MEHANIČKA SNAGA: ŠTO JE, APLIKACIJE, PRIMJERI - FIZIČKA - 2024

Mehanička snaga je stopa po kojoj se obavlja rad, koji se matematički izražava količinom rad po jedinici vremena. A budući da se posao vrši na štetu apsorbirane energije, to se može navesti i kao energija po jedinici vremena.

Pozivanje P na snagu, W na rad, E na energiju i t na vrijeme, sve gore navedeno može se sažeti u matematičke izraze koji se lako koriste:

Slika 1. Gossamer Albatross, 'leteći bicikl', prešao je preko Engleskog kanala krajem 1970-ih koristeći samo ljudsku snagu. Izvor: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner na engleskoj Wikipediji

O dobro:

Ime je dobio u čast škotskog inženjera Jamesa Watta (1736-1819), poznatog po stvaranju kondenzatorskog parnog stroja, izumu koji je pokrenuo industrijsku revoluciju.

Ostale pogonske jedinice koje se koriste u industriji su KS (snaga ili konjska snaga) i CV (konjske snage). Podrijetlo ovih jedinica također datira iz Jamesa Watta i industrijske revolucije, kad je mjerni standard bio stopa kojom je konj radio.

I KS i CV približno su jednaki ¾ kilo-W i još uvijek se široko koriste, posebno u strojarstvu, primjerice pri označavanju motora.

Višestruki vati, kao što je spomenuti kilo-W = 1000 W, također se često koriste u električnoj snazi. To je zato što je džoul relativno mala jedinica energije. Britanski sustav koristi sto funti u sekundi.

Što se sastoji i primjene u industriji i energetici

Koncept snage primjenjiv je na sve vrste energije, bilo da se radi o mehaničkoj, električnoj, kemijskoj, vjetrovitoj, zvučnoj ili bilo kojoj vrsti. Vrijeme je vrlo važno u industriji, jer se procesi moraju odvijati što je brže moguće.

Bilo koji motor će obavljati potrebne radove sve dok ima dovoljno vremena, ali važno je to učiniti u najkraćem mogućem roku, povećati učinkovitost.

Odmah je opisana vrlo jednostavna aplikacija koja dobro razjašnjava razliku između posla i snage.

Pretpostavimo da teški predmet povlači konopac. Da biste to učinili, potrebno je izvršiti vanjski agent koji će obaviti potrebne radove. Recimo da ovaj agent prenosi 90 J energije u objektno-nizki sustav, tako da se on pokreće 10 sekundi.

U takvom slučaju brzina prijenosa energije je 90 J / 10 s ili 9 J / s. Tada možemo potvrditi da taj agent, osoba ili motor, ima izlaznu snagu od 9 W.

Ako je drugi vanjski agent u stanju postići isto premještanje, bilo za manje vremena ili prijenosom manje energije, tada je u stanju razviti veću snagu.

Drugi primjer: pretpostavimo prijenos energije od 90 J, koji uspijeva pokrenuti sustav u pokretu 4 sekunde. Izlazna snaga bit će 22,5 W.

Izvedba stroja

Moć je usko povezana s performansama. Energija koja se dovodi u stroj nikada se u potpunosti ne pretvara u koristan rad. Važni dio obično se raspršuje u toplini, što ovisi o mnogim čimbenicima, primjerice dizajnu stroja.

Zbog toga je važno znati performanse strojeva, koja su definirana kao kvocijent između isporučenog rada i isporučene energije:

Tamo gdje grčko slovo η označava prinos, bezdimenzionalna količina koja je uvijek manja od 1. Ako se množi i sa 100, prinos imamo u postocima.

Primjeri

- Ljudi i životinje razvijaju snagu tijekom kretanja. Na primjer, penjanje stepenicama zahtijeva rad protiv gravitacije. Uspoređujući dvoje ljudi koji se penju ljestvama, onaj koji se penje na sve stepenice prvi će razviti više snage nego drugi, ali obojica su radila isti posao.

- Kućanski aparati i strojevi imaju određenu svoju izlaznu snagu. Žarulja sa žarnom niti pogodna za osvjetljenje prostorije ima snagu od 100 W. To znači da žarulja pretvara električnu energiju u svjetlost i toplinu (većinu) u brzini od 100 J / s.

- Motor kosilice može potrošiti oko 250 W, a motor automobila reda 70 kW.

- Domaća pumpa za vodu obično isporučuje 0,5 KS.

- Sunce stvara 3,6 x 10 ²⁶ W snage.

