Inhoud
- TL; DR (te lang; niet gelezen)
- Energie, kracht, werk en kracht
- Vergelijking voor mechanisch vermogen
- Kracht in lineaire beweging
- Een voorbeeldberekening: wasgoed dragen
- Een laatste opmerking over complexiteit
Je kunt vinden mechanische kracht overal in de moderne wereld in gebruik. Heb je vandaag in een auto gereden? Het gebruikte energie, hetzij uit brandstof of een batterij, om een onderling verbonden reeks mechanische componenten te verplaatsen - assen, tandwielen, riemen enzovoort - totdat uiteindelijk die energie werd gebruikt om de wielen te laten draaien en het voertuig vooruit te bewegen.
macht in de natuurkunde is een maat voor de tarief waarbij werk wordt na verloop van tijd uitgevoerd. Het woord "mechanisch" is louter beschrijvend; het vertelt je dat de kracht wordt geassocieerd met een machine en de beweging van verschillende componenten zoals de aandrijflijn van een auto of de tandwielen van een klok.
De mechanische krachtformule gebruikt dezelfde fundamentele natuurwetten die worden gebruikt voor andere vormen van kracht.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
macht P is gedefinieerd als werk w over- tijd t volgens de volgende formule. Opmerking over eenheden: vermogen moet in watt (W) zijn, werk in joules (J) en tijd in seconden (s) - controleer altijd voordat u uw waarden aansluit.
P = w / t
Mechanisch vermogen volgt dezelfde wetten die gelden voor andere soorten vermogen, zoals chemisch of thermisch. Mechanische kracht is simpelweg vermogen geassocieerd met de bewegende componenten van een mechanisch systeem, bijvoorbeeld de tandwielen, wielen en katrollen in een antieke klok.
Energie, kracht, werk en kracht
Om de uitdrukking voor mechanische kracht te begrijpen, is het nuttig om vier onderling gerelateerde termen te formuleren: energie, dwingen, werk en macht.
Vergelijking voor mechanisch vermogen
Vanwege de relatie tussen energie en werk, zijn er twee veel voorkomende manieren om macht wiskundig uit te drukken. De eerste is in termen van werk w en tijd t:
P = w/t
Kracht in lineaire beweging
Als je te maken hebt met lineaire beweging, kun je ervan uitgaan dat elke uitgeoefende kracht een object vooruit of achteruit beweegt langs een recht pad in lijn met de krachtenactie - denk aan treinen op een baan. Omdat de directionele component in principe voor zichzelf zorgt, kunt u ook kracht uitdrukken in de vorm van een eenvoudige formule dwingen, afstanden snelheid.
In deze situaties werk w kan worden gedefinieerd als dwingen F × afstand d. Sluit dat aan op de bovenstaande basisvergelijking en je krijgt:
P = F ×d / t
Heb je iets gemerkt? Met lineaire beweging, afstand gedeeld door tijd is de definitie voor snelheid (v), dus we kunnen macht ook uitdrukken als:
P = F(d/t) = F × v
Een voorbeeldberekening: wasgoed dragen
OK, dat was veel abstracte wiskunde, maar laten we het nu aan het werk zetten om een voorbeeldprobleem op te lossen:
Je ouders vragen je om 10 kilo schone was naar boven te dragen. Als je normaal 30 seconden nodig hebt om de trap te beklimmen, en de trappen zijn 3 meter lang, schat dan hoeveel kracht je nodig hebt om de kleding van de onderkant van de trap naar de top te dragen.
Op basis van de prompt wisten we die tijd t duurt 30 seconden, maar we hebben geen waarde voor werk w. We kunnen het scenario echter vereenvoudigen omwille van de schatting. In plaats van je zorgen te maken over het naar boven en naar voren verplaatsen van het wasgoed bij elke individuele stap, laten we aannemen dat je het gewoon in een rechte lijn vanaf de starthoogte omhoog brengt. Nu kunnen we de gebruiken P = F × d / t uitdrukking van mechanische kracht, maar we moeten nog steeds de bijbehorende kracht achterhalen.
Om het wasgoed te dragen, moet u de zwaartekracht erop tegengaan. Omdat de zwaartekracht is F = mg in neerwaartse richting, moet u dezelfde kracht in opwaartse richting uitoefenen. Let daar op g is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht die op aarde 9,8 m / s is2. Met dit in gedachten kunnen we een uitgebreide versie van de standaard voedingsformule maken:
P = (m × g) (d / t)
En we kunnen onze waarden voor massa, versnelling, afstand en tijd aansluiten:
P = (10 kg x 9,8 m / s2) (3 m / 30 s)
P = 9,08 Watt
U moet dus ongeveer 9,08 watt verbruiken om de was te dragen.
Een laatste opmerking over complexiteit
Onze discussie is beperkt gebleven tot vrij eenvoudige scenario's en relatief eenvoudige wiskunde. In geavanceerde fysica kunnen geavanceerde vormen van de mechanische vermogensvergelijking het gebruik van calculus en langere, meer gecompliceerde formules vereisen die rekening houden met meerdere krachten, gebogen bewegingen en andere complicerende factoren.
Als u meer diepgaande informatie nodig hebt, is de HyperPhysics-database gehost door Georgia State University een uitstekende bron.