Kraft (fysik): definition, formel, enheter, hur man hittar (med exempel)

En kroppsbyggare och en femte klassare kunde båda bära alla böcker från en hylla uppför en trappa, men de kommer sannolikt inte att slutföra uppgiften på samma tid. Kroppsbyggaren kommer förmodligen att vara snabbare eftersom hon har en högreeffektän femte klassaren.

På samma sätt en racerbil med en höghästkraftkommer att kunna resa långt mycket snabbare än, ja, en häst.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Kraft är ett mått på hur mycket arbete som utförs i ett tidsintervall.

En snabb anmärkning om hästkrafter: Termen är tänkt att jämföra effekten av en ångmotor med en hästs, eftersom en 700 hästkraftsmotor skulle kunna göra ungefär 700 gånger arbetet för en häst. Det här går tillbaka till när ångmaskiner var nya och en av de mest framstående uppfinnarna som arbetade med förbättra deras effektivitet, James Watt, myntade termen som ett sätt att övertyga den genomsnittliga personen om deras värde.

Det finns två sätt att beräkna effekt beroende på vilken information som finns tillgänglig. Dessutom finns det två enheter som är lika giltiga.

1. Kraft när det gäller arbete och tid:

Där jobbetWmäts i Newton-meter (Nm) och tidtmäts i sekunder.

2. Kraft i termer av kraft och hastighet:

Där kraftFär i Newton (N) och hastighetvär i meter / sekund (m / s).

Dessa ekvationer är inte slumpmässigt ekvivalenta. Den andra ekvationen kan härledas från den första så:

Anteckna detarbeteär det samma somkraft gånger förskjutning:​

Ersätt detta med den första kraftekvationen:

Sedan, för förskjutning i vilken tidsenhet som helstär hastighet(v = d / t), skriv om termerna i slutet somvför att få den andra effektekvationen.

SI-enheten för kraftsidpresenteras vanligtvis somWatt (W), uppkallad efter samma James Watt som designade motorer och jämförde dem med hästar. Glödlampor och andra hushållsapparater innehåller vanligtvis denna enhet på sina etiketter.

Att titta på den andra formeln för kraft leder dock till en annan enhet. Kraft gånger hastighet ger en mätning i enheterna Newton-meter per sekund (Nm / s). Sedan, eftersom energienheten Joule också definieras som en Newton-meter (Nm), kan den första delen av den skrivas om som en Joule istället, vilket resulterar i den andra SI-enheten:Joule per sekund (J / s).​

• Effekt kan mätas i Watt (W) eller Joule per sekund (J / s).

Med tanke på definitionen av makt och de två sätten att hitta den ger det flera sätt attöka någons kraft: öka styrkan (använd mertvinga) eller få samma arbete gjort snabbare (minskateller ökav). En kraftfull bil är starkochsnabbt, och en svag är inte heller. Delättare och snabbare kan arbetet göras, denkraftfullareenheten som gör jobbet.

• Hur man ökar kraften: Få mer gjort på kortare tid.

Detta innebär också att en mycket stark maskin, säger en mycket muskulös kroppsbyggare, fortfarande kundesaknar kraft. En person som kan lyfta en mycket tung last, men bara mycket långsamt, är mindre kraftfull än någon som kan lyfta den snabbt.

På samma sätt är en väldigt snabb maskin eller person som inte gör så mycket gjort, någon som snabbt slår på plats men inte kommer någonstans, faktiskt inte kraftfull.

1. Usain Bolt genererade cirka 25 W effekt i sin rekordinställning på 100 m sprint, vilket tog 9,58 sekunder. Hur mycket arbete gjorde han?

Därför attPochtges, ochWär okänd, använd den första ekvationen:

2. Med vilken genomsnittlig kraft pressade han mot marken när han sprang?

Eftersomarbetei Nm är redan känt, liksomförflyttningi meter, dividerat med längden på loppet kommer att getvinga(uttryckt på ett annat sätt,arbeteär det samma somkraft gånger förskjutning:W = F × d):

3. Hur mycket kraft genererar en person på 48 kg som tar 6 sekunder att tävla upp en 3 meter trappa?

I detta problem ges förskjutning och tid, vilket snabbt möjliggör en hastighetsberäkning:

Den andra kraftekvationen har hastighet, men den inkluderar också kraft. En person som kör uppför en trappa arbetar för att motverka tyngdkraften. Så, i detta fall kan kraften hittas med hjälp av deras massa och acceleration på grund av tyngdkraften, som på jorden alltid är lika med 9,8 m / s².

Nu passar kraft och hastighet in i den andra formeln för kraft:

Observera att beslutet att lämna enheterna här som J / s istället för Watts är godtyckligt. Ett lika acceptabelt svar är 235,2 W.

4. En hästkraft i SI-enheter är cirka 746 watt, vilket är baserat på den belastning en passande häst skulle ha kunnat bära i en minut. Hur mycket jobbade exemplets häst den här tiden?

Det enda steget innan du ansluter värdena för effekt och tid till den första ekvationen är att se till att tiden är i rätt SI-enheter på sekunder genom att skriva om en minut till 60 sekunder. Sedan:

Många elföretag tar ut kunderna en avgift baserat på deraskilowattimmaranvändning. För att förstå innebörden av denna gemensamma elektriska enhet, börja med att bryta ner enheterna.

Prefixetkilobetyder 1000, så akilowatt (kW)är lika med 1000 watt. Således, akilowattimme (kWh)är mängden kilowatt som används på en timmes tid.

För att räkna kilowattimmar multiplicerar du antalet kilowatt gånger de använda timmarna. Således, om någon använder en 100 W-glödlampa i 10 timmar, har de använt totalt 1000 Watt-timmar, eller 1 kWh el.

1. Ett elföretag tar ut 0,12 dollar per kilowattimme. Ett mycket kraftfullt 3000 W vakuum används i 30 minuter. Hur mycket kostar denna mängd energi husägare?

3000 W = 3 kW

30 minuter = 0,5 timmar

2. Samma verktyg krediterar ett hushåll med $ 10 för varje 4 kWh el som det returnerar till elnätet. Solen ger cirka 1000 W effekt per kvadratmeter. Om en två kvadratmeter solcell i ett hus samlar energi i åtta timmar, hur mycket pengar genererar den?

Med tanke på informationen i problemet måste solcellen kunna samla 2000 W från solen eller 2 kW. På 8 timmar är det 16 kWh.