МЕХАНІЧНА ПОТУЖНІСТЬ: ЩО ЦЕ, ДОДАТКИ, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Механічна потужність являє собою швидкість , при якій виконується робота, яка виражається математично обсяг роботи , виконаної за одиницю часу. А оскільки робота проводиться за рахунок поглиненої енергії, її також можна вказати як енергію за одиницю часу.

Викликаючи P до потужності, W до роботи, E до енергії та t до часу, все вищезазначене можна узагальнити у простих у використанні математичних виразах:

Малюнок 1. Госсамер Альбатрос, "літаючий велосипед", перетнув Ла-Манш в кінці 1970-х, використовуючи лише людські сили. Джерело: Wikimedia Commons. Госсамер Альбатрос. Гуроадруннер в англійській Вікіпедії

Добре:

Він був названий на честь шотландського інженера Джеймса Ватта (1736-1819), відомого за створення конденсаторної парової машини, винахід, який розпочав промислову революцію.

Іншими силовими агрегатами, які застосовуються в галузях промисловості, є к.с. Походження цих одиниць також походить від Джеймса Ватта та Промислової революції, коли стандартом вимірювання була швидкість, з якою працював кінь.

І к.с., і к.с. приблизно дорівнює ¾ кіловат-Вт і досі широко застосовуються, особливо в машинобудуванні, наприклад при призначенні двигунів.

Кілька Вт, наприклад, згаданий кіло-Вт = 1000 Вт, також часто використовуються в електроенергії. Це тому, що джоуль - відносно невелика одиниця енергії. Британська система використовує фунт футів / секунду.

З чого він складається і застосування в промисловості та енергетиці

Поняття енергетики застосовується до всіх видів енергії, будь то механічна, електрична, хімічна, вітряна, звукова або будь-якого типу. Час дуже важливий у промисловості, оскільки процеси повинні протікати якнайшвидше.

Будь-який мотор буде виконувати необхідну роботу до тих пір, поки у нього буде достатньо часу, але важливо - зробити це в найкоротші терміни, щоб підвищити ефективність.

Одразу описано дуже просте додаток, щоб чітко уточнити різницю між роботою та потужністю.

Припустимо, важкий предмет тягне мотузку. Для цього потрібен зовнішній агент, щоб виконати необхідну роботу. Скажімо, що цей агент передає 90 Дж енергії в об'єктно-струнну систему, так що він буде приведений в рух на 10 секунд.

У такому випадку швидкість передачі енергії становить 90 Дж / 10 с або 9 Дж / с. Тоді ми можемо підтвердити, що цей агент, людина чи двигун, має вихідну потужність 9 Вт.

Якщо інший зовнішній агент здатний досягти такого ж переміщення, або за менший час, або за рахунок передачі менше енергії, він може розвивати більшу потужність.

Інший приклад: припустимо, передача енергії 90 Дж, що вдається привести систему в рух протягом 4 секунд. Вихідна потужність складе 22,5 Вт.

Продуктивність машини

Потужність тісно пов'язана з продуктивністю. Енергія, що подається на машину, ніколи не повністю перетворюється на корисну роботу. Важлива частина зазвичай розсіюється в теплі, що залежить від багатьох факторів, наприклад конструкції машини.

Ось чому важливо знати продуктивність машин, яка визначається як коефіцієнт між виконаною роботою та поставленою енергією:

Там, де грецькою літерою η позначається вихід, безрозмірна кількість, яка завжди менша за 1. Якщо її також помножити на 100, ми отримаємо вихід у відсотках.

Приклади

- Люди і тварини розвивають силу під час руху. Наприклад, підйом по сходах вимагає роботи проти сили тяжіння. Порівнюючи двох людей, що піднімаються сходами, той, хто піднімається всіма східцями першими, розвинув би більше сил, ніж інші, але вони обидва зробили ту саму роботу.

- Побутова техніка та техніка мають вказану вихідну потужність. Лампа розжарювання, придатна для освітлення приміщення, має потужність 100 Вт. Це означає, що лампочка перетворює електричну енергію в світло і тепло (більшу частину) зі швидкістю 100 Дж / с.

- Мотор газонокосарки може споживати близько 250 Вт, а потужність автомобіля - близько 70 кВт.

- Домашній водяний насос зазвичай постачає 0,5 к.с.

- Сонце генерує 3,6 х 10 ²⁶ Вт потужності.

