- Vad det består av och applikationer inom industri och energi
- Maskinens prestanda
- exempel
- Kraft och hastighet
- Mänsklig makt
- Distribution av elektrisk energi
- övningar
- Övning 1
- Lösning
- Övning 2
- Lösning
- referenser
Den mekaniska kraften är den hastighet med vilken arbetet, som uttrycks matematiskt av mängden arbete som utförs per tidsenhet utförs. Och eftersom arbetet utförs på bekostnad av absorberad energi kan det också anges som energi per tidsenhet.
Att kalla P till makten, W att arbeta, E till energi och t till tid, allt ovan kan sammanfattas i lättanvända matematiska uttryck:
Bild 1. Gossamer Albatross, den "flygande cykeln", korsade den engelska kanalen i slutet av 1970-talet med bara mänsklig makt. Källa: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner på engelska Wikipedia
Nåväl:
Andra kraftenheter som används i branscherna är hp (hästkraft eller hästkraft) och CV (hästkraft). Ursprunget för dessa enheter går också tillbaka till James Watt och den industriella revolutionen, då mätstandarden var den hastighet som en häst gjorde.
Både hp och CV är ungefär lika med ¾ kilo-W och används fortfarande i stor utsträckning, speciellt inom maskinteknik, till exempel i beteckningen av motorer.
Multiplar av watt, såsom ovannämnda kilo-W = 1000 W, används också ofta i elektrisk kraft. Detta beror på att joule är en relativt liten energienhet. Det brittiska systemet använder pund-fot / sekund.
Vad det består av och applikationer inom industri och energi
Begreppet kraft är tillämplig på alla typer av energi, vare sig det är mekaniskt, elektriskt, kemiskt, vind, ljud eller av något slag. Tid är mycket viktigt i industrin, eftersom processer måste köras så snabbt som möjligt.
Varje motor kommer att utföra nödvändigt arbete så länge den har 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 tydliggöra skillnaden mellan arbete och makt.
Anta att ett tungt föremål dras av ett rep. För att göra detta krävs en extern agent för att göra det nödvändiga arbetet. Låt oss säga att detta medel överför 90 J energi till objektsträngssystemet, så att det sätts i rörelse i 10 sekunder.
I ett sådant fall är energiöverföringshastigheten 90 J / 10 s eller 9 J / s. Då kan vi bekräfta att agenten, en person eller en motor, har en utgångseffekt på 9 W.
Om ett annat externt medel kan uppnå samma förskjutning, antingen på kortare tid eller genom att överföra mindre energi, kan den utveckla större kraft.
Ett annat exempel: anta en energiöverföring på 90 J, som lyckas sätta systemet i rörelse i 4 sekunder. Uteffekten är 22,5 W.
Maskinens prestanda
Kraft är nära relaterad till prestanda. Energin som tillförs en maskin omvandlas aldrig helt till användbart arbete. En viktig del avlägsnas vanligtvis i värme, vilket beror på många faktorer, till exempel maskinens design.
Det är därför det är viktigt att känna till maskinernas prestanda, som definieras som kvoten mellan det levererade arbetet och den levererade energin:
Där den grekiska bokstaven η anger avkastningen, en dimensionell kvantitet som alltid är mindre än 1. Om den också multipliceras med 100 har vi avkastningen i procentuella termer.
exempel
- Människor och djur utvecklar kraft under rörelse. Klättring av trappor kräver till exempel arbete mot gravitation. Jämförelse mellan två personer som klättrar på en stege, den som klättrar i alla steg först kommer att ha utvecklat mer kraft än den andra, men de båda gjorde samma jobb.
- Hushållsapparater och maskiner har sin utgångseffekt specificerad. En glödlampa som är lämplig för belysning av en rumsbrunn har en effekt på 100 W. Detta innebär att glödlampan omvandlar elektrisk energi till ljus och värme (mest av det) med en hastighet av 100 J / s.
- Motorn på en gräsklippare kan konsumera cirka 250 W och en bil är i storleksordningen 70 kW.
- En hemmagjord vattenpump ger vanligtvis 0,5 hk.
- Solen genererar 3,6 x 10 26 W kraft.
Kraft och hastighet
Omedelbar effekt erhålls genom att ta en oändlig tid: P = dW / dt. Kraften som producerar arbetet som orsakar den lilla infinitesimala förskjutningen d x är F (båda är vektorer), därför är dW = F d x . Att ersätta allt i uttrycket för makten kvarstår:
Mänsklig makt
Människor kan generera kraft på cirka 1500 W eller 2 hästkrafter, åtminstone under en kort tid, till exempel att lyfta vikter.
