기계적 힘은 단위 시간당 수행 작업량에 의해 수학적으로 표현되는 작업이 수행되는 속도이다. 그리고 작업은 흡수 된 에너지를 희생하여 수행되기 때문에 단위 시간당 에너지로도 나타낼 수 있습니다.
P를 힘으로, W를 일로, E를 에너지로, t를 시간으로 부르면 위의 모든 것을 사용하기 쉬운 수학 식으로 요약 할 수 있습니다.
그림 1. '비행 자전거'인 Gossamer Albatross는 1970 년대 후반에 사람의 힘만으로 영국 해협을 건넜습니다. 출처 : Wikimedia Commons. 고사 머 알바트 로스. English Wikipedia의 Guroadrunner
오 잘 :
산업에서 사용되는 다른 동력 장치는 hp (마력 또는 마력)와 CV (마력)입니다. 이 단위의 기원은 또한 측정 표준이 말이 작동하는 속도였던 James Watt와 Industrial Revolution으로 거슬러 올라갑니다.
hp와 CV는 거의 ¾ kilo-W에 해당하며 모터 지정과 같은 기계 공학에서 여전히 널리 사용되고 있습니다.
앞서 언급 한 kilo-W = 1000W와 같은 배수의 와트도 종종 전력에 사용됩니다. 이는 줄이 상대적으로 작은 에너지 단위이기 때문입니다. 영국식 시스템은 파운드-피트 / 초를 사용합니다.
구성 요소 및 산업 및 에너지 응용 분야
전력의 개념은 기계, 전기, 화학, 바람, 음파 또는 모든 종류의 모든 유형의 에너지에 적용됩니다. 프로세스는 가능한 한 빨리 실행되어야하기 때문에 시간은 산업에서 매우 중요합니다.
모든 모터는 충분한 시간이있는 한 필요한 작업을 수행하지만 중요한 것은 가능한 한 짧은 시간에 작업을 수행하여 효율성을 높이는 것입니다.
일과 권력의 구분을 명확히하기 위해 매우 간단한 응용 프로그램이 즉시 설명됩니다.
무거운 물체가 밧줄로 당겨 진다고 가정 해 보겠습니다. 이를 위해 필요한 작업을 수행하기 위해 외부 에이전트가 필요합니다. 이 에이전트가 90J의 에너지를 물체-끈 시스템에 전달하여 10 초 동안 움직이게한다고 가정 해 봅시다.
이 경우 에너지 전달률은 90J / 10 초 또는 9J / s입니다. 그런 다음 에이전트, 사람 또는 모터의 출력 전력이 9W임을 확인할 수 있습니다.
다른 외부 에이전트가 더 짧은 시간에 또는 더 적은 에너지를 전달하여 동일한 변위를 달성 할 수 있다면 더 큰 힘을 개발할 수 있습니다.
또 다른 예 : 90 J의 에너지 전송이 있다고 가정하면 시스템이 4 초 동안 작동하도록 설정됩니다. 출력 전력은 22.5W입니다.
기계의 성능
힘은 성능과 밀접한 관련이 있습니다. 기계에 공급되는 에너지는 결코 유용한 작업으로 완전히 변환되지 않습니다. 중요한 부품은 일반적으로 열로 소산되며, 이는 예를 들어 기계 설계와 같은 여러 요인에 따라 달라집니다.
이것이 전달 된 작업과 공급 된 에너지 사이의 몫으로 정의되는 기계의 성능을 아는 것이 중요한 이유입니다.
그리스 문자 η는 항상 1보다 작은 무 차원 수량 인 수확량을 나타냅니다. 100을 곱하면 백분율 단위로 산출됩니다.
예
-인간과 동물은 이동 중에 힘을 개발합니다. 예를 들어, 계단을 오르려면 중력에 대항하는 작업이 필요합니다. 사다리를 오르는 두 사람을 비교하면 모든 계단을 먼저 오르는 사람이 다른 사람보다 더 많은 힘을 키울 것이지만 둘 다 같은 일을했습니다.
-가전 제품 및 기계에는 출력 전력이 지정되어 있습니다. 실내 조명에 적합한 백열 전구의 전력은 100W입니다. 이것은 전구가 전기 에너지를 100J / s의 속도로 빛과 열 (대부분)로 변환한다는 것을 의미합니다.
-잔디 깎는 기계의 모터는 약 250W를 소비 할 수 있으며 자동차의 모터는 70kW 정도입니다.
-수제 워터 펌프는 일반적으로 0.5 마력을 공급합니다.
- 태양은 3.6 × 106 발생 (26) 의 전력을 W.
힘과 속도
순간 전력은 극소 시간을 취하여 얻습니다 : P = dW / dt. 작은 무한소 변위 d x를 일으키는 일을 생성하는 힘 은 F (둘 다 벡터 임)이므로 dW = F d x 입니다. 표현의 모든 것을 권력으로 대체하면 다음과 같습니다.
