Du kan hitta mekanisk kraftanvänds överallt i den moderna världen. Reste du i bil idag? Den använde energi, antingen från bränsle eller ett batteri, för att flytta en sammankopplad serie av mekaniska komponenter - axlar, kugghjul, remmar och så vidare - tills slutligen den energin användes för att snurra hjulen och flytta fordonet fram.
Krafti fysik är ett mått påBetygsättavid vilken arbeteutförs över tiden. Ordet ”mekaniskt” är bara beskrivande; den berättar att kraften är förknippad med en maskin och rörelse av olika komponenter som bilens drivlina eller klockor.
Den mekaniska kraftformeln använder samma grundläggande fysiklagar som används för andra former av kraft.
TL; DR (för lång; Läste inte)
KraftP är definierad som arbeteWövertidtenligt följande formel. Anmärkning om enheter: kraften ska vara i watt (W), arbeta i joule (J) och tid i sekunder (s) - dubbelkolla alltid innan du ansluter dina värden.
Mekanisk kraft följer samma lagar som styr andra typer av kraft som kemisk eller termisk.
Mekanisk kraftär helt enkelt kraft förknippat med rörliga komponenter i ett mekaniskt system, till exempel kugghjul, hjul och remskivor inuti en antik klocka.Energi, kraft, arbete och kraft
För att förstå uttrycket för mekanisk kraft är det bra att lägga fram fyra sammankopplade termer:energi, tvinga, arbeteochkraft.
- DeenergiEett objekt innehåller är ett mått på hur mycket arbete det kan göra; med andra ord, hur mycket rörelse den har potential att skapa. Det mäts i joule (J).
- AtvingaFär i huvudsak ett tryck eller drag. Krafter överför energi mellan föremål. Liksom hastighet har kraft bådamagnitudochriktning. Det mäts i Newton (N).
- Om en kraft rör ett objekti samma riktningdet agerar, det utför arbete. Per definition behövs en enhet för att utföra en arbetsenhet. Eftersom energi och arbete definieras i termer av varandra mäts de båda i joule (J).
- Kraftär ett mått på Betygsättavid vilken arbete utförsellerenergi används över tid. Standardenhet för effekt är watt (W).
Ekvation för mekanisk kraft
På grund av förhållandet mellan energi och arbete finns det två vanliga sätt att uttrycka makt matematiskt. Den första är när det gällerarbete Wochtid t:
P = \ frac {W} {t}
Kraft i linjär rörelse
Om du har att göra med linjär rörelse kan du anta att vilken kraft som appliceras antingen rör ett objekt framåt eller bakåt längs en rak väg i linje med styrkan - tänk på tåg på en Spår. Eftersom den riktade komponenten i princip tar hand om sig själv kan du också uttrycka kraft i termer av en enkel formel medtvinga, distansochhastighet.
I dessa situationerarbete Wkan definieras somtvinga F × distans d. Anslut det till grundekvationen ovan så får du:
P = \ frac {Fd} {t}
Lägg märke till något bekant? Med linjär rörelse,distansdelat medtidär definitionen förhastighet (v), så vi kan också uttrycka makt som:
P = F \ frac {d} {t} = Fv
Ett exempel på beräkning: Bära tvätt
OK, det var mycket abstrakt matematik, men låt oss sätta det i gång nu för att lösa ett exempelproblem:
Dina föräldrar ber dig bära en 10 kilo ren tvätt på övervåningen. Om det normalt tar 30 sekunder att klättra uppför trappan och trappan är 3 meter lång, beräknar du hur mycket kraft kommer du att behöva spendera för att bära kläderna från trappans botten till topp.
Baserat på uppmaningen visste vi den tidentkommer att vara 30 sekunder, men vi har inget värde för jobbetW. Vi kan dock förenkla scenariot för uppskattningens skull. Snarare än att oroa dig för att flytta tvätten uppåt och framåt i varje enskilt steg, låt oss anta att du helt enkelt lyfter den i en rak linje från dess starthöjd. Nu kan vi användaP = F × d / tuttryck för mekanisk kraft, men vi behöver fortfarande räkna ut den inblandade kraften.
För att kunna bära tvätten måste du motverka tyngdkraften på den. Eftersom tyngdkraften ärF = mgi nedåtgående riktning måste du använda samma kraft i uppåtgående riktning. Anteckna detgär den tyngdacceleration som på jorden är 9,8 m / s2. Med detta i åtanke kan vi skapa en utökad version av standardeffektformeln:
P = mg \ frac {d} {t}
Och vi kan ansluta våra värden för massa, acceleration, avstånd och tid:
P = (10 \ gånger 9.8) \ frac {3} {30} = 9.08 \ text {watt}
Så du måste spendera cirka 9,08 watt för att bära tvätten.
En sista anmärkning om komplexitet
Vår diskussion har varit begränsad till ganska enkla scenarier och relativt enkel matematik. I avancerad fysik kan sofistikerade former av den mekaniska kraftekvationen kräva användning av kalkyl och längre, mer komplicerade formler som tar hänsyn till flera krafter, böjd rörelse och andra komplicerande faktorer.
Om du behöver mer fördjupad information kan HyperPhysics-databas värd för Georgia State University är en utmärkt resurs.