Mekanisk kraft Vad är, applikationer, exempel

De Mekanisk kraft Det är den rytm som arbetet utförs, vilket uttrycks på ett matematiskt sätt för mängden arbete per tidsenhet. Och eftersom arbetet görs på bekostnad av absorberad energi kan det också höjas som energi per tidsenhet.

Kallelse P till makten, W att jobba, OCH till energi och t Samtidigt kan allt ovanstående sammanfattas för att enkelt hantera matematiska uttryck:

Figur 1. Gossamer Albatross, "Flying Bicycle", korsade kanalen till La Mancha i slutet av 1970 -talet och använde bara mänsklig kraft. Källa: Wikimedia Commons. Gossamer albatross. Guroadrunner på English Wikipedia [Public Domain]

Nåväl:

Kraftenheterna i det internationella systemet (SI), som är systemet för allmänt antagna enheter, är Joule/andra eller watt, som förkortas W. Det utsågs således till hedern för den skotska ingenjören James Watt (1736-1819), känd för att ha skapat ångmotorn med en kondensor, uppfinningen som började den industriella revolutionen.

Andra kraftenheter som används i branscher är HP (Hästkraft eller Power Horse) och CV (Steam Horse). Ursprunget till dessa enheter går också tillbaka till James Watt och den industriella revolutionen, när mätmönstret var rytmen som en häst mot arbete.

Både HP och CV motsvarar ungefär ¾ kilo-W som fortfarande används mycket, särskilt inom maskinteknik, till exempel i beteckningen av motorer.

Watt multiplar, som de ovannämnda kilo-w = 1000 w används också ofta i el. Det beror på att Joule är en relativt liten energienhet. Det brittiska systemet använder libra-pie/andra.

[TOC]

Vad är bransch- och energiapplikationer

Kraftkonceptet är tillämpligt på alla typer av energi, vare sig det är mekanisk, elektrisk, kemisk, vind, sononisk eller något slag. Tiden är mycket viktig i branschen, eftersom processerna måste genomföras så snabbt som möjligt.

Varje motor kommer att göra det nödvändiga arbetet för att ha tillräckligt med tid, men det viktiga är att göra det på kortast möjliga tid för att öka effektiviteten.

En mycket enkel applikation beskrivs omedelbart för att klargöra skillnaden mellan arbete och kraftbrunn.

Anta att ett tungt föremål stoppas av ett rep. För att göra det krävs en extern agent som gör det nödvändiga arbetet. Låt oss säga att detta agent överför 90 J energi till objektkroppssystemet, så att det är i rörelse i 10 sekunder.

Kan tjäna dig: Cross Wave

I detta fall är energiöverföringshastigheten 90 J/10 s eller 9 j/s. Då kan vi bekräfta att den här agenten, en person eller en motor har en 9 W utgångseffekt.

Om ett annat externt medel kan uppnå samma förskjutning, antingen på kortare tid eller överföra mindre energi, kan den utveckla större kraft.

Ett annat exempel: Anta en energiöverföring på 90 J, som lyckas flytta systemet i 4 sekunder. Utgångseffekten blir 22.5 w.

Maskinprestanda

Kraften är nära besläktad med prestanda. Energin som levereras till en maskin förvandlas aldrig helt till användbart arbete. En viktig del sprids vanligtvis i värme, vilket beror på många faktorer, till exempel maskindesignen.

Det är därför det är viktigt att känna till maskinernas prestanda, som definieras som förhållandet mellan det levererade arbetet och den energi som levereras:

η = arbete levereras av den levererade maskinen/energin

Där de grekiska texterna η Betecknar prestandan, ett extra belopp som alltid är mindre än 1. Om du också multiplicerar med 100 har du prestandan i procentuella termer.

Exempel

- Människor och djur utvecklar makt under rörelse. Till exempel när du klättrar trappor är det nödvändigt att arbeta mot tyngdkraften. Jämför två personer som går upp en stege, som först går upp alla steg, kommer att ha utvecklat mer kraft än den andra, men båda gjorde samma jobb.

- Apparater och maskiner anges deras utgångseffekt. En lämplig glödlampa för att belysa ett rum i rummet har en kraft på 100 W. Detta innebär att glödlampan förvandlar elektricitet till ljus och värme (de flesta) med en hastighet av 100 j/s.

- Motorn för en gräsbeskärning kan konsumera cirka 250 W och en bil är i storleksordningen 70 kW.

- En hemlagad vattenpump levererar vanligtvis 0.5 hk.

- Solen genererar 3.6 x 10 ²⁶ W.

Kraft och hastighet

Omedelbar kraft erhålls genom att ta en oändlig tid: P = Dw/dt. Kraften som produceras av orsaken till den lilla oändliga förskjutningen dx är F (båda är vektorer) därför dw = F ● dx. Att ersätta allt i uttrycket för makt, återstår:

Kan tjäna dig: Centrifugalkraft: Formler, hur det beräknas, exempel, övningar

Därför kan kraft också uttryckas som skalprodukten mellan kraft och hastighet.

Mänsklig makt

Människor kan generera krafter på cirka 1500 W eller 2 hästkrafter, åtminstone under en kort tid, till exempel vägning av vikter.

