Cum se calculează puterea mecanică

Puteți găsi puterea mecanicăîn uz peste tot în lumea modernă. Ai călătorit într-o mașină azi? Utiliza energie, fie din combustibil, fie din baterie, pentru a muta o serie interconectată de componente mecanice - osii, roți dințate, curele și așa mai departe - până când, în cele din urmă, acea energie a fost utilizată pentru a roti roțile și a deplasa vehiculul redirecţiona.

​Putereîn fizică este o măsură aratăla care muncăse efectuează în timp. Cuvântul „mecanic” este doar descriptiv; vă spune că puterea este asociată cu o mașină și mișcarea diferitelor componente, cum ar fi transmisia unei mașini sau roțile dințate ale unui ceas.

Formula puterii mecanice folosește aceleași legi fundamentale ale fizicii care sunt folosite pentru alte forme de putere.

TL; DR (Prea lung; Nu am citit)

​PutereP ​este definit ca muncăW​pestetimpt​conform următoarei formule. Notă privind unitățile: puterea ar trebui să fie în wați (W), să funcționeze în jouli (J) și timpul în secunde (s) - verificați întotdeauna înainte de a vă conecta valorile.

Puterea mecanică respectă aceleași legi care guvernează alte tipuri de energie, cum ar fi chimica sau termică. Puterea mecanicăeste pur și simplu puterea asociată cu componentele mobile ale unui sistem mecanic, de exemplu angrenajele, roțile și scripetele din interiorul unui ceas antic.

Pentru a înțelege expresia puterii mecanice, este util să stabiliți patru termeni interdependenți:energie​, ​forta​, ​muncășiputere​.

• energieE​un obiect conține este o măsură a cât de multă muncă poate face; cu alte cuvinte, câtă mișcare are potențialul de a crea. Se măsoară în jouli (J).
• AfortaF​este, în esență, o împingere sau tragere. Forțele transferă energie între obiecte. La fel ca viteza, forța are ambelemagnitudineșidirecţie. Se măsoară în Newtoni (N).
• Dacă o forță mută un obiectîn aceeași direcțieacționează, performează muncă. Prin definiție, o unitate de energie este necesară pentru a efectua o unitate de lucru. Deoarece energia și munca sunt definite unul în celălalt, ambele sunt măsurate în jouli (J).
• ​Putereeste o măsură a ratăla care se execută muncasause folosește energia  peste orar. Unitatea standard de putere este wattul (W).

Datorită relației dintre energie și muncă, există două moduri comune de exprimare a puterii matematic. Primul este în termeni demuncă​ ​Wșitimp​ ​t​:

Dacă aveți de-a face cu mișcare liniară, puteți presupune că orice forță aplicată mută un obiect înainte sau înapoi de-a lungul unei căi drepte în linie cu acțiunea forței - gândiți-vă la trenuri pe o urmări. Deoarece componenta direcțională are grijă de ea însăși, puteți exprima puterea în termenii unei formule simple folosindforta​, ​distanţă, șiviteză​.

În aceste situații,muncă​ ​Wpoate fi definit caforta​ ​F​ × ​distanţă​ ​d. Conectați-l la ecuația de bază de mai sus și veți obține:

Observați ceva familiar? Cu mișcare liniară,distanţăimpartit detimpeste definiția pentruviteză​ (​v), deci putem exprima și puterea ca:

Un exemplu de calcul: transportul rufelor

OK, a fost o mulțime de matematică abstractă, dar hai să o punem la treabă acum pentru a rezolva o problemă eșantion:

​Părinții tăi îți cer să duci o încărcătură de 10 kilograme de rufe curate la etaj. Dacă în mod normal îți ia 30 de secunde să urci scările, iar scările au o înălțime de 3 metri, estimează cât de multă putere va trebui să cheltuiți pentru a transporta hainele de la baza scării până la top.​

Pe baza promptului, am cunoscut momentul respectivtva fi de 30 de secunde, dar nu avem o valoare pentru muncăW. Cu toate acestea, putem simplifica scenariul de dragul estimării. În loc să vă faceți griji cu privire la deplasarea rufelor în sus și înainte pe fiecare pas individual, să presupunem că pur și simplu o ridicați în linie dreaptă de la înălțimea sa de pornire. Acum putem folosiP​ = ​F​ × ​d​ / ​texpresia puterii mecanice, dar trebuie totuși să ne dăm seama de forța implicată.

Pentru a transporta rufele, trebuie să contracarați forța gravitațională asupra ei. Întrucât forța gravitației esteF = mgîn direcția descendentă, trebuie să aplicați aceeași forță în direcția ascendentă. Rețineți căgeste accelerația datorată gravitației care pe Pământ este de 9,8 m / s². Având în vedere acest lucru, putem crea o versiune extinsă a formulei standard de putere:

Și ne putem conecta valorile pentru masă, accelerație, distanță și timp:

Deci, va trebui să cheltuiți aproximativ 9,08 wați pentru a transporta rufele.

Discuția noastră s-a limitat la scenarii destul de simple și la matematică relativ simplă. În fizica avansată, formele sofisticate ale ecuației puterii mecanice pot necesita utilizarea calculului și formule mai lungi, mai complicate, care iau în considerare forțele multiple, mișcarea curbată și alte complicații factori.

Dacă aveți nevoie de mai multe informații detaliate, Baza de date HyperPhysics găzduit de Georgia State University este o resursă excelentă.