Потужність і швидкість

Миттєва потужність отримується, приймаючи нескінченно малий час: P = dW / dt. Сила, яка виробляє роботу, викликаючи малий нескінченно малий зсув d x, дорівнює F (обидва - вектори), тому dW = F d x . Підміняючи все в виразі на владу, залишається:

Людська сила

Люди здатні генерувати потужність близько 1500 Вт або 2 кінських сили, принаймні на короткий час, наприклад, підйом ваги.

В середньому добова потужність (8 годин) становить 0,1 к.с. на людину. Значна частина переводиться на тепло, приблизно стільки ж, скільки генерується лампа розжарювання потужністю 75 Вт.

Спортсмен на тренуванні може генерувати в середньому 0,5 к.с., що еквівалентно 350 Дж / с, шляхом перетворення хімічної енергії (глюкози та жиру) в механічну енергію.

Малюнок 2. Спортсмен розвиває середню потужність 2 к.с. Джерело: Pixabay.

Що стосується енергії людини, то зазвичай вважають за краще вимірювати в кілокалоріях / годину, а не у ватах. Необхідна еквівалентність:

Потужність 0,5 к.с. звучить як дуже невелика кількість, і це для багатьох застосувань.

Однак у 1979 році було створено велосипед, що працює на людях, який міг літати. Пол Макквері сконструював Gossamer Albatross, який перетнув Англійський канал, генеруючи 190 Вт середньої потужності (рис. 1).

Розподіл електричної енергії

Важливим застосуванням є розподіл електричної енергії між користувачами. Компанії, які постачають рахунок за електроенергію, споживають енергію, а не швидкість її споживання. Тому ті, хто уважно читає ваш рахунок, знайдуть дуже специфічну одиницю: кіловат-годину або кВт-год.

Однак, коли в цю одиницю включено ім'я Ватт, це стосується енергії, а не енергії.

Кіловат-годину використовують для позначення споживання електричної енергії, оскільки джоуль, як було сказано раніше, є досить невеликою одиницею: 1 ват-годину або Wh - це робота, виконана за 1 годину потужністю 1 ват.

Тому 1 кВт-год - це робота, яка виконується за годину, працюючи потужністю 1 кВт або 1000 Вт. Поставимо числа для перерахування цих сум у джоулі:

За оцінками, домогосподарство може споживати близько 200 кВт-годин на місяць.

Вправи

Вправа 1

Фермер використовує трактор, щоб витягнути тюк сіна М = 150 кг на нахил 15 ° і піднести його до сараю зі постійною швидкістю 5,0 км / год. Коефіцієнт кінетичного тертя між тюком сіна та жолобом становить 0,45. Знайдіть потужність трактора.

Рішення

Для цієї проблеми потрібно намалювати схему вільного тіла для тюка сіна, що піднімається на схилі. Нехай F - сила, прикладена трактором для підняття тюка, α = 15º - кут нахилу.

Крім того, задіяна кінетична сила тертя f _тертя, яка протистоїть руху, плюс нормальна N і вага W (не плутайте W ваги з вагою роботи).

Малюнок 3. Ізольована схема тіла тюків сіна. Джерело: Ф. Сапата.

Другий закон Ньютона пропонує такі рівняння:

Швидкість і сила мають однаковий напрямок і сенс, тому:

Потрібно перетворити одиниці швидкості:

Підставляючи значення, нарешті отримуємо:

Вправа 2

Двигун, показаний на малюнку, підніме блок на 2 кг, починаючи з відпочинку, з прискоренням 2 м / с ² і за 2 секунди.

Малюнок 4. Мотор піднімає предмет на певну висоту, для чого необхідно виконати роботу та розвинути силу. Джерело: Ф. Сапата.

Обчисліть:

а) Висота, досягнута блоком за той час.

б) потужність, яку повинен розвивати двигун для досягнення цього.

Рішення

а) Це рівномірний прямолінійний рух, тому будуть використані відповідні рівняння з початковою швидкістю 0. Досягнута висота задається:

б) Для пошуку потужності, виробленої двигуном, можна використовувати рівняння:

А оскільки сила, яка діє на блок, відбувається через натяг у струні, який є постійним за величиною:

P = (ma) .y / Δ t = 2 кг х 2 м / с ² х 4 м / 2 с = 8 Вт

Список літератури

1. Фігероа, Д. (2005). Серія: Фізика для науки та техніки. Том 2. Динаміка. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB).
2. Найт, Р. 2017. Фізика для вчених та інженерія: стратегічний підхід. Пірсон.
3. Фізичні вільні тексти. Потужність. Відновлено з: phys.libretexts.org
4. Книга з фізичного гіпертексту. Потужність. Відновлено: Physics.info.
5. Робота, енергія та потужність. Отримано з: ncert.nic.in