כוח מכני: מה זה, יישומים, דוגמאות - גוּפָנִי - 2025

כוח מכני הוא הקצב שבו העבודה, אשר באה לידי ביטוי באופן מתמטי על פי כמות העבודה שנעשתה ליחידת זמן מתבצע. ומכיוון שעבודה נעשית על חשבון אנרגיה נספגת, ניתן לציין אותה גם כאנרגיה לזמן יחידה.

קריאת P לשלטון, W לעבודה, E לאנרגיה ו- t לזמן, את כל האמור לעיל ניתן לסכם בביטויים מתמטיים קלים לשימוש:

איור 1. גוסאמר אלבטרוס, 'האופניים המעופפים', חצה את התעלה האנגלית בסוף שנות השבעים, תוך שימוש בכוח אנושי בלבד. מקור: Wikimedia Commons. גוסאמר אלבטרוס. גוראדרונר בוויקיפדיה האנגלית

נו טוב:

הוא נקרא לכבוד המהנדס הסקוטי ג'יימס וואט (1736-1819), הידוע ביצירת מנוע הקיטור של הקבל, המצאה שהחלה את המהפכה התעשייתית.

יחידות כוח אחרות המשמשות בתעשיות הן ה- hp (כוח סוס או כוח סוס) ו- CV (כוח סוס). מקורן של יחידות אלה מתוארך גם לג'יימס וואט והמהפכה התעשייתית, כאשר תקן המדידה היה הקצב בו עבד סוס.

הן כ"ס והן קורות חיים שווים בערך ל- ¾ ק"ג-וואט והם עדיין בשימוש נרחב, במיוחד בהנדסת מכונות, למשל בייעוד המנוע.

מכפילים של הוואט, כגון הקילו-וו = 1000 ואט לעיל, משמשים לרוב גם בכוח חשמלי. הסיבה לכך היא שהג'אול הוא יחידת אנרגיה קטנה יחסית. המערכת הבריטית משתמשת בקילו רגל / שנייה.

ממה זה מורכב ויישומים בתעשייה ואנרגיה

מושג הכוח מיושם על כל סוגי האנרגיה, בין אם זה מכני, חשמלי, כימי, רוח, קולי או מכל סוג שהוא. זמן חשוב מאוד בתעשייה, מכיוון שתהליכים חייבים לרוץ במהירות האפשרית.

כל מנוע יעשה את העבודה הדרושה כל עוד יש לו מספיק זמן, אך הדבר החשוב הוא לעשות זאת בזמן הקצר ביותר, כדי להגביר את היעילות.

יישום פשוט מאוד מתואר מייד כדי להבהיר היטב את ההבחנה בין עבודה לכוח.

נניח שחפץ כבד נמשך על ידי חבל. לשם כך נדרש סוכן חיצוני לבצע את העבודה הדרושה. בואו נגיד שסוכן זה מעביר אנרגיה של 90 J למערכת מיתרי האובייקטים, כך שהוא מופעל במשך 10 שניות.

במקרה כזה, קצב העברת האנרגיה הוא 90 J / 10 שניות או 9 J / s. אז נוכל לאשר שלאותו סוכן, אדם או מנוע, יש כוח תפוקה של 9 W.

אם סוכן חיצוני אחר מסוגל להשיג את אותה תזוזה, אם בפחות זמן ובין אם להעביר פחות אנרגיה, אז הוא מסוגל לפתח כוח גדול יותר.

דוגמא נוספת: נניח העברת אנרגיה של 90 J, שמצליחה להניע את המערכת לתנועה במשך 4 שניות. הספק הפלט יהיה 22.5 W.

ביצועים של מכונה

כוח קשור קשר הדוק לביצועים. האנרגיה המסופקת למכונה אף פעם לא הופכת לחלוטין לעבודה מועילה. חלק חשוב מתפזר בדרך כלל בחום, התלוי בגורמים רבים, למשל עיצוב המכונה.

לכן חשוב לדעת את ביצועי המכונות, המוגדרים כמניין בין העבודות המועברות לאנרגיה המסופקת:

כאשר האות היוונית η מציינת את התשואה, כמות נטולת ממדים שהיא תמיד פחותה מ -1. אם היא מכפילת גם במאה, יש לנו את התשואה באחוזים.

דוגמאות

- בני אדם ובעלי חיים מפתחים כוח בזמן תנועה. לדוגמא, טיפוס מדרגות דורש עבודה כנגד כוח המשיכה. בהשוואה בין שני אנשים המטפסים על סולם, זה שמטפס על כל הצעדים ראשונים, יפתח כוח רב יותר מהשני, אך שניהם עשו את אותה העבודה.

כוח המוצא של מכשירי חשמל ביתיים ומכונות מוגדר. נורת ליבון המתאימה להדלקת באר בחדר היא בעלת הספק של 100 W. משמעות הדבר היא שהנורה הופכת אנרגיה חשמלית לאור וחום (רובם) בקצב של 100 J / s.

- המנוע של מכסחת דשא יכול לצרוך כ -250 וואט וזה של מכונית בסדר גודל של 70 קילוואט.

- משאבת מים תוצרת בית מספקת בדרך כלל 0.5 כ"ס.

- השמש מייצרת כוח של 3.6 x 10 ²⁶ וולט.