I genomsnitt är den dagliga effekteffekten (8 timmar) 0,1 hk per person. Mycket av det översätts till värme, ungefär samma mängd som genereras av en glödlampa med 75W.
En idrottare i träning kan generera i genomsnitt 0,5 hk motsvarande 350 J / s ungefär genom att omvandla kemisk energi (glukos och fett) till mekanisk energi.
Bild 2. En idrottsman utvecklar en genomsnittlig effekt på 2 hk. Källa: Pixabay.
När det gäller mänsklig makt är det i allmänhet att föredra att mäta i kilokalorier per timme, snarare än watt. Den nödvändiga ekvivalensen är:
En effekt på 0,5 hk låter som en mycket liten mängd, och den är för många applikationer.
Men 1979 skapades en mänskeldriven cykel som kunde flyga. Paul MacCready designade Gossamer Albatross, som korsade den engelska kanalen och genererade 190 W av genomsnittlig effekt (figur 1).
Distribution av elektrisk energi
En viktig applikation är distributionen av elektrisk energi mellan användare. De företag som levererar el fakturerar den förbrukade energin, inte den hastighet som den konsumeras. Det är därför de som läser din räkning noggrant kommer att hitta en mycket specifik enhet: kilowatt-timmen eller kW-h.
Men när namnet Watt ingår i denna enhet hänvisar det till energi och inte ström.
Kilowattimmet används för att indikera förbrukningen av elektrisk energi, eftersom joule, som nämnts tidigare, är en ganska liten enhet: 1 watt timme eller Wh är arbetet som utförs på 1 timme med en effekt på 1 watt.
Därför är 1 kW-h det arbete som utförs på en timme med en effekt på 1 kW eller 1000 W. Låt oss sätta siffrorna för att konvertera dessa belopp till joules:
Det uppskattas att ett hushåll kan konsumera cirka 200 kW timmar per månad.
övningar
Övning 1
En jordbrukare använder en traktor för att dra en höballe M = 150 kg upp en 15 ° lutning och ta den till ladan med en konstant hastighet av 5,0 km / h. Kinetisk friktionskoefficient mellan höbalen och rännan är 0,45. Hitta traktorns kraftuttag.
Lösning
För det här problemet måste du rita ett frigroppsdiagram för höbalgen som stiger i lutningen. Låt F vara den kraft som används av traktorn för att lyfta balen, α = 15º är lutningsvinkeln.
Dessutom är den kinetiska friktionskraften f friktion som motsätter sig rörelsen involverad, plus den normala N och vikten W (inte förväxla W av vikten med den i arbetet).
Bild 3. Isolerad kroppsdiagram över höbal. Källa: F. Zapata.
Newtons andra lag erbjuder följande ekvationer:
Hastighet och kraft har samma riktning och känsla, därför:
Det krävs att transformera enheterna med hastigheten:
Att ersätta värden får vi äntligen:
Övning 2
Motorn som visas i figuren lyfter blocket på 2 kg, med start från vila, med en acceleration på 2 m / s 2 och på 2 sekunder.
Bild 4. En motor lyfter ett föremål till en viss höjd, för vilket det är nödvändigt att utföra arbete och utveckla kraft. Källa: F. Zapata.
Beräkna:
a) Höjden nås av blocket under den tiden.
b) Kraften som motorn måste utveckla för att uppnå detta.
Lösning
a) Det är en jämnt varierad rätlinjig rörelse, därför kommer motsvarande ekvationer att användas, med initialhastighet 0. Den uppnådda höjden ges av:
b) För att hitta effekten utvecklad av motorn kan ekvationen användas:
Och eftersom kraften som utövas på blocket är genom spänningen i strängen, som är konstant i storlek:
P = (ma) .y / Δ t = 2 kg x 2 m / s 2 x 4 m / 2 s = 8 W
referenser
- Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik för vetenskap och teknik. Volym 2. Dynamics. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
- Knight, R. 2017. Fysik för forskare och teknik: en strategi-strategi. Pearson.
- Fysik Libretexts. Kraft. Återställd från: phys.libretexts.org
- Fysikens hypertextbok. Kraft. Återställd från: physics.info.
- Arbete, energi och kraft. Hämtad från: ncert.nic.in