Indhold
- TL; DR (for lang; læste ikke)
- Energi, kraft, arbejde og magt
- Ligning for mekanisk kraft
- Kraft i lineær bevægelse
- Et eksempel på en beregning: Bæring af vasketøj
- En sidste note om kompleksitet
Du kan finde mekanisk kraft i brug overalt i den moderne verden. Kørte du i en bil i dag? Den brugte energi, enten fra brændstof eller et batteri, til at flytte en sammenkoblet række mekaniske komponenter - aksler, gear, bælter og så videre - indtil endelig den energi blev brugt til at dreje hjulene og bevæge køretøjet fremad.
Strøm i fysik er et mål for sats hvor arbejde udføres over tid. Ordet "mekanisk" er kun beskrivende; det fortæller dig, at strømmen er forbundet med en maskine og bevægelse af forskellige komponenter, f.eks. køretrækket til en bil eller tandhjulene.
Den mekaniske kraftformel bruger de samme grundlæggende fysiske love, der bruges til andre former for magt.
TL; DR (for lang; læste ikke)
Strøm P er defineret som arbejde W over tid t ifølge den følgende formel. Bemærk om enheder: strømmen skal være i watt (W), arbejde i joule (J) og tiden i sekunder (r) - dobbeltkontrol altid, før du tilslutter dine værdier.
P = W / t
Mekanisk kraft følger de samme love, der regulerer andre typer magt, såsom kemisk eller termisk. Mekanisk kraft er simpelthen magt forbundet med de bevægelige komponenter i et mekanisk system, for eksempel tandhjul, hjul og remskiver inde i et antikt ur.
Energi, kraft, arbejde og magt
For at give mening om udtrykket for mekanisk kraft er det nyttigt at opstille fire indbyrdes forbundne udtryk: energi, kraft, arbejde og strøm.
Ligning for mekanisk kraft
På grund af forholdet mellem energi og arbejde er der to almindelige måder at udtrykke magt matematisk på. Den første er med hensyn til arbejde W og tid t:
P = W/t
Kraft i lineær bevægelse
Hvis du beskæftiger dig med lineær bevægelse, kan du antage, at enhver kraft, der anvendes, enten bevæger et objekt fremad eller bagud langs en lige sti på linje med kræfterne - tænk på tog på et spor. Da retningsbestanddelen dybest set tager sig af sig selv, kan du også udtrykke magt i form af en simpel formel ved hjælp af kraft, afstand, og hastighed.
I disse situationer arbejde W kan defineres som kraft F × afstand d. Sæt det i den grundlæggende ligning ovenfor, og du får:
P = F ×d / t
Bemærk noget kendt? Med lineær bevægelse, afstand divideret med tid er definitionen på hastighed (v), så vi også kan udtrykke magt som:
P = F(d/t) = F × v
Et eksempel på en beregning: Bæring af vasketøj
OK, det var meget abstrakt matematik, men lad os bruge det nu til at løse et prøveproblem:
Dine forældre beder dig om at have en belastning på 10 kg rent vaskeri ovenpå. Hvis det normalt tager dig 30 sekunder at klatre op ad trappen, og trappen er 3 meter høj, skal du estimere, hvor meget strøm du skal bruge til at bære tøjet fra bunden af trappen til toppen.
Baseret på prompten vidste vi den gang t vil være 30 sekunder, men vi har ikke en værdi for arbejdet W. Vi kan dog forenkle scenariet af hensyn til skøn. I stedet for at bekymre dig om at bevæge tøjet op og frem på hvert enkelt trin, lad os antage, at du blot hæver det i en lige linje fra dens starthøjde. Nu kan vi bruge P = F × d / t udtryk for mekanisk kraft, men vi er stadig nødt til at finde ud af den involverede kraft.
For at bære tøjet, skal du modvirke tyngdekraften på det. Da tyngdekraften er F = mg i nedadgående retning skal du anvende denne samme kraft i retning opad. Noter det g er accelerationen på grund af tyngdekraften, der på Jorden er 9,8 m / s2. Med dette i tankerne kan vi oprette en udvidet version af standard strømformlen:
P = (m × g) (d / t)
Og vi kan tilslutte vores værdier for masse, acceleration, afstand og tid:
P = (10 kg × 9,8 m / s2(3 m / 30 s)
P = 9,08 watt
Så du bliver nødt til at bruge omkring 9,08 watt for at bære tøjet.
En sidste note om kompleksitet
Vores diskussion har været begrænset til ret lige scenarier og relativt simpel matematik. I avanceret fysik kan sofistikerede former for den mekaniske effekt ligning kræve brug af beregning og længere, mere komplicerede formler, der tager højde for flere kræfter, buet bevægelse og andre komplicerende faktorer.
Hvis du har brug for mere dybdegående information, er HyperPhysics-databasen, der er vært hos Georgia State University, en fremragende ressource.