatti (kW)on yhtä suuri kuin 1000 wattia. Siten akilowattitunti (kWh)on käytetyn kilowatin määrä tunnissa.

Laskeaksesi kilowattitunteja, kerro kilowattien määrä kertaa käytetyt tunnit. Jos joku käyttää 100 watin hehkulamppua 10 tunnin ajan, hän on käyttänyt yhteensä 1000 wattia tuntia tai 1 kWh sähköä.

1. Sähkölaite veloittaa 0,12 dollaria kilowattitunnilta. Erittäin voimakasta 3000 W: n tyhjiötä käytetään 30 minuutin ajan. Kuinka paljon tämä energiamäärä maksaa asunnon omistajille?

3000 W = 3 kW

30 minuuttia = 0,5 tuntia

2. Sama laitos hyvittää kotitaloudelle 10 dollaria jokaisesta 4 kWh: sta sähköä, jonka se palauttaa verkkoon. Aurinko tuottaa noin 1000 W tehoa neliömetriä kohti. Jos kahden neliömetrin talon aurinkokenno kerää energiaa kahdeksan tunnin ajan, kuinka paljon rahaa se tuottaa?

Ottaen huomioon ongelman tiedot aurinkokennon on kyettävä keräämään 2000 W aurinkoa eli 2 kW. 8 tunnissa se on 16 kWh.