Snaga i brzina

Trenutna snaga dobiva se uzimanjem beskonačno minimalnog vremena: P = dW / dt. Sila koja proizvodi rad uzrokujući mali infinitezimalni pomak d x je F (oba su vektori), dakle dW = F d x. Zamijenivši sve u izrazu za snagu, ostaje:

Ljudska snaga

Ljudi mogu barem na kratko vrijeme proizvesti snagu od oko 1500 W ili 2 konjske snage, poput dizanja utega.

U prosjeku, dnevna snaga (8 sati) iznosi 0,1 KS po osobi. Većina se prevodi u toplinu, otprilike jednaku količinu koju stvara žarulja sa žarnom silom od 75 W.

Sportaš na treningu može stvoriti prosječno 0,5 KS, što odgovara približno 350 J / s, pretvarajući kemijsku energiju (glukozu i masti) u mehaničku energiju.

Slika 2. Sportaš razvija prosječnu snagu od 2 KS. Izvor: Pixabay.

Kad je u pitanju ljudska snaga, općenito se preferira mjerenje u kilo-kalorijama na sat, a ne u vatima. Potrebna ekvivalentnost je:

Snaga od 0,5 KS zvuči kao vrlo mala količina, a koristi se za mnoge aplikacije.

Međutim, 1979. godine stvoren je bicikl s ljudskim pogonom koji je mogao letjeti. Paul MacCready je dizajnirao Gossamer Albatross, koji je prešao kanal preko Engleskog kanala generirajući 190 W prosječne proizvodnje (slika 1).

Distribucija električne energije

Važna primjena je raspodjela električne energije između korisnika. Tvrtke koje isporučuju električnu energiju troše za potrošenu energiju, a ne za stopu potrošnje. Zato će oni koji pažljivo pročitaju vaš račun pronaći vrlo specifičnu jedinicu: kilovatni sat ili kW-h.

Međutim, kada je naziv Watt uključen u ovu jedinicu, to se odnosi na energiju, a ne na snagu.

Kilovat-sat koristi se za označavanje potrošnje električne energije, budući da je joule, kao što je već spomenuto, prilično mala jedinica: 1 vat-sat ili Wh je rad obavljen u 1 sat snagom od 1 vata.

Stoga je 1 kW-h posao koji se obavlja za jedan sat radeći snagom od 1kW ili 1000 W. Stavimo brojeve da pretvorimo ove količine u džulove:

Procjenjuje se da kućanstvo mjesečno može potrošiti oko 200 kW-sati.

vježbe

Vježba 1

Zemljoradnik koristi traktor kako bi povukao bala sijena M = 150 kg uz nagib od 15 ° i dovezao je do staje konstantnom brzinom od 5,0 km / h. Koeficijent kinetičkog trenja između bala sijena i jata je 0,45. Pronađite izlaznu snagu traktora.

Riješenje

Za ovaj problem trebate nacrtati dijagram slobodnog tijela za bala sijena koja se uzdiže na nagibu. Neka je F sila koja traktor primjenjuje za podizanje bala, α = 15 ° je kut nagiba.

Pored toga, uključena je kinetička sila trenja f _trenja koja se suprotstavlja kretanju, plus normalna N i težina W (nemojte brkati W težine s onom rada).

Slika 3. Izolirani dijagram tijela bala sijena. Izvor: F. Zapata.

Newtonov drugi zakon nudi sljedeće jednadžbe:

Brzina i sila imaju isti smjer i smisao, dakle:

Potrebno je transformirati jedinice brzine:

Zamjenom vrijednosti, konačno dobivamo:

Vježba 2

Motor prikazan na slici podići će blok težine 2 kg, počevši od mirovanja, s ubrzanjem od 2 m / s ² i za 2 sekunde.

Slika 4. Motor podiže predmet na određenu visinu, za što je potrebno obaviti posao i razvijati snagu. Izvor: F. Zapata.

Izračunati:

a) Visina koju je tada postigao blok.

b) Snaga koju motor mora razviti da bi se to postiglo.

Riješenje

a) To je jednoliko raznoliko pravocrtno gibanje, pa će se koristiti odgovarajući jednadžbe s početnom brzinom 0. Dosegnuta visina je dana:

b) Za pronalaženje snage koju motor razvija, jednadžba se može koristiti:

A kako je sila koja djeluje na blok stvara napetost u struni koja je konstantna po veličini:

P = (ma).y / Δ t = 2 kg x 2 m / s ² x 4 m / 2 s = 8 W

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 2. Dinamika. Uredio Douglas Figueroa (USB).
2. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike i inženjerstvo: strateški pristup. Pearson.
3. Libretexts za fiziku. Vlast. Oporavilo sa: phys.libretexts.org
4. Knjiga fizike hiperteksta. Vlast. Oporavak od: physics.info.
5. Rad, energija i snaga. Preuzeto s: ncert.nic.in