אתה יכול למצוא כוח מכניבשימוש בכל מקום בעולם המודרני. נסעת במכונית היום? היא השתמשה באנרגיה, מדלק או מסוללה, כדי להעביר סדרה מחוברת של רכיבים מכניים - צירים, הילוכים, חגורות וכן הלאה - עד שלבסוף אנרגיה זו שימשה לסיבוב הגלגלים ולהזזת הרכב קָדִימָה.
כּוֹחַבפיזיקה הוא מדד לציוןבאיזה עֲבוֹדָהמבוצע לאורך זמן. המילה "מכני" היא תיאורית בלבד; זה אומר לך שהעוצמה קשורה למכונה ולתנועה של רכיבים שונים כמו הנעה של מכונית או גלגלי שיניים של שעון.
נוסחת הכוח המכני משתמשת באותם חוקים בסיסיים של הפיזיקה המשמשים לצורות כוח אחרות.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
כּוֹחַפ זה מוגדר כ עֲבוֹדָהWעלזְמַןtעל פי הנוסחה הבאה. הערה ביחידות: ההספק צריך להיות בוואט (W), לעבוד בג'אול (J) והזמן בשניות (שניות) - בדוק תמיד לפני שתחבר את הערכים שלך.
כוח מכני פועל על פי אותם חוקים השולטים בסוגים אחרים של כוח כגון כימי או תרמי. כוח מכניהוא פשוט כוח המשויך לרכיבים הנעים של מערכת מכנית, למשל גלגלי השיניים, הגלגלים והגלגלות בתוך שעון עתיק.
אנרגיה, כוח, עבודה וכוח
על מנת להבין את הביטוי לכוח מכני, כדאי לפרוש ארבעה מונחים הקשורים זה בזה:אֵנֶרְגִיָה, כּוֹחַ, עֲבוֹדָהוכּוֹחַ.
- האֵנֶרְגִיָההאובייקט מכיל הוא מדד לכמות העבודה שהוא יכול לעשות; במילים אחרות, כמה תנועה יש בה כדי ליצור. זה נמדד בג'אול (J).
- אכּוֹחַFהוא, בעצם, דחיפה או משיכה. כוחות מעבירים אנרגיה בין עצמים. כמו מהירות, גם לכוח יש את שניהםעוצמהוכיוון. זה נמדד בניוטון (N).
- אם כוח מזיז אובייקטבאותו הכיווןזה משחק, זה מבצע עֲבוֹדָה. בהגדרה, יש צורך ביחידת אנרגיה אחת בכדי לבצע יחידת עבודה אחת. מכיוון שאנרגיה ועבודה מוגדרים במונחים זה של זה, שניהם נמדדים בג'אול (J).
- כּוֹחַהוא מדד ל ציוןבאיזה מבוצעת עבודהאוֹמשתמשים באנרגיה שעות נוספות. יחידת ההספק הסטנדרטית היא הוואט (W).
משוואה לכוח מכני
בגלל הקשר בין אנרגיה לעבודה, ישנן שתי דרכים נפוצות לבטא כוח מתמטית. הראשון הוא מבחינתעֲבוֹדָה Wוזְמַן t:
P = \ frac {W} {t}
כוח בתנועה לינארית
אם אתה מתמודד עם תנועה ליניארית אתה יכול להניח שכל כוח שמופעל או מזיז אובייקט קדימה או אחורה בשביל ישר בקו אחד עם פעולת הכוח - חשוב על רכבות על מַסלוּל. מכיוון שרכיב הכיוון בעצם דואג לעצמו, ניתן גם להביע כוח במונחים של נוסחה פשוטה באמצעותכּוֹחַ, מֶרְחָק, ומְהִירוּת.
במצבים אלה,עֲבוֹדָה Wניתן להגדיר ככּוֹחַ F × מֶרְחָק ד. חבר את זה למשוואה הבסיסית שלמעלה ותקבל:
P = \ frac {Fd} {t}
שמים לב למשהו מוכר? בתנועה לינארית,מֶרְחָקמחולק בזְמַןהיא ההגדרה עבורמְהִירוּת (v), כך שנוכל להביע כוח גם כ:
P = F \ frac {d} {t} = Fv
חישוב לדוגמא: נשיאת כביסה
בסדר, זה היה הרבה מתמטיקה מופשטת, אבל בואו נעביד את זה עכשיו כדי לפתור בעיה לדוגמא:
ההורים שלך מבקשים ממך לשאת כביסה נקייה של 10 קילוגרם למעלה. אם בדרך כלל לוקח לך 30 שניות לעלות במדרגות, והמדרגות בגובה 3 מטרים, העריך כמה כוח תצטרך להשקיע בכדי לשאת את הבגדים מתחתית גרם המדרגות חלק עליון.
על סמך ההנחיה ידענו את הזמן הזהtיהיה 30 שניות, אך אין לנו ערך לעבודהW. עם זאת, אנו יכולים לפשט את התרחיש לצורך ההערכה. במקום לדאוג להעביר את הכביסה קדימה על כל צעד בודד, נניח שאתה פשוט מרים אותו בקו ישר מגובה ההתחלה. עכשיו אנחנו יכולים להשתמש ב-פ = F × ד / tביטוי של כוח מכני, אך עדיין עלינו להבין את הכוח הכרוך בכך.
על מנת לשאת את הכביסה עליכם לנטרל את כוח הכבידה עליו. מכיוון שכוח הכבידה הואF = מ"גבכיוון כלפי מטה, עליך להפעיל את אותו כוח בכיוון כלפי מעלה. ציין זאתזהוא התאוצה הנובעת מכוח המשיכה אשר על פני כדור הארץ היא 9.8 מ 'לשנייה2. עם זאת, אנו יכולים ליצור גרסה מורחבת של נוסחת הכוח הסטנדרטית:
P = mg \ frac {d} {t}
ונוכל לחבר את הערכים שלנו למסה, תאוצה, מרחק וזמן:
P = (10 \ פעמים 9.8) \ frac {3} {30} = 9.08 \ טקסט {וואט}
אז תצטרכו להוציא כ -9.08 וואט בכדי לשאת את הכביסה.
הערה אחרונה בנושא מורכבות
הדיון שלנו הוגבל לתרחישים פשוטים למדי ומתמטיקה פשוטה יחסית. בפיזיקה מתקדמת, צורות מתוחכמות של משוואת הכוח המכנית עשויות לדרוש שימוש בחשבון וב- נוסחאות ארוכות ומסובכות יותר שלוקחות בחשבון כוחות מרובים, תנועה מעוקלת וסיבוכים אחרים גורמים.
אם אתה זקוק למידע מעמיק יותר, מאגר HyperPhysics בהנחיית אוניברסיטת ג'ורג'יה היא משאב מצוין.