MECHANICKÁ SÍLA: CO TO JE, APLIKACE, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Mechanická energie je rychlost, při které se provádí práce, který je vyjádřen matematicky množstvím vykonané práce za jednotku času. A protože práce se provádí na úkor absorbované energie, lze ji také uvést jako energii za jednotku času.

Voláním P na moc, W na práci, E na energii at na čas, všechny výše uvedené lze shrnout do snadno použitelných matematických výrazů:

Obrázek 1. Gossamer Albatross, „létající kolo“, překročil na konci 70. let anglický kanál a použil pouze lidskou sílu. Zdroj: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner na anglické Wikipedii

Dobře:

Bylo pojmenováno na počest skotského inženýra Jamese Watta (1736–1819), známého pro výrobu kondenzačního parního stroje, vynálezu, který zahájil průmyslovou revoluci.

Dalšími energetickými jednotkami používanými v průmyslových odvětvích jsou hp (koňská síla nebo koňská síla) a CV (koňská síla). Původ těchto jednotek se datuje také od Jamese Watta a průmyslové revoluce, kdy standardem měření byla rychlost, jakou kůň pracoval.

Jak hp, tak CV se zhruba rovnají ¾ kilo-W a jsou stále široce používány, zejména ve strojírenství, například při označování motorů.

V elektrické energii se často používají také násobky wattů, jako je výše uvedený kilo-W = 1 000 W. Je to proto, že joule je relativně malá jednotka energie. Britský systém používá libru a sekundu.

Z čeho se skládá a aplikace v průmyslu a energetice

Koncept moci je použitelný na všechny druhy energie, ať už jde o mechanickou, elektrickou, chemickou, větrnou, zvukovou nebo jakýkoli druh. Čas je v průmyslu velmi důležitý, protože procesy musí běžet co nejrychleji.

Každý motor bude vykonávat nezbytnou práci, dokud bude mít dostatek času, ale důležité je udělat to v co nejkratším čase, aby se zvýšila účinnost.

Okamžitě je popsána velmi jednoduchá aplikace, která dobře objasňuje rozdíl mezi prací a mocí.

Předpokládejme, že těžký předmět je tažen lanem. K tomu je nutné provést externí práci externího agenta. Řekněme, že tento agent přenáší 90 J energie do systému řetězců objektů, takže je uveden do pohybu na 10 sekund.

V takovém případě je rychlost přenosu energie 90 J / 10 s nebo 9 J / s. Pak můžeme potvrdit, že tento agent, osoba nebo motor, má výstupní výkon 9 W.

Pokud je jiný externí agent schopen dosáhnout stejného přemístění, buď za kratší dobu, nebo přenosem menší energie, je schopen vyvinout větší sílu.

Další příklad: předpokládejme přenos energie 90 J, který dokáže systém uvést do pohybu po dobu 4 sekund. Výstupní výkon bude 22,5 W.

Výkon stroje

Síla úzce souvisí s výkonem. Energie dodávaná do stroje se nikdy úplně nepřemění na užitečnou práci. Důležitá část je obvykle rozptylována v teplu, což závisí na mnoha faktorech, například na konstrukci stroje.

Proto je důležité znát výkon strojů, který je definován jako podíl mezi dodanou prací a dodanou energií:

Tam, kde řecké písmeno η označuje výnos, bezrozměrné množství, které je vždy menší než 1. Pokud je také vynásobeno 100, máme výnos v procentech.

Příklady

- Lidé a zvířata si během lokomoce rozvíjejí sílu. Například lezení po schodech vyžaduje práci proti gravitaci. Když porovnáme dva lidi, kteří lezou po žebříku, ten, kdo vyšplhá nejprve na všechny kroky, si vyvinul více síly než ten druhý, ale oba odvedli stejnou práci.

- Domácí spotřebiče a stroje mají specifikovaný výstupní výkon. Žárovka vhodná pro osvětlení místnosti má výkon 100 W. To znamená, že žárovka přeměňuje elektrickou energii na světlo a teplo (většina z toho) rychlostí 100 J / s.

- Motor sekačky na trávu může spotřebovat asi 250 W a motor automobilu je řádově 70 kW.

- Domácí vodní čerpadlo obvykle dodává 0,5 hp.

- Slunce generuje energii 3,6 x 10 ²⁶ W.