인간의 힘
사람들은 무게를 들어 올리는 것과 같이 적어도 단시간 동안 약 1500W 또는 2 마력의 전력을 생성 할 수 있습니다.
평균적으로 일일 출력 (8 시간)은 1 인당 0.1 마력입니다. 그 대부분은 75W 백열 전구에서 생성되는 것과 거의 같은 양의 열로 변환됩니다.
훈련중인 운동 선수는 화학 에너지 (포도당 및 지방)를 기계적 에너지로 변환하여 대략 350J / s에 해당하는 평균 0.5 마력을 생성 할 수 있습니다.
그림 2. 운동 선수는 2 마력의 평균 파워를 개발합니다. 출처 : Pixabay.
인간의 힘과 관련하여 일반적으로 와트보다는 킬로 칼로리 / 시간 단위로 측정하는 것이 좋습니다. 필요한 동등성은 다음과 같습니다.
0.5 마력의 출력은 매우 적은 양처럼 들리며 많은 응용 분야에 적합합니다.
그러나 1979 년에는 날 수있는 인간 동력 자전거가 만들어졌습니다. Paul MacCready는 영국 해협을 가로 질러 190W의 평균 출력을 생성하는 Gossamer Albatross를 설계했습니다 (그림 1).
전기 에너지 분배
중요한 응용 프로그램은 사용자 간의 전기 에너지 분배입니다. 전기 요금을 공급하는 회사는 소비되는 에너지가 아닌 소비 된 에너지에 대해 청구합니다. 그렇기 때문에 청구서를주의 깊게 읽으면 킬로와트시 또는 kW-h라는 매우 구체적인 단위를 찾을 수 있습니다.
그러나 와트라는 이름이이 장치에 포함 된 경우 이는 전력이 아닌 에너지를 의미합니다.
킬로와트시는 전기 에너지 소비를 나타내는 데 사용됩니다. 줄은 앞에서 언급했듯이 상당히 작은 단위이기 때문입니다. 1 와트시 또는 Wh는 1 와트의 전력으로 1 시간 내에 수행되는 작업입니다.
따라서 1kW-h는 1kW 또는 1000W의 전력으로 1 시간 내에 수행되는 작업입니다.이 양을 줄로 변환하는 숫자를 입력 해 보겠습니다.
한 가구가 한 달에 약 200kW- 시간을 소비 할 수있는 것으로 추정됩니다.
식
연습 1
농부는 트랙터를 사용하여 건초 베일 M = 150kg을 15 ° 경사로 위로 당기고 5.0km / h의 일정한 속도로 헛간으로 가져옵니다. 건초 베일과 슈트 사이의 운동 마찰 계수는 0.45입니다. 트랙터의 출력을 찾으십시오.
해결책
이 문제를 해결하려면 경사로 올라가는 건초 더미에 대한 자유 물체 다이어그램을 그려야합니다. F를 트랙터가 베일을 들어 올리기 위해 가하는 힘, α = 15º는 경사각 이라고합시다 .
또한 운동 에 반대하는 마찰력 f 과 정상 N 및 중량 W를 포함합니다 ( 무게 의 W를 작업의 중량과 혼동하지 마십시오).
그림 3. 건초 베일의 고립 된 신체 다이어그램. 출처 : F. Zapata.
뉴턴의 제 2 법칙은 다음 방정식을 제공합니다.
속도와 힘은 같은 방향과 감각을 가지므로 :
속도 단위를 변환하는 데 필요합니다.
값을 대체하면 마지막으로 다음을 얻습니다.
연습 2
그림에 표시된 모터는 2m / s 2 의 가속으로 2 초 내에 2kg 블록을 정지 상태에서 시작 합니다.
그림 4. 모터는 작업을 수행하고 힘을 개발하는 데 필요한 특정 높이까지 물체를 들어 올립니다. 출처 : F. Zapata.
계산하다:
a) 해당 시간에 블록이 도달 한 높이.
b)이를 달성하기 위해 엔진이 개발해야하는 동력.
해결책
a) 균일하게 변하는 직선 운동이므로 초기 속도가 0 인 해당 방정식이 사용됩니다. 도달 된 높이는 다음과 같이 지정됩니다.
b) 모터에 의해 개발 된 전력을 찾기 위해 방정식을 사용할 수 있습니다.
그리고 블록에 가해지는 힘은 줄의 장력을 통하기 때문에 크기가 일정합니다.
P = (ma) .y / Δ t = 2kg x 2m / s 2 x 4m / 2s = 8W
참고 문헌
- Figueroa, D. (2005). 시리즈 : 과학 및 공학 물리학. 볼륨 2. 역학. Douglas Figueroa (USB) 편집.
- Knight, R. 2017. 과학자 및 공학을위한 물리학 : 전략 접근. 피어슨.
- 물리학 Libretexts. 힘. 출처 : phys.libretexts.org
- 물리학 하이퍼 텍스트 책. 힘. 출처 : physics.info.
- 일, 에너지 및 힘. 검색 위치 : ncert.nic.in