- În ce constă și aplicații în industrie și energie
- Performanța unei mașini
- Exemple
- Putere și viteză
- Puterea umană
- Distribuția energiei electrice
- Exerciții
- Exercitiul 1
- Soluţie
- Exercițiul 2
- Soluţie
- Referințe
Puterea mecanică este viteza cu care se execută lucrarea, care este exprimată matematic prin cantitatea de muncă realizată pe unitatea de timp. Și având în vedere că munca este făcută în detrimentul energiei absorbite, ea poate fi, de asemenea, declarată ca energie pe unitate de timp.
Apelând la putere, W la lucru, E la energie și la timp, toate cele de mai sus pot fi rezumate în expresii matematice ușor de utilizat:
Figura 1. Gossamer Albatross, „bicicleta care zboară”, a traversat Canalul Englez la sfârșitul anilor ’70, folosind doar puterea umană. Sursa: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner la Wikipedia în engleză
O bine:
Alte unități de putere care sunt utilizate în industrii sunt CP (putere de cai sau putere de cai) și CV (cai putere). De asemenea, originea acestor unități datează de la James Watt și Revoluția industrială, când standardul de măsurare a fost ritmul cu care a funcționat un cal.
Atât CP cât și CV sunt aproximativ egali cu ¾ kilo-W și sunt încă utilizați pe scară largă, în special în inginerie mecanică, de exemplu în desemnarea motoarelor.
Multipli de wați, cum ar fi kilo-W = 1000 W menționat mai sus sunt de asemenea deseori folosiți în energia electrică. Acest lucru se datorează faptului că joula este o unitate de energie relativ mică. Sistemul britanic folosește lire-metri / secundă.
În ce constă și aplicații în industrie și energie
Conceptul de putere este aplicabil tuturor tipurilor de energie, fie ele mecanice, electrice, chimice, eoliene, sonice sau de orice fel. Timpul este foarte important în industrie, deoarece procesele trebuie să funcționeze cât mai repede posibil.
Orice motor va face lucrările necesare atâta timp cât va avea suficient timp, dar important este să îl faceți în cel mai scurt timp posibil, pentru a crește eficiența.
O aplicație foarte simplă este descrisă imediat pentru a clarifica bine distincția între muncă și putere.
Să presupunem că un obiect greu este tras de o funie. Pentru a face acest lucru, un agent extern trebuie să facă lucrările necesare. Să spunem că acest agent transferă 90 J de energie în sistemul de șiruri de obiecte, astfel încât să fie pus în mișcare timp de 10 secunde.
Într-un astfel de caz, rata de transfer de energie este de 90 J / 10 s sau 9 J / s. Atunci putem afirma că acel agent, o persoană sau un motor, are o putere de ieșire de 9 W.
Dacă un alt agent extern este capabil să obțină aceeași deplasare, fie în mai puțin timp, fie prin transferul mai puțin de energie, atunci este capabil să dezvolte o putere mai mare.
Un alt exemplu: să presupunem un transfer de energie de 90 J, care reușește să pună sistemul în mișcare timp de 4 secunde. Puterea de ieșire va fi 22,5 W.
Performanța unei mașini
Puterea este strâns legată de performanță. Energia furnizată unei mașini nu este niciodată complet transformată în lucru util. O parte importantă este de obicei disipată în căldură, care depinde de mulți factori, de exemplu, proiectarea mașinii.
De aceea, este important să cunoaștem performanțele mașinilor, care este definit ca coeficientul dintre munca livrată și energia furnizată:
În cazul în care litera greacă η indică randamentul, o cantitate fără dimensiuni care este întotdeauna mai mică de 1. Dacă este, de asemenea, înmulțit cu 100, avem randamentul în termeni procentivi.
Exemple
- Oamenii și animalele dezvoltă putere în timpul locomoției. De exemplu, urcarea scărilor necesită muncă împotriva gravitației. Comparând doi oameni care urcă pe o scară, cel care urcă în primul rând toți pașii va dezvolta mai multă putere decât cealaltă, dar amândoi au făcut aceeași treabă.
- Aparatele de uz casnic și utilajele au puterea de ieșire specificată. Un bec incandescent potrivit pentru iluminarea unei sonde are o putere de 100 W. Aceasta înseamnă că becul transformă energia electrică în lumină și căldură (cea mai mare parte) la o viteză de 100 J / s.
- Motorul unei mașini de tuns iarba poate consuma aproximativ 250 W, iar cel al unei mașini este de ordinul a 70 kW.
- O pompă de apă de casă furnizează de obicei 0,5 CP.
- Soarele generează 3,6 x 10 26 W de putere.
