Innehåll
- TL; DR (för lång; läste inte)
- Energi, kraft, arbete och makt
- Ekvation för mekanisk kraft
- Kraft i linjär rörelse
- Ett exempel på beräkning: Bärande tvätt
- En sista anmärkning om komplexitet
Du kan hitta mekanisk kraft används överallt i den moderna världen. Åkte du i en bil idag? Den använde energi, antingen från bränsle eller ett batteri, för att flytta en sammankopplad serie av mekaniska komponenter - axlar, kugghjul, bälten och så vidare - tills slutligen den energin användes för att snurra hjulen och flytta fordonet framåt.
Kraft i fysik är ett mått på Betygsätta vid vilken arbete utförs över tiden. Ordet ”mekanisk” är bara beskrivande; det berättar för dig att strömmen är förknippad med en maskin och rörelsen av olika komponenter som körbilen i en bil eller kuggarna på en klocka.
Den mekaniska kraftformeln använder samma grundläggande fysikaliska lagar som används för andra former av makt.
TL; DR (för lång; läste inte)
Kraft P är definierad som arbete W över tid t enligt följande formel. Observera enheter: strömmen ska vara i watt (W), arbeta i joule (J) och tiden i sekunder (s) - dubbelkontrollera alltid innan du ansluter dina värden.
P = W / t
Mekanisk kraft följer samma lagar som styr andra typer av kraft, såsom kemisk eller termisk. Mekanisk kraft är helt enkelt kraft associerad med de rörliga komponenterna i ett mekaniskt system, till exempel kugghjul, hjul och remskivor i en antik klocka.
Energi, kraft, arbete och makt
För att förstå uttrycket för mekanisk kraft är det bra att lägga ut fyra sammanhängande termer: energi, tvinga, arbete och kraft.
Ekvation för mekanisk kraft
På grund av förhållandet mellan energi och arbete finns det två vanliga sätt att uttrycka kraft matematiskt. Den första är i termer av arbete W och tid t:
P = W/t
Kraft i linjär rörelse
Om du arbetar med linjär rörelse kan du anta att den kraft som appliceras antingen flyttar ett objekt framåt eller bakåt längs en rak bana i linje med krafterna: tänk på tåg på en bana. Eftersom riktningskomponenten i princip tar hand om sig själv, kan du också uttrycka makt i form av en enkel formel med tvinga, distans, och hastighet.
I dessa situationer arbete W kan definieras som tvinga F × distans d. Anslut det till basekvationen ovan så får du:
P = F ×d / t
Lägg märke till något bekant? Med linjär rörelse, distans delat med tid är definitionen för hastighet (v), så vi kan också uttrycka makt som:
P = F(d/t) = F × v
Ett exempel på beräkning: Bärande tvätt
OK, det var mycket abstrakt matematik, men låt oss sätta igång det nu för att lösa ett provproblem:
Dina föräldrar ber dig att ha en 10 kilo ren tvätt på övervåningen. Om det normalt tar dig 30 sekunder att klättra upp för trapporna och trapporna är 3 meter höga, beräkna hur mycket kraft du behöver spendera för att bära kläderna från trappans botten till toppen.
Baserat på prompten visste vi den tiden t kommer att vara 30 sekunder, men vi har inget värde för arbetet W. Vi kan dock förenkla scenariot för uppskattningens skull. Istället för att oroa dig för att flytta tvätten upp och framåt på varje enskilt steg, låt oss anta att du helt enkelt lyfter den i en rak linje från dess starthöjd. Nu kan vi använda P = F × d / t uttryck för mekanisk kraft, men vi måste fortfarande ta reda på den involverade kraften.
För att bära tvätten måste du motverka tyngdkraften på den. Eftersom tyngdkraften är F = mg i nedåtgående riktning måste du tillämpa samma kraft i uppåtgående riktning. Anteckna det g är accelerationen på grund av tyngdkraften som på jorden är 9,8 m / s2. Med detta i åtanke kan vi skapa en utökad version av standardeffektformeln:
P = (m × g) (d / t)
Och vi kan ansluta våra värden för massa, acceleration, avstånd och tid:
P = (10 kg × 9,8 m / s2(3 m / 30 s)
P = 9,08 watt
Så du måste spendera cirka 9,08 watt för att bära tvätten.
En sista anmärkning om komplexitet
Vår diskussion har varit begränsad till ganska enkla scenarier och relativt enkel matematik. I avancerad fysik kan sofistikerade former av den mekaniska effektekvationen kräva användning av kalkyl och längre, mer komplicerade formler som tar hänsyn till flera krafter, böjd rörelse och andra komplicerade faktorer.
Om du behöver mer djupgående information, är HyperPhysics-databasen värd vid Georgia State University en utmärkt resurs.