Sisältö
- TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)
- Energia, voima, työ ja voima
- Yhtälö mekaaniselle voimalle
- Voimaa lineaarisessa liikkeessä
- Esimerkki laskelmasta: pyykinpesu
- Viimeinen huomautus monimutkaisuudesta
Voit löytää mekaaninen voima käytössä kaikkialla nykymaailmassa. Ajoitko tänään autossa? Se käytti energiaa joko polttoaineesta tai akusta toisiinsa kytkettyjen mekaanisten komponenttien - akseleiden, hammaspyörien, hihnojen ja niin edelleen - siirtämiseen, kunnes lopulta energiaa käytettiin pyörien pyörittämiseen ja ajoneuvon siirtämiseen eteenpäin.
teho fysiikassa on mitta nopeus jossa tehdä työtä suoritetaan ajan myötä. Sana ”mekaaninen” on vain kuvaava; se kertoo, että voima liittyy koneeseen ja eri komponenttien, kuten auton voimansiirto tai kellon hampaat, liikkeeseen.
Mekaaninen voimakaava käyttää samoja fysiikan lait, joita käytetään muihin voiman muotoihin.
TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)
teho P on määritelty tehdä työtä W yli aika T seuraavan kaavan mukaan. Huomautus yksiköistä: virran tulisi olla watteina (W), työn jouleina (J) ja ajan sekunteina (s) - tarkista aina kaksi kertaa ennen arvojen kytkemistä.
P = W / T
Mekaaninen teho noudattaa samoja lakeja, jotka säätelevät muun tyyppistä tehoa, kuten kemiallista tai lämpöä. Mekaaninen voima on yksinkertaisesti voima, joka liittyy mekaanisen järjestelmän liikkuviin komponentteihin, kuten hammaspyörät, pyörät ja hihnapyörät antiikin kellon sisällä.
Energia, voima, työ ja voima
Mekaanisen voiman ilmaisun ymmärtämiseksi on hyödyllistä laatia neljä toisiinsa liittyvää termiä: energia, pakottaa, tehdä työtä ja teho.
Yhtälö mekaaniselle voimalle
Energian ja työn välisestä suhteesta johtuen on olemassa kaksi yleistä tapaa ilmaista voima matemaattisesti. Ensimmäinen koskee tehdä työtä W ja aika T:
P = W/T
Voimaa lineaarisessa liikkeessä
Jos käsittelet lineaarista liikettä, voit olettaa, että kaikki kohdistetut voimat joko liikuttavat esinettä eteenpäin tai taaksepäin suoraa tietä pitkin voimien toiminnan mukaisesti - ajattele junia radalla. Koska suuntakomponentti huolehtii periaatteessa itsestään, voit ilmaista voimaa myös yksinkertaisen kaavan avulla pakottaa, etäisyysja nopeus.
Näissä tilanteissa tehdä työtä W voidaan määritellä pakottaa F × etäisyys d. Kytke tämä yllä olevaan yhtälöön ja saat:
P = F ×d / t
Huomaatko jotain tuttua? Lineaarisella liikkeellä, etäisyys jaettuna aika on määritelmä nopeus (v), joten voimme ilmaista vallan myös:
P = F(d/T) = F × v
Esimerkki laskelmasta: pyykinpesu
Okei, se oli paljon abstraktia matematiikkaa, mutta annamme sen nyt toimimaan ratkaistakseen näyteongelman:
Vanhempasi pyytävät sinua kuljettamaan 10 kilogramman kuorma puhdasta pyykkiä yläkerrassa. Jos portaiden kiipeäminen kestää yleensä 30 sekuntia ja portaat ovat 3 metriä korkeita, arvioi, kuinka paljon voimaa tarvitset kuluttaaksesi vaatteiden kuljettamiseen portaikon pohjasta ylös.
Pyynnön perusteella tiedämme tuon ajan T on 30 sekuntia, mutta meillä ei ole arvoa työlle W. Voimme kuitenkin yksinkertaistaa skenaariota arvioinnin vuoksi. Sen sijaan, että huolehtisit pyykin siirtämisestä ylös ja eteenpäin jokaisella yksittäisellä askeleella, oletetaan, että nostat sen vain suorassa linjassa sen aloituskorkeudesta. Nyt voimme käyttää P = F × d / T mekaanisen voiman ilmaisu, mutta meidän on silti selvitettävä mukana oleva voima.
Jos haluat kuljettaa pyykkiä, sinun on torjuttava siihen kohdistuvaa painovoimaa. Koska painovoima on F = mg alaspäin, sinun on kohdistettava sama voima ylöspäin. Ota huomioon, että g on painovoimasta johtuva kiihtyvyys, joka maan päällä on 9,8 m / s2. Tätä silmällä pitäen voimme luoda laajennetun version tavallisesta tehokaavasta:
P = (m × g) (d / T)
Ja voimme kytkeä arvoihimme massa, kiihtyvyys, etäisyys ja aika:
P = (10 kg × 9,8 m / s2) (3 m / 30 s)
P = 9,08 wattia
Joten sinun on käytettävä noin 9,08 wattia pyykin kuljettamiseen.
Viimeinen huomautus monimutkaisuudesta
Keskusteluamme on rajoitettu melko suoraviivaisiin skenaarioihin ja suhteellisen yksinkertaiseen matematiikkaan. Kehittyneessä fysiikassa mekaanisen voimayhtälön hienostuneet muodot voivat edellyttää laskennan ja pidempien, monimutkaisempien kaavojen käyttöä, joissa otetaan huomioon useita voimia, kaareva liike ja muut monimutkaiset tekijät.
Jos tarvitset tarkempia tietoja, Georgian osavaltion yliopiston ylläpitämä HyperPhysics-tietokanta on erinomainen resurssi.