Natuurkundigen gebruiken alledaagse woorden op schijnbaar vreemde en zeer specifieke manieren. Werk voor een natuurkundige (W) is niet wat je doordeweeks van negen tot vijf doet. Het is het product van de kracht (F) toegepast op een object vermenigvuldigd met de afstand (d) het object beweegt als gevolg van die kracht.
W=Fd
Als het object niet beweegt, is er geen werk verricht. Leg dat maar eens uit aan de man die je auto uit een greppel probeert te duwen en geen geluk heeft om de auto in beweging te krijgen.
Natuurkundigen gebruiken ook het woord macht (P) op een bepaalde manier. Voor hen is kracht niet wat je krijgt door een stevig ontbijt te eten. Het is de tijd (t) het kost om een bepaalde hoeveelheid werk te doen. De machtsvergelijking is:
P=\frac{W}{t}
Met andere woorden, macht is de snelheid waarmee gewerkt wordt. Het is ook de snelheid van overdracht van warmte en elektrische energie. In de studie van elektriciteit is de machtsformule:
P=VI
waarVis de spanning in een circuit enikis de stroom die door dat circuit vloeit.
Als u weet wat het woord 'kracht' betekent voor natuurkundigen, kunt u de eenheden van kracht begrijpen. In het SI (metrische) systeem zijn de eenheden watt. Bij metingen in het imperiale systeem zijn de eenheden foot-pounds/seconde of paardenkracht. Eén pk is gelijk aan 550 foot-pounds/seconde.
Watts zijn de eenheden van vermogen in het SI-systeem
Het SI-systeem (Système Internationale) – ook wel het metrieke stelsel genoemd – heeft slechts zeven basiseenheden. Alle andere eenheden zijn hiervan afgeleid. In het SI-systeem wordt lengte gemeten in meters, massa in kilogram en tijd in seconden. Kracht is gelijk aan massa maal versnelling (uit de tweede wet van Newton), dus de eenheden zijn kg-m/s2. Dat betekent dat de werkeenheden kg-m. zijn2/s2. In plaats van deze eenheden in elke berekening te gebruiken, wat omslachtig zou zijn, definiëren wetenschappers een joule (J) (genoemd naar natuurkundige James Prescott Joule) als 1 kg-m2/s2. De joule is ook de eenheid van energie in het SI-systeem, hoewel het gebruikelijk is om ergs te gebruiken bij het meten in centimeters en grammen.
1\text{ joule}=1\text{ kgm}^2\text{/s}^2\\\text{ }\\1\text{ erg}=1\text{ gcm}^2\text{/ s}^2
Macht wordt gedefinieerd als arbeid gedeeld door tijd, dus de eenheden zijn joule/seconde. Wetenschappers hebben ook een andere naam voor deze eenheid. Het is de watt, genoemd naar James Watt, de Schotse uitvinder die hielp bij het ontwikkelen van de stoommachine die de industriële revolutie aandreef. In het SI-systeem wordt de watt gedefinieerd als:
1\text{ watt} = 1\text{ J/s}=1\text{ kgm}^2\text{/s}^3
Als je in centimeters en grammen meet, gebruik dan deze omrekening:
1\text{ watt} = 10^7\text{ ergs/s}=10^7\text{ gcm}^2\text{/s}^3
Wat is een paardenkracht?
Als je van auto's houdt, weet je dat de vermogens van automotoren altijd in pk's worden weergegeven. Dat betekent dat paardenkracht ook een eenheid van kracht is, maar waar komt het vandaan en waarom wordt het nog steeds gebruikt?
Het blijkt dat niemand minder dan James Watt de man is die verantwoordelijk is voor deze machtseenheid. Om zijn stoommachines te verkopen, moest hij kwantificeren hoeveel werk ze in een bepaalde tijd konden verzetten. Hij creëerde een eenheid op basis van hoeveel werk een pony met één pit zou kunnen doen. Het was destijds algemeen bekend dat een enkele pony in één minuut 220 pond steenkool in een mijnschacht van 30 meter kon tillen. Dat vertaalt zich naar 22.000 ft-lb/min. Vervolgens nam hij ten onrechte aan dat een gewoon paard 50% meer werk kon doen en definieerde hij het vermogen willekeurig als 33.000 ft-lb/min, wat hetzelfde is als 550 ft-lb/s. In SI-eenheden is dat 745,7 watt.
Als eenheid van vermogen wordt het vermogen meestal gereserveerd voor motoren en – soms – koelcapaciteit van airconditioning. Waarom gebruiken we het nog? Waarschijnlijk om dezelfde reden dat mensen in sommige landen, waaronder de Verenigde Staten, nog steeds het imperiale meetsysteem gebruiken: gewoonte.