I genomsnitt är den dagliga effektutgången (8 timmar) 0.1 hk per person. Varav mycket innebär värme, mer eller mindre samma mängd som genereras av en glödlampa på 75 W.

En idrottsman i träning kan generera i genomsnitt 0.5 HP motsvarande cirka 350 J/s, genom att omvandla kemisk energi (glukos och fett) till mekanisk energi.

figur 2. En idrottsman utvecklar en genomsnittlig kraft på 2 hk. Källa: Pixabay.

När det gäller mänsklig makt föredras det vanligtvis. Den nödvändiga ekvivalensen är:

1 kilokaloria = 1 näringskalori = 4186 J

En kraft på 0.5 hk låter som en mycket liten mängd, och det är för många applikationer.

1979 skapades emellertid en cykel som drivs av människor som kunde flyga. Paul MacCready designade Gossamer albatross, Det korsade LA Mancha -kanalen som genererade 190 W av genomsnittlig produktion (figur 1).

Distribution av elektrisk energi

En viktig applikation är fördelningen av el bland användare. Företag som levererar el fakturerar energin som konsumeras, inte den hastighet som den konsumeras. Det är därför de som läser sin räkning noggrant hittar en mycket specifik enhet: Kilowatt-Hora eller KW-H.

Men när namnet på Watt ingår i denna enhet avser energi och inte kraften.

Kilowatt-Hora används för att indikera konsumtionen av el, eftersom Joule, som nämnts tidigare, är en ganska liten enhet: 1 watt-hora eller w-h Det är det arbete som görs på 1 timme genom en kraft på 1 watt.

Därför 1 kW-h Det är det arbete som görs på en timme som arbetar med en effekt på 1 kW eller 1000 W. Låt oss sätta siffrorna för att skicka dessa belopp till Joules:

1 W-H = 1 W X 3600 S = 3600 J

1 kW-h = 1000 w x 3600 s = 3.6 x 10 ⁶ J

Det uppskattas att i ett hem kan cirka 200 kW-hora konsumeras per månad.

Det kan tjäna dig: absolut tryck: formel, hur det beräknas, exempel, övningar

Övningar

Övning 1

En jordbrukare använder en traktor för att dra en hö PACA på M = 150 kg på ett 15 ° lutande plan och ta den till ladan, med en konstant hastighet på 5.0 km / h. Koefficienten för kinetisk friktion mellan Hay Fardo och rampen är 0.Fyra fem. Hitta traktorns utgångseffekt.

Lösning

För detta problem är det nödvändigt att rita ett gratis kroppsdiagram för Hay Fardo som går upp på det lutande planet. Vara F Kraften som applicerar traktorn för att klättra på Bundo, α = 15º är lutningsvinkeln.

Dessutom är den kinetiska friktionskraften involverad F_Rör som motsätter sig rörelsen, plus det normala N och vikten W (Förväxla inte vikt W med arbetet).

Figur 3. Heo Fardo isolerat kroppsdiagram. Källa: f. Zapata.

Newtons andra lag erbjuder följande ekvationer:

∑ fx = f -w_x -F_Rör = 0 (Eftersom Bundo stiger med konstant hastighet)

∑fy = n - w_och = 0 (Det finns ingen rörelse längs X -axeln)

Den kinetiska friktionen beräknas av:

F_Rör = Kinetisk friktionskoefficient x magnitude på det normala

F_Rör = 0.Fyra fem . Wy = 0.45 x 150 kg x9.8 m/s2 x cos 15º = 639 n

F = w_x + F_Rör = M.g. synd = 150 kg. 9.8 m/s² . Synd 15 º + 639 n =  1019.42 n

Hastighet och styrka har samma riktning och betydelse därför:

P = F ● v = F. v

Det krävs för att omvandla hastighetsenheterna:

v = 5.0 km/ h = 1.39 m/ s

Ersätta värden får du äntligen:

P = 1019.42 n x 1.39 m/ s = 1417 w = 1.4 kW

Övning 2

Motorn som visas i figuren laddar upp 2 kg -blocket, från vila, med en acceleration på 2 m/s² och på 2 sekunder.

Figur 4. En motor höjer ett objekt till en viss höjd, för vilken det är nödvändigt att göra arbete och utveckla kraft. Källa: f. Zapata.

Beräkna:

a) Höjden nås vid blocket vid den tiden.

b) kraften som motorn måste utveckla för att uppnå den.

Lösning

a) Det är en enhetligt varierad rätlinjig rörelse, därför kommer motsvarande ekvationer att användas, med initial hastighet 0. Höjden som nås ges av:

y = ½ at² = ½ . 2 m/s² . (2 s)² = 4 m.

b) För att hitta kraften som utvecklats av motorn kan ekvationen användas:

P = ΔW/5t

Och eftersom kraften som utövas på blocket är genom spänningen i repet, som är konstant i storlek:

P = (ma).och/5T = 2 kg x 2 m/s² x 4 m / 2 s = 8 w

Referenser

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volym 2. Dynamisk. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
2. Riddare, r.  2017. Fysik för forskare och teknik: En strategistrategi.  Pearson.
3. Fysiklibrettexter. Kraft. Återhämtat sig från: phys.Librettexts.org
4. Fysikhypertextboken. Kraft. Återhämtad från: fysik.Info.
5. Arbete, energi och kraft. Återhämtat sig från: ncert.Snäll.i