Síla a rychlost

Okamžitá energie se získá odebráním nekonečného času: P = dW / dt. Síla, která produkuje práci způsobující malé nekonečné posunutí d x je F (oba jsou vektory), proto dW = F d x. Nahrazením všeho ve výrazu za sílu zůstává:

Lidská síla

Lidé jsou schopni generovat výkon přibližně 1500 W nebo 2 koňské síly, alespoň na krátkou dobu, například zvedání závaží.

Průměrný denní výkon (8 hodin) je v průměru 0,1 hp na osobu. Většina z toho se přeměňuje na teplo, zhruba stejné množství generované 75W žárovkou.

Sportovec v tréninku může generovat v průměru 0,5 hp, což odpovídá přibližně 350 J / s, přeměnou chemické energie (glukózy a tuku) na mechanickou energii.

Obrázek 2. Sportovec vyvine průměrnou sílu 2 hp. Zdroj: Pixabay.

Pokud jde o lidskou sílu, je obecně výhodnější měřit v kaloriích za hodinu než ve wattech. Potřebná rovnocennost je:

Síla 0,5 hp zní jako velmi malé množství a je pro mnoho aplikací.

V roce 1979 však bylo vytvořeno kolo poháněné lidmi, které mohlo létat. Paul MacCready navrhl Gossamer Albatross, který překročil anglický kanál a vygeneroval průměrný výkon 190 W (obrázek 1).

Rozvod elektrické energie

Důležitou aplikací je distribuce elektrické energie mezi uživateli. Společnosti, které dodávají účet za elektřinu za spotřebovanou energii, nikoli sazba, za kterou je spotřebována. Proto ti, kteří si účet pozorně přečetli, najdou velmi specifickou jednotku: kilowatthodinu nebo kW-h.

Pokud je však v této jednotce uvedeno jméno Watt, týká se to energie a nikoli energie.

Kilowatthodina se používá k označení spotřeby elektrické energie, protože joule, jak již bylo zmíněno, je poměrně malá jednotka: 1 watt-hodina nebo Wh je práce prováděná za 1 hodinu s výkonem 1 watt.

Proto 1 kW-h je práce, která se provádí za hodinu práce s výkonem 1 kW nebo 1 000 W. Pojďme čísla převést tyto částky na jouly:

Odhaduje se, že domácnost může spotřebovat přibližně 200 kW-hodin měsíčně.

Cvičení

Cvičení 1

Farmář používá traktor k tomu, aby vytáhl balík sena M = 150 kg do 15 ° svahu a přivedl ho do stodoly při konstantní rychlosti 5,0 km / h. Koeficient kinetického tření mezi balíkem sena a skluzem je 0,45. Najděte výkon traktoru.

Řešení

Pro tento problém je třeba nakreslit diagram volného těla pro balík sena, který stoupá na svahu. Nechť F je síla, kterou působí traktor, aby zvedl balík, α = 15 ° je úhel sklonu.

Kromě toho, kinetický třecí síla f _tření, který je proti pohybu je zapojen, a normální N a hmotnosti W (nepletou W hmotnosti se, že práce).

Obrázek 3. Schéma izolovaného těla balíku sena. Zdroj: F. Zapata.

Newtonův druhý zákon nabízí následující rovnice:

Rychlost a síla mají stejný směr a smysl, proto:

Je nutné transformovat jednotky rychlosti:

Nahrazující hodnoty, nakonec dostaneme:

Cvičení 2

Motor znázorněný na obrázku zvedne blok o hmotnosti 2 kg, počínaje klidem, se zrychlením 2 m / s ² a za 2 sekundy.

Obrázek 4. Motor zvedne objekt do určité výšky, pro kterou je nutné vykonat práci a vyvinout sílu. Zdroj: F. Zapata.

Vypočítat:

a) Výška dosažená blokem v té době.

b) Výkon, který musí motor vyvinout, aby toho dosáhl.

Řešení

a) Jedná se o rovnoměrně proměnný přímočarý pohyb, proto budou použity odpovídající rovnice s počáteční rychlostí 0. Dosažená výška je dána:

b) K nalezení síly vyvinuté motorem lze použít rovnici:

A protože síla, která působí na blok, je prostřednictvím napětí v řetězci, které je konstantní ve velikosti:

P = (ma) r / t = 2 kg x 2 m / s ² x 4 m / 2 s = 8 W

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Série: Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 2. Dynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
2. Knight, R. 2017. Fyzika pro vědce a inženýrství: strategický přístup. Pearson.
3. Fyzika Libretexty. Napájení. Obnoveno z: phys.libretexts.org
4. Hypertextová kniha fyziky. Napájení. Obnoveno z: physics.info.
5. Práce, energie a energie. Citováno z: ncert.nic.in