MECHANICKÁ SILA: ČO TO JE, APLIKÁCIE, PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2026

Mechanická energia je rýchlosť, pri ktorej sa vykonáva práce, ktorý je vyjadrený matematicky množstvom vykonanej práce za jednotku času. A keďže práca sa vykonáva na úkor absorbovanej energie, dá sa uviesť aj ako energia za jednotku času.

Volanie P k moci, W k práci, E k energii atv čase, všetko uvedené vyššie možno zhrnúť do ľahko použiteľných matematických výrazov:

Obrázok 1. Gossamer Albatross, „lietajúci bicykel“, prešiel cez anglický kanál na konci sedemdesiatych rokov s použitím iba ľudskej sily. Zdroj: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner na anglickej Wikipédii

Dobre:

Bol pomenovaný na počesť škótskeho inžiniera Jamesa Watta (1736 - 1819), známeho pre výrobu kondenzačného parného motora, vynálezu, ktorý začal priemyselnú revolúciu.

Ďalšími energetickými jednotkami, ktoré sa v priemysle používajú, sú hp (výkon koňa alebo výkon koňa) a CV (výkon koňa). Pôvod týchto jednotiek sa datuje aj od Jamesa Watta a priemyselnej revolúcie, keď štandardom merania bola miera, v ktorej kôň pracoval.

Hp aj CV sa približne rovnajú ¾ kilo-W a stále sa používajú, najmä v strojárstve, napríklad pri označovaní motorov.

V elektrickej energii sa často používajú aj násobky wattov, ako napríklad vyššie uvedený kilo-W = 1 000 W. Je to preto, že joule je relatívne malá jednotka energie. Britský systém používa libru a sekundu.

Z čoho pozostáva a aplikácie v priemysle a energetike

Pojem energie sa vzťahuje na všetky druhy energie, či už ide o mechanickú, elektrickú, chemickú, veternú, zvukovú alebo akúkoľvek inú energiu. Čas je v priemysle veľmi dôležitý, pretože procesy musia prebiehať čo najrýchlejšie.

Každý motor vykoná potrebnú prácu, pokiaľ má dostatok času, ale dôležité je urobiť to v čo najkratšom čase, aby sa zvýšila účinnosť.

Okamžite je opísaná veľmi jednoduchá aplikácia, ktorá dobre objasňuje rozdiel medzi prácou a mocou.

Predpokladajme, že ťažký predmet je ťahaný za lano. Na to je potrebný externý agent, ktorý vykonáva potrebné práce. Povedzme, že tento agent prevádza 90 J energie do systému objektových reťazcov, takže sa uvedie do pohybu na 10 sekúnd.

V takom prípade je rýchlosť prenosu energie 90 J / 10 s alebo 9 J / s. Potom môžeme potvrdiť, že tento agent, osoba alebo motor, má výstupný výkon 9 W.

Ak je iný externý agent schopný dosiahnuť rovnaké premiestnenie, či už v kratšom čase alebo prenosom menšej energie, je schopný vyvinúť väčšiu silu.

Ďalší príklad: predpokladajme prenos energie 90 J, ktorý dokáže uviesť systém do pohybu na 4 sekundy. Výstupný výkon bude 22,5 W.

Výkon stroja

Sila úzko súvisí s výkonom. Energia dodávaná do stroja sa nikdy úplne nezmení na užitočnú prácu. Dôležitá časť sa obvykle rozptyľuje teplom, čo závisí od mnohých faktorov, napríklad od konštrukcie stroja.

Preto je dôležité poznať výkonnosť strojov, ktorá je definovaná ako kvocient medzi dodanou prácou a dodanou energiou:

Ak grécke písmeno η označuje výnos, bezrozmerné množstvo, ktoré je vždy menšie ako 1. Ak sa vynásobí aj 100, máme výnos v percentách.

Príklady

- Ľudia a zvieratá si vyvíjajú silu počas pohybu. Napríklad lezecké schody si vyžadujú prácu proti gravitácii. Ak porovnáme dvoch ľudí, ktorí lezú po rebríku, ten, kto vylezie na všetky kroky ako prvý, si vyvinie viac sily ako ostatní, ale obaja urobili rovnakú prácu.

- Domáce spotrebiče a stroje majú špecifikovaný výstupný výkon. Žiarovka vhodná na osvetlenie miestnosti má výkon 100 W. To znamená, že žiarovka premieňa elektrickú energiu na svetlo a teplo (väčšina z nich) rýchlosťou 100 J / s.

- Motor kosačky na trávu môže spotrebovať asi 250 W a motor automobilu je rádovo 70 kW.

- Domáce vodné čerpadlo obvykle dodáva 0,5 hp.

- Slnko vyrába energiu 3,6 x 10 ²⁶ W.

