Inhalt
- TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
- Energie, Kraft, Arbeit und Kraft
- Gleichung für die mechanische Leistung
- Kraft in linearer Bewegung
- Eine Beispielberechnung: Tragen von Wäsche
- Ein letzter Hinweis zur Komplexität
Sie können finden mechanische Kraft überall in der modernen Welt im Einsatz. Bist du heute in einem Auto gefahren? Sie verwendete Energie, entweder aus Kraftstoff oder einer Batterie, um eine Reihe miteinander verbundener mechanischer Komponenten - Achsen, Zahnräder, Riemen usw. - zu bewegen, bis schließlich diese Energie zum Durchdrehen der Räder und zum Vorwärtsbewegen des Fahrzeugs verwendet wurde.
Leistung in der Physik ist ein Maß für die Bewertung bei welchem Arbeit wird im Laufe der Zeit durchgeführt. Das Wort "mechanisch" ist lediglich beschreibend; Es sagt Ihnen, dass die Leistung mit einer Maschine und der Bewegung verschiedener Komponenten wie dem Antriebsstrang eines Autos oder den Zahnrädern einer Uhr verbunden ist.
Die mechanische Kraftformel verwendet dieselben fundamentalen Gesetze der Physik, die für andere Formen der Kraft verwendet werden.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Leistung P ist definiert als Arbeit W Über Zeit t nach der folgenden Formel. Hinweis zu den Einheiten: Die Leistung sollte in Watt (W), die Arbeit in Joule (J) und die Zeit in Sekunden (s) angegeben werden. Überprüfen Sie dies immer, bevor Sie Ihre Werte eingeben.
P = W / t
Die mechanische Kraft folgt den gleichen Gesetzen wie die chemische oder thermische Kraft. Mechanische Kraft ist einfach die Kraft, die mit den sich bewegenden Komponenten eines mechanischen Systems verbunden ist, zum Beispiel den Zahnrädern, Rädern und Riemenscheiben in einer antiken Uhr.
Energie, Kraft, Arbeit und Kraft
Um den Ausdruck für mechanische Kraft zu verstehen, ist es hilfreich, vier miteinander verbundene Begriffe zu definieren: Energie, Macht, Arbeit und Leistung.
Gleichung für die mechanische Leistung
Aufgrund der Beziehung zwischen Energie und Arbeit gibt es zwei gebräuchliche Methoden, um Macht mathematisch auszudrücken. Der erste ist in Bezug auf Arbeit W und Zeit t:
P = W/t
Kraft in linearer Bewegung
Wenn Sie sich mit linearen Bewegungen befassen, können Sie davon ausgehen, dass eine ausgeübte Kraft ein Objekt entweder vorwärts oder rückwärts entlang eines geraden Pfades bewegt, entsprechend der Kraftwirkung - denken Sie an Züge auf einer Strecke. Da sich die Richtungskomponente im Grunde um sich selbst kümmert, können Sie die Potenz auch mit einer einfachen Formel ausdrücken Macht, Entfernung, und Geschwindigkeit.
In diesen Situationen Arbeit W kann definiert werden als Macht F × Entfernung d. Stecken Sie das in die obige Grundgleichung und Sie erhalten:
P = F ×d / t
Hast du etwas Bekanntes bemerkt? Mit linearer Bewegung Entfernung geteilt durch Zeit ist die Definition für Geschwindigkeit (v), also können wir auch Macht ausdrücken als:
P = F(d/t) = F × v
Eine Beispielberechnung: Tragen von Wäsche
OK, das war eine Menge abstrakter Mathematik, aber lassen Sie es uns jetzt arbeiten, um ein Beispielproblem zu lösen:
Deine Eltern bitten dich, eine 10 Kilogramm schwere Ladung sauberer Wäsche nach oben zu tragen. Wenn Sie normalerweise 30 Sekunden brauchen, um die Treppe zu erklimmen, und die Treppe 3 Meter hoch ist, schätzen Sie, wie viel Energie Sie aufwenden müssen, um die Kleidung von der Unterseite der Treppe nach oben zu tragen.
Aufgrund der Aufforderung kannten wir diese Zeit t wird 30 Sekunden sein, aber wir haben keinen Wert für die Arbeit W. Wir können das Szenario jedoch aus Gründen der Schätzung vereinfachen. Anstatt die Wäsche bei jedem einzelnen Schritt nach oben und vorne zu bewegen, nehmen wir an, Sie heben sie einfach in einer geraden Linie von ihrer Starthöhe an. Jetzt können wir die P = F × d / t Ausdruck der mechanischen Kraft, aber wir müssen immer noch die Kraft herausfinden.
Um die Wäsche tragen zu können, müssen Sie der Schwerkraft entgegenwirken. Da ist die Schwerkraft F = mg In der Abwärtsrichtung müssen Sie dieselbe Kraft in der Aufwärtsrichtung anwenden. Beachten Sie, dass G ist die Erdbeschleunigung von 9,8 m / s2. In diesem Sinne können wir eine erweiterte Version der Standardleistungsformel erstellen:
P = (m × G) (d / t)
Und wir können unsere Werte für Masse, Beschleunigung, Entfernung und Zeit eingeben:
P = (10 kg × 9,8 m / s2) (3 m / 30 s)
P = 9,08 Watt
Sie müssen also etwa 9,08 Watt aufwenden, um die Wäsche zu tragen.
Ein letzter Hinweis zur Komplexität
Unsere Diskussion beschränkte sich auf recht einfache Szenarien und relativ einfache Mathematik. In der fortgeschrittenen Physik erfordern ausgefeilte Formen der mechanischen Potenzgleichung möglicherweise die Verwendung von Kalkül und längeren, komplizierteren Formeln, die Mehrfachkräfte, Kurvenbewegungen und andere komplizierende Faktoren berücksichtigen.
Wenn Sie detailliertere Informationen benötigen, ist die von der Georgia State University bereitgestellte HyperPhysics-Datenbank eine hervorragende Ressource.