Putere și viteză
Puterea instantanee se obține luând un timp infinitesimal: P = dW / dt. Forța care produce lucrarea care provoacă deplasarea infinitesimală mică d x este F (ambii sunt vectori), deci dW = F d x . Înlocuind totul în expresia puterii, rămâne:
Puterea umană
Oamenii sunt capabili să genereze o putere de aproximativ 1500 W sau 2 cai putere, cel puțin pentru un timp scurt, cum ar fi ridicarea greutăților.
În medie, puterea zilnică (8 ore) este de 0,1 CP pe persoană. Cea mai mare parte este tradusă în căldură, aproximativ aceeași cantitate generată de un bec cu incandescență de 75W.
Un sportiv care se antrenează poate genera în medie 0,5 CP echivalent cu 350 J / s aproximativ, prin transformarea energiei chimice (glucoză și grăsime) în energie mecanică.
Figura 2. Un atlet dezvoltă o putere medie de 2 CP. Sursa: Pixabay.
Când vine vorba de puterea umană, în general este preferat să se măsoare în kilo-calorii / oră, în loc de wați. Echivalența necesară este:
O putere de 0,5 CP sună ca o cantitate foarte mică și este pentru multe aplicații.
Cu toate acestea, în 1979, a fost creată o bicicletă alimentată de oameni care ar putea zbura. Paul MacCready a proiectat Gossamer Albatross, care a traversat canalul englezesc generând o putere medie de 190 W (Figura 1).
Distribuția energiei electrice
O aplicație importantă este distribuirea energiei electrice între utilizatori. Companiile care furnizează energie electrică factură pentru energia consumată, nu pentru rata la care este consumată. De aceea, cei care îți citesc cu atenție factura vor găsi o unitate foarte specifică: kilowatt-ora sau kW-h.
Cu toate acestea, când numele Watt este inclus în această unitate, se referă la energie și nu la putere.
Kilowattul-oră este utilizat pentru a indica consumul de energie electrică, întrucât joule, așa cum am menționat mai înainte, este o unitate destul de mică: 1 watt-oră sau Wh este munca depusă în 1 oră de o putere de 1 watt.
Prin urmare, 1 kW-h este lucrarea care se face într-o oră de lucru cu o putere de 1kW sau 1000 W. Să punem numerele pentru a converti aceste sume în joule:
Se estimează că o gospodărie poate consuma aproximativ 200 kW-ore pe lună.
Exerciții
Exercitiul 1
Un fermier folosește un tractor pentru a trage o balotă de fân M = 150 kg până la o înclinare de 15 ° și a-l aduce la hambar cu o viteză constantă de 5,0 km / h. Coeficientul de frecare cinetică între balotul de fân și chuta este 0,45. Găsiți puterea tractorului.
Soluţie
Pentru această problemă, trebuie să desenați o diagramă a corpului liber pentru balta de fân care se ridică pe înclinare. Fie F forța aplicată de tractor pentru ridicarea balotului, α = 15º este unghiul de înclinare.
În plus, forța de frecare cinetică f frecare care se opune mișcării este implicată, plus normală N și greutatea W (nu se confunda W a greutății cu cea a lucrării).
Figura 3. Schema corpului izolat al balotului de fân. Sursa: F. Zapata.
A doua lege a lui Newton oferă următoarele ecuații:
Viteza și forța au aceeași direcție și același sens, prin urmare:
Este necesară transformarea unităților vitezei:
Înlocuind valorile, obținem în sfârșit:
Exercițiul 2
Motorul prezentat în figură va ridica blocul de 2 kg, pornind de la repaus, cu o accelerație de 2 m / s 2 și în 2 secunde.
Figura 4. Un motor ridică un obiect la o anumită înălțime, pentru care este necesar să lucreze și să dezvolte puterea. Sursa: F. Zapata.
Calculati:
a) Înălțimea atinsă de bloc în acel timp.
b) Puterea pe care trebuie să o dezvolte motorul pentru a realiza acest lucru.
Soluţie
a) Este o mișcare rectilinie uniform variată, prin urmare se vor folosi ecuațiile corespunzătoare, cu viteza inițială 0. Înălțimea atinsă este dată de:
b) Pentru a găsi puterea dezvoltată de motor, ecuația poate fi utilizată:
Și din moment ce forța care se exercită asupra blocului este prin tensiunea din sfoară, care este constantă ca mărime:
P = (ma) .y / Δ t = 2 kg x 2 m / s 2 x 4 m / 2 s = 8 W
Referințe
- Figueroa, D. (2005). Serie: fizică pentru știință și inginerie. Volumul 2. Dinamica. Editat de Douglas Figueroa (USB).
- Knight, R. 2017. Fizica oamenilor de știință și inginerie: o abordare strategică. Pearson.
- Fizică Libretexts. Putere. Recuperat din: phys.libretexts.org
- Cartea de fizică hipertext. Putere. Recuperat din: physics.info.
- Muncă, energie și putere. Preluat de la: ncert.nic.in