Výkon a rýchlosť

Okamžitá energia sa získa pomocou nekonečného času: P = dW / dt. Sila, ktorá vytvára prácu spôsobujúcu malé nekonečné posunutie d x je F (obidva sú vektory), preto dW = F d x . Nahradením všetkého výrazu za silu zostáva:

Ľudská sila

Ľudia sú schopní generovať výkon približne 1 500 W alebo 2 kone, aspoň na krátky čas, napríklad zdvíhanie závaží.

Priemerný denný výkon (8 hodín) je 0,1 hp na osobu. Väčšina z nich sa premieňa na teplo, zhruba rovnaké množstvo generované 75 W žiarovkou.

Športovec v tréningu môže transformovať chemickú energiu (glukózu a tuk) na mechanickú energiu v priemere približne 0,5 hp približne 350 J / s.

Obrázok 2. Športovec vyvinie priemernú silu 2 hp. Zdroj: Pixabay.

Pokiaľ ide o ľudskú silu, vo všeobecnosti sa uprednostňuje meranie v kilogramoch kalórií za hodinu, ako vo wattoch. Potrebná rovnocennosť je:

Výkon 0,5 hp znie ako veľmi malé množstvo a je určený pre mnoho aplikácií.

V roku 1979 sa však vytvoril bicykel poháňaný ľuďmi, ktorý mohol lietať. Paul MacCready navrhol Gossamer Albatross, ktorý prešiel cez anglický kanál a generoval priemerný výkon 190 W (obrázok 1).

Rozvod elektrickej energie

Dôležitou aplikáciou je distribúcia elektrickej energie medzi užívateľmi. Spoločnosti, ktoré dodávajú účet za elektrinu za spotrebovanú energiu, nie rýchlosť, s akou sa spotrebúvajú. Preto tí, ktorí si váš účet pozorne prečítajú, nájdu veľmi špecifickú jednotku: kilowatthodinu alebo kW-h.

Ak je však v tejto jednotke uvedený názov Watt, týka sa to energie a nie energie.

Kilowatthodina sa používa na označenie spotreby elektrickej energie, pretože joule, ako už bolo uvedené, je pomerne malá jednotka: 1 watt-hodina alebo Wh je práca vykonaná za 1 hodinu s výkonom 1 watt.

Preto 1 kW-h je práca, ktorá sa vykonáva za hodinu práce s výkonom 1 kW alebo 1 000 W. Čísla prepočítame tieto sumy na jouly:

Odhaduje sa, že domácnosť môže spotrebovať približne 200 kWh za mesiac.

cvičenie

Cvičenie 1

Farmár používa traktor na ťahanie balíka sena M = 150 kg na 15 ° stúpanie a jeho jazdu do stodoly konštantnou rýchlosťou 5,0 km / h. Koeficient kinetického trenia medzi balíkom sena a sklzom je 0,45. Nájdite výkon traktora.

Riešenie

Pre tento problém je potrebné nakresliť schému voľného tela pre balík sena, ktorý stúpa na svahu. Nech F je sila, ktorú pôsobí traktor na zdvíhanie balíka, α = 15 ° je uhol sklonu.

Okrem toho, kinetický trecia sila f _trenia, ktorý je proti pohybu je zapojený, a normálne N a hmotnosti W (nepletú W hmotnosti sa, že práca).

Obrázok 3. Schéma izolovaného tela balíku sena. Zdroj: F. Zapata.

Newtonov druhý zákon ponúka tieto rovnice:

Rýchlosť a sila majú rovnaký smer a zmysel, preto:

Je potrebné transformovať jednotky rýchlosti:

Náhradné hodnoty nakoniec dostaneme:

Cvičenie 2

Motor znázornený na obrázku zdvihne blok s hmotnosťou 2 kg, počnúc odpočinkom, so zrýchlením 2 m / s ² a za 2 sekundy.

Obrázok 4. Motor zdvíha predmet do určitej výšky, pre ktorú je potrebné vykonať prácu a vyvinúť energiu. Zdroj: F. Zapata.

Vypočítajte:

a) Výška, ktorú v tom čase dosiahol blok.

b) Výkon, ktorý musí motor dosiahnuť, aby sa to dosiahlo.

Riešenie

a) Je to rovnomerne premenlivý priamočiary pohyb, preto sa použijú zodpovedajúce rovnice s počiatočnou rýchlosťou 0. Dosiahnutá výška je daná:

b) Na zistenie sily vyvinutej motorom sa dá rovnica použiť:

A pretože sila, ktorá sa vyvíja na blok, je cez napätie v reťazci, ktoré je konštantné vo veľkosti:

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

Referencie

1. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 2. Dynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
2. Knight, R. 2017. Fyzika pre vedcov a techniku: strategický prístup. Pearson.
3. Fyzika Libretexty. Moc. Obnovené z: phys.libretexts.org
4. The Physics Hypertext Book. Moc. Obnovené z: physics.info.
5. Práca, energia a sila. Zdroj: ncert.nic.in