Ako vypočítať mechanickú silu

Obsah

• TL; DR (príliš dlho; neprečítané)
• Energia, sila, práca a sila
• Rovnica pre mechanickú silu
• Výkon v lineárnom pohybe
• Príklad výpočtu: Pranie bielizne
• Záverečná poznámka o zložitosti

Môžeš nájsť mechanická sila používané všade v modernom svete. Dnes ste jazdili v aute? Využívala energiu, či už z paliva alebo z batérie, na pohyb vzájomne prepojených radov mechanických komponentov - nápravy, ozubené kolesá, pásy atď. - až nakoniec sa táto energia použila na točenie kolies a na posun vozidla vpred.

Moc vo fyzike je miera rýchlosť na ktorom práca sa vykonáva v priebehu času. Slovo „mechanické“ je iba opisné; Hovorí vám, že sila je spojená so strojom a pohybom rôznych komponentov, ako je pohon vozidla alebo ozubené kolesá hodín.

Vzorec mechanickej sily používa rovnaké základné fyzikálne zákony, aké sa používajú pre iné formy energie.

TL; DR (príliš dlho; neprečítané)

Moc P je definovaný ako práca W cez čas T podľa nasledujúceho vzorca. Poznámka k jednotkám: výkon by mal byť vo wattoch (W), pracovať v jouloch (J) a čas v sekundách (s) - vždy pred zapojením vašich hodnôt dôkladne skontrolujte.

P = W / T

Mechanická energia sa riadi rovnakými zákonmi, ktoré upravujú iné typy energie, napríklad chemickú alebo tepelnú. Mechanická sila je jednoducho sila spojená s pohyblivými komponentmi mechanického systému, napríklad ozubenými kolesami, kolesami a kladkami vo vnútri starožitných hodín.

Energia, sila, práca a sila

Aby sme dali zmysel výrazu mechanická sila, je užitočné vymedziť štyri vzájomne súvisiace pojmy: energie, sila, práca a moc.

Rovnica pre mechanickú silu

Z dôvodu vzťahu medzi energiou a prácou existujú dva bežné spôsoby matematického vyjadrovania moci. Prvý je z hľadiska práca W a čas T:

P = W/T

Výkon v lineárnom pohybe

Ak sa zaoberáte lineárnym pohybom, môžete predpokladať, že akákoľvek použitá sila posúva objekt dopredu alebo dozadu po priamej ceste v súlade so silou akcie - premýšľajte o vlakoch na trati. Pretože smerová zložka sa v podstate stará o seba, môžete vyjadriť silu aj pomocou jednoduchého vzorca sila, vzdialenosťa rýchlosť.

V týchto situáciách práca W možno definovať ako sila F × vzdialenosť d, Pripojte ho k základnej rovnici vyššie a dostanete:

P = F ×d / t

Všimli ste si niečo známe? S lineárnym pohybom vzdialenosť deleno čas je definícia pre rýchlosť (proti), takže môžeme vyjadriť aj moc ako:

P = F(d/T) = F × proti

Príklad výpočtu: Pranie bielizne

Dobre, to bolo veľa abstraktných matematík, ale necháme to teraz pracovať, aby sme vyriešili problém so vzorkou:

Vaši rodičia vás žiadajú, aby ste si na poschodie vzali 10 kilogramov čistej bielizne. Ak normálne trvá 30 sekúnd na to, aby ste vyliezli na schody a schody sú vysoké 3 metre, odhadnite, koľko energie budete musieť vynaložiť na to, aby ste mohli nosiť oblečenie od spodnej časti schodiska nahor.

Na základe výzvy sme vedeli, že čas T bude 30 sekúnd, ale nemáme hodnotu pre prácu W, V záujme odhadu však môžeme tento scenár zjednodušiť. Skôr než sa starať o posúvanie bielizne nahor a dopredu v každom jednotlivom kroku, umožňuje predpokladať, že ju jednoducho zdvihnete v priamej línii od jej počiatočnej výšky. Teraz môžeme použiť P = F × d / T vyjadrenie mechanickej sily, stále však musíme prísť na to, s akou silou prídu.

Na prepravu bielizne musíte pôsobiť proti gravitačnej sile. Pretože gravitačná sila je F = mg v smere nadol musíte použiť tú istú silu smerom nahor. Poznač si to g je zrýchlenie spôsobené gravitáciou, ktoré na Zemi je 9,8 m / s², S týmto vedomím môžeme vytvoriť rozšírenú verziu štandardného vzorca výkonu:

P = (m × g) (d / T)

A my môžeme pripojiť naše hodnoty pre hmotnosť, zrýchlenie, vzdialenosť a čas:

P = (10 kg x 9,8 m / s)²) (3 m / 30 s)
P = 9,08 wattov

Na prepravu bielizne teda budete musieť vynaložiť asi 9,08 wattov.

Záverečná poznámka o zložitosti

Naša diskusia sa obmedzila na pomerne jednoduché scenáre a relatívne jednoduchú matematiku. V pokročilej fyzike si sofistikované formy rovnice mechanickej sily môžu vyžadovať použitie kalkulu a dlhších zložitejších vzorcov, ktoré zohľadňujú viacnásobné sily, zakrivený pohyb a ďalšie komplikujúce faktory.

Ak potrebujete podrobnejšie informácie, vynikajúcou databázou je databáza HyperPhysics hostená Gruzínskou štátnou univerzitou.