כוח ומהירות

כוח מיידי מתקבל על ידי לקיחת זמן אינסופי: P = dW / dt. הכוח המייצר את העבודה הגורם לעקירה האינסופית מינימלית d x הוא F (שניהם וקטורים), ולכן dW = F d x . הוא מחליף את כל מה שביטוי לכוח, הוא נשאר:

כוח אנושי

אנשים מסוגלים לייצר כוח של בערך 1500 וואט או 2 כוחות סוס, לפחות לזמן קצר, כמו הרמת משקולות.

בממוצע תפוקת הכוח היומית (8 שעות) היא 0.1 כ"ס לאדם. חלק גדול מתורגם לחום, בערך אותו כמות שנוצרת על ידי נורת ליבון 75 וולט.

ספורטאי באימונים יכול לייצר 0.5 כ"ס בממוצע, בערך 350 J / s, על ידי הפיכת אנרגיה כימית (גלוקוז ושומן) לאנרגיה מכנית.

איור 2. ספורטאי מפתח כוח ממוצע של 2 כ"ס. מקור: Pixabay.

כשמדובר בכוח אנושי, בדרך כלל עדיף למדוד בקילו קלוריות לשעה, ולא וואט. השוויון הדרוש הוא:

הספק של 0.5 כ"ס נשמע כמו כמות קטנה מאוד, והוא מיועד ליישומים רבים.

עם זאת, בשנת 1979 נוצר אופניים מונעים על ידי אדם שיכולים לעוף. פול מקקרדי עיצב את Gossamer Albatross שחצה את הערוץ האנגלי והפיק 190 וולט תפוקה ממוצעת (איור 1).

חלוקת אנרגיה חשמלית

יישום חשוב הוא חלוקת האנרגיה החשמלית בין המשתמשים. החברות שמספקות חשבון חשמל עבור האנרגיה הנצרכת, ולא הקצב בו היא נצרכת. זו הסיבה שמי שקורא את החשבון שלך בעיון ימצא יחידה ספציפית מאוד: הקילוואט-שעה או הקוט-וו-שעה.

עם זאת, כאשר השם ואט נכלל ביחידה זו הוא מתייחס לאנרגיה ולא כוח.

הקילוואט-שעה משמשת לציון צריכת האנרגיה החשמלית, מכיוון שהג'אולה, כאמור, היא יחידה קטנה למדי: 1 וואט-שעה או מהו העבודה שנעשתה תוך שעה בהספק של 1 וואט.

לכן 1 קילוואט-שעה היא העבודה שנעשית תוך שעה בעבודה עם הספק של 1 קילוואט או 1000 וו. בואו נשים את המספרים להמיר כמויות אלה לג'ול:

ההערכה היא שמשק בית יכול לצרוך כ -200 קילוואט שעות בחודש.

תרגילים

תרגיל 1

חקלאי משתמש בטרקטור בכדי למשוך בייל של חציר M = 150 ק"ג במעלה 15 מעלות ולהביא אותו לאסם במהירות קבועה של 5.0 קמ"ש. מקדם החיכוך הקינטי בין בייל החציר לחלילית הוא 0.45. מצא את תפוקת הכוח של הטרקטור.

פִּתָרוֹן

לבעיה זו, עליך לצייר תרשים של גוף חופשי לבלחת החציר העולה בשיפוע. תן ל- F להיות הכוח המופעל על ידי הטרקטור להרים את המפץ, α = 15º הוא זווית הנטייה.

בנוסף, כוח החיכוך הקינטי F _חיכוך המתנגד לתנועה מעורבת, בתוספת נורמלי N ואת המשקל W (לא לבלבל את W של משקל עם זה של העבודה).

איור 3. תרשים גוף מבודד של בייל חציר. מקור: פ. זפטה.

החוק השני של ניוטון מציע את המשוואות הבאות:

למהירות וכוח יש אותו כיוון ותחושה, לכן:

זה נדרש לשנות את יחידות המהירות:

החלפת ערכים, סוף סוף נקבל:

תרגיל 2

המנוע באיור יהיה להרים את הגלגלת 2 ק"ג, החל השאר, עם תאוצה של 2 מ '/ s ² וב 2 שניות.

איור 4. מנוע מרים חפץ לגובה מסוים שעבורו יש צורך לבצע עבודה ולפתח כוח. מקור: פ. זפטה.

לחשב:

א) הגובה אליו הגיע הגוש באותה תקופה.

ב) הכוח שעל המנוע לפתח בכדי להשיג זאת.

פִּתָרוֹן

א) זוהי תנועה ישראלית מגוונת באופן אחיד, ולכן ישמשו במשוואות המתאימות, עם המהירות הראשונית 0. הגובה שהושג ניתן על ידי:

ב) כדי למצוא את הכוח שפותח על ידי המנוע, ניתן להשתמש במשוואה:

ומכיוון שהכוח המופעל על החסימה הוא דרך המתח במיתר שהוא קבוע בעוצמתו:

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

הפניות

1. Figueroa, D. (2005). סדרה: פיזיקה למדע והנדסה. כרך 2. דינמיקה. נערך על ידי דאגלס פיגארואה (USB).
2. Knight, R. 2017. פיזיקה למדעים והנדסה: גישה אסטרטגית. פירסון.
3. פיזיוט Libretexts. כּוֹחַ. התאושש מ: phys.libretexts.org
4. ספר ההיפרטקסט של הפיזיקה. כּוֹחַ. התאושש מ: physics.info.
5. עבודה, אנרגיה וכוח. נלקח מ: ncert.nic.in