МЕХАНИЧНА МОЩНОСТ: КАКВО Е, ПРИЛОЖЕНИЯ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

Най- механичната мощност е скоростта, с която се извършва работата, която се изразява математически с размера на извършената работа за единица време. И тъй като работата се извършва за сметка на погълната енергия, тя може да бъде посочена и като енергия за единица време.

Извикването на P за захранване, W за работа, E за енергия и t за времето, всичко по-горе може да бъде обобщено в лесни за използване математически изрази:

Фигура 1. Gossamer Albatross, „летящият велосипед“, премина през Ламанша през края на 70-те години на миналия век, използвайки само човешка сила. Източник: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner в английската Wikipedia

О, добре:

Наречен е в чест на шотландския инженер Джеймс Уат (1736-1819), известен с създаването на кондензаторната парова машина, изобретение, с което стартира индустриалната революция.

Други силови агрегати, които се използват в индустрията са к.с. (мощност или конска мощност) и CV (конски сили). Произходът на тези единици също датира от Джеймс Уат и Индустриалната революция, когато стандартът за измерване е скоростта, с която е работил кон.

Както к.с., така и CV са приблизително равни на ¾ кило-W и все още се използват широко, особено в машиностроенето, например при обозначаването на двигатели.

Множество от вата, като гореспоменатите кило-W = 1000 W, също често се използват в електрическа енергия. Това е така, защото джулът е сравнително малка единица енергия. Британската система използва фунт фута / секунда.

От какво се състои и приложения в промишлеността и енергетиката

Концепцията за мощност е приложима за всички видове енергия, било то механична, електрическа, химическа, вятърна, звукова или от всякакъв вид. Времето е много важно в индустрията, защото процесите трябва да протичат възможно най-бързо.

Всеки мотор ще свърши необходимата работа, стига да има достатъчно време, но важното е да го направите в най-кратки срокове, за да повишите ефективността.

Веднага е описано много просто приложение, за да се изясни добре разликата между работа и мощност.

Да предположим, че тежък предмет се дърпа от въже. За целта е необходим външен агент, който да извърши необходимата работа. Нека да кажем, че този агент прехвърля 90 J енергия в обектно-струнната система, така че да бъде пуснат в движение за 10 секунди.

В такъв случай скоростта на пренос на енергия е 90 J / 10 s или 9 J / s. Тогава можем да потвърдим, че този агент, човек или двигател, има изходна мощност от 9 W.

Ако друг външен агент е в състояние да постигне същото изместване, или за по-малко време, или чрез прехвърляне на по-малко енергия, той е в състояние да развие по-голяма мощност.

Друг пример: да предположим пренос на енергия от 90 J, който успява да настрои системата в движение за 4 секунди. Изходната мощност ще бъде 22,5 W.

Изпълнение на машина

Мощността е тясно свързана с производителността. Енергията, доставена на машина, никога не се трансформира напълно в полезна работа. Важна част обикновено се разсейва в топлината, което зависи от много фактори, например от дизайна на машината.

Ето защо е важно да се знае работата на машините, която се определя като коефициентът между извършената работа и доставената енергия:

Когато гръцката буква η обозначава добива, безразмерно количество, което винаги е по-малко от 1. Ако също се умножи по 100, имаме добивът в проценти.

Примери

- Хората и животните развиват сила по време на движение. Например изкачването на стълби изисква работа срещу гравитацията. Сравнявайки двама души, изкачващи се по стълба, този, който изкачи всички стъпала първи, ще развие повече сила от другия, но и двамата свършиха една и съща работа.

- Домакинските уреди и машини имат посочена изходна мощност. Крушка с нажежаема жичка, подходяща за осветяване на кладенец, има мощност 100 W. Това означава, че крушката преобразува електрическата енергия в светлина и топлина (по-голямата част от нея) със скорост 100 J / s.

- Моторът на косачка може да консумира около 250 W, а този на автомобил е от порядъка на 70 кВт.

- Домашната водна помпа обикновено доставя 0,5 к.с.

- Слънцето генерира 3.6 x 10 ²⁶ W мощност.

Мощност и скорост

Непосредствената мощност се получава чрез отнемане на безкрайно минимално време: P = dW / dt. Силата, която произвежда работата, предизвикваща малкото безкрайно малко изместване d x, е F (и двете са вектори), следователно dW = F d x. Замествайки всичко в израза за силата, остава:

Човешка сила

Хората са способни да генерират мощност от около 1500 W или 2 конски сили, поне за кратко време, като вдигане на тежести.

Средно дневната мощност (8 часа) е 0,1 к.с. на човек. Голяма част от тях се превежда на топлина, приблизително същото количество, генерирано от крушка с нажежаема жичка от 75 W.

Спортист в тренировките може да генерира средно 0,5 к.с., еквивалентно на 350 J / s приблизително, чрез трансформиране на химична енергия (глюкоза и мазнини) в механична енергия.

Фигура 2. Спортист развива средна мощност от 2 к.с. Източник: Pixabay

Що се отнася до човешката сила, обикновено се предпочита да се измерва в кило-калории / час, а не във ватове. Необходимата еквивалентност е:

Мощност от 0,5 к.с. звучи като много малко количество и е за много приложения.

През 1979 г. обаче е създаден велосипед с човешки двигател, който може да лети. Пол Маккаури проектира Gossamer Albatross, който премина през Ламанша и генерира 190 W средна мощност (Фигура 1).

Разпределение на електрическа енергия

Важно приложение е разпределението на електрическата енергия между потребителите. Компаниите, които доставят електроенергия, изразходват консумираната енергия, а не скоростта, с която тя се консумира. Ето защо онези, които четат внимателно сметката ви, ще намерят много специфична единица: киловатчаса или kW-h.

Въпреки това, когато името Watt е включено в това устройство, то се отнася до енергия, а не до мощност.

Киловат-часът се използва за обозначаване на консумацията на електрическа енергия, тъй като джаулът, както беше споменато по-горе, е доста малка единица: 1 ват-час или Wh е работата, извършена за 1 час с мощност 1 ват.

Следователно 1 kW-h е работата, която се извършва за час, работещ с мощност 1kW или 1000 W. Нека поставим числата, за да преобразуваме тези количества в джаули:

Счита се, че едно домакинство може да изразходва около 200 кВт часа на месец.

Упражнения

Упражнение 1

Земеделският производител използва трактор, за да издърпа бала сено М = 150 кг нагоре по наклон 15 ° и да го докара до плевнята с постоянна скорост от 5,0 км / ч. Коефициентът на кинетично триене между балата сено и улея е 0,45. Намерете изходната мощност на трактора.

Решение

За този проблем е необходимо да нарисувате диаграма на свободно тяло за балата сено, която се издига на наклона. Нека F е силата, приложена от трактора за повдигане на балата, α = 15º е ъгълът на наклон.

В допълнение, кинетичната сила на триене f _{триене,} която се противопоставя на движението, плюс нормалните N и теглото W (не бъркайте W от теглото с тази на работата).

Фигура 3. Изолирана диаграма на тялото на сена. Източник: Ф. Сапата.

Вторият закон на Нютон предлага следните уравнения:

Скоростта и силата имат една и съща посока и смисъл, следователно:

Необходимо е да преобразувате единиците на скоростта:

Замествайки стойностите, накрая получаваме:

Упражнение 2

Моторът, показан на фигурата, ще повдигне блока от 2 кг, започвайки от покой, с ускорение от 2 м / сек ² и за 2 секунди.

Фигура 4. Моторът повдига обект до определена височина, за което е необходимо да се свърши работа и да се развие мощност. Източник: Ф. Сапата.

Изчисли:

а) Височината, достигната от блока през това време.

б) Мощността, която двигателят трябва да развие, за да постигне това.

Решение

а) Това е равномерно измерено праволинейно движение, следователно ще се използват съответните уравнения с начална скорост 0. Достигнатата височина се дава от:

б) За да намерите силата, развита от двигателя, може да се използва уравнението:

И тъй като силата, която се упражнява върху блока, е чрез напрежението в струната, което е постоянно по величина:

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

Препратки

1. Figueroa, D. (2005). Серия: Физика за наука и инженерство. Том 2. Динамика. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB).
2. Найт, Р. 2017. Физиката за учените и инженерството: стратегически подход. Пиърсън.
3. Физика Libretexts. Ел. Възстановено от: phys.libretexts.org
4. Книгата с хипертекста на физиката. Ел. Възстановени от: physics.info.
5. Работа, енергия и сила. Извлечено от: ncert.nic.in