Potenza (fisica)

Spieghiamo qual è il potere, la sua formula, unità, tipi di potenza e mettiamo esercizi risolti

La potenza di questa lampadina a incandescenza è 150 W. Maggiore è il potere, più luminosità produce, ma il consumo attuale è maggiore

Cos'è il potere fisico?

IL energia In fisica è una grandezza scalare utilizzata per indicare la velocità con cui viene svolto il lavoro o è consumato o consumato dall'energia. È il fattore chiave per determinare quanto sia efficiente un macchinario, oltre a ottimizzare il consumo di energia.

Ad esempio, un cutter di erba può fare il compito di tagliare l'erba in mezz'ora o forse in due ore. Chiaramente, il tagliatore che svolge il lavoro in meno tempo, sviluppa un potere maggiore, perché fa lo stesso lavoro più velocemente.

In generale, il potere è espresso come:

A condizione che una forza provochi un'azione, come spostare un oggetto, fa un lavoro meccanico equivalente all'energia. Quando viene considerato il tempo trascorso in questo, sorge il concetto di potere.

Formule

Innanzitutto, la potenza media è definita_M, come il rapporto tra la quantità di lavoro svolto ΔW e il tempo Δt impiegato per farlo:

Nel sistema internazionale di unità, il potere viene misurato in Joule/secondo, Unità chiamata Watt o Watt, per onorare l'ingegnere scozzese James Watt (1736-1819), che ha contribuito allo sviluppo del motore a vapore.

Altre unità per il potere sono:

• Steam Horse (CV).
• Power Horse (HP o Cavallo Energia).
• Ergios/secondo.
• Foo ∙ bilancia/secondo.
• Calorie/secondo.
• Kilograph/Second.
• Btu/ora.

Di seguito si verificano alcune equivalenze:

• 1 CV = 550 piedi ∙ libbra/secondo = 745.7 W = 2545 Btu/H

Il kilovatio-hora che appare spesso nella bolletta dell'elettricità non è un'unità di potenza, ma di energia, nonché la BTU o l'unità termica britannica, un'unità ampiamente utilizzata nel campo del raffreddamento e i condizionatori d'aria.

L'alimentazione istantanea P viene calcolata prendendo un intervallo di tempo molto piccolo. Facendo Δt → 0 nella potenza media si trasforma in potenza istantanea, che viene quindi espressa come lavoro derivato dal lavoro rispetto al tempo:

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Efficienza

L'efficienza di un macchinario viene misurata confrontando il lavoro utile svolto con l'energia necessaria per implementarlo.

Succede che non importa quanto un macchinario perfetto non si trasformerà mai in un lavoro utile tutta l'energia fornita. Quando ci sono pezzi mobili, l'attrito è responsabile della trasformazione di una parte in calore e un altro probabilmente nel suono, che non sono sfruttati.

Come spiegato sopra, l'efficienza meccanica ε rimane:

Con w_S Il lavoro di output ed e_E L'energia d'ingresso. Moltiplicando il 100%, si ottiene l'efficienza percentuale, che può anche essere trovata attraverso il quoziente tra la potenza di input P_E e la potenza di uscita P_S:

Ad esempio, se una macchina ha un'efficienza del 45%, significa che solo il 45% dell'energia contribuita viene utilizzato ai fini della macchina e il restante 55% viene perso in calore, suono o altra forma di energia.

Tipi di potere

La potenza può essere sviluppata da diversi tipi di forze, quindi la potenza meccanica, associata a oggetti mobili, energia elettrica, suono, termico e altro ancora.

Potenza meccanica

Un oggetto in movimento sviluppa una potenza relativa alla sua velocità. Poiché il lavoro è definito come il prodotto scalare tra forza e spostamento, si verifica una potenza istantanea di:

Dove:

È uno spostamento infinitesimale. Ricordare che la velocità è il derivato della posizione rispetto al tempo:

Quando si sostituisce questa equazione in quello precedente, si ottiene che la potenza meccanica è il prodotto scalare tra il vettore di forza e velocità:

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Energia elettrica

È la velocità con cui l'energia fornisce una fonte o una batteria, a una carica specifica che. Questa consegna non può essere effettuata a un tasso costante, quindi viene definita una potenza media:

Dove v è la tensione e Δt è l'intervallo di tempo. Se la corrente e la tensione sono costanti nel tempo, la corrente è:

I = q/Δt

E il potere è anche costante, esprimendosi come:

P = i ∙ V

Potere del suono

Le onde sonore trasportano energia mentre si diffondono, grazie alla pressione sulle particelle del mezzo. Per loro viene utilizzato il concetto di intensità del suono, che è la potenza per unità di area, che viene misurata in W/M² Di per sé:

La potenza totale viene calcolata dall'integrale sulla superficie S:

La superficie potrebbe essere, ad esempio, un raggio r.

Energia termica

È la velocità con cui un determinato sistema rilascia energia sotto forma di calore:

Legge di Stefan-Boltzmann

Per il calore che viene trasmesso dalle radiazioni, la legge di Stefan-Boltzmann è valida:

Dove:

• T è la temperatura in Kelvin.
• σ è costante di Stefan-Boltzmann: σ = 5.67 × 10⁸ Con (m² K⁴).
• L'emissività del materiale è E, il cui valore è compreso tra 0 e 1 ed è tipico di ciascun materiale.
• A è la superficie del corpo.

Esempi di potere in fisica

Condizionatori d'aria e riscaldatore

Le attrezzature per il condizionamento e il riscaldamento sono classificati in base alla loro potenza. Produttori e designer hanno formule empiriche per calcolare la potenza che un'attrezzatura deve dover curare correttamente una stanza con determinate dimensioni.

Lampadine

Le persone sono generalmente guidate dalla potenza di una lampadina elettrica per sapere quanto sia brillante.

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Elettrodomestici

Tutti gli apparecchi indicano nelle loro etichette il potere che consumano per svolgere la loro funzione.

Macchinari

I macchinari in generale, come le gru, per esempio, sono classificati in base al potere che sviluppano per sollevare pesos.

Ven meccanici per i pazienti in terapia intensiva

La potenza di un ventilatore meccanico per la terapia intensiva è attentamente monitorata per evitare lesioni polmonari del paziente.

Esercizi

Esercizio 1

Una ragazza mangia ogni giorno l'equivalente di 8.4 × 10⁶ J per mantenere costante il tuo peso. Quanto è il potere medio che si sviluppa aggiornato?

Soluzione

La potenza media è il lavoro svolto per unità di tempo. Se la ragazza mantiene il suo peso costante, trascorre tutta l'energia del cibo per fare un lavoro utile. Un giorno hai 24 ore, equivalenti in secondi a:

1 giorno = 24 h = 86400 s

Esercizio 2

Un'auto sportiva la cui massa è di 1500 kg è in grado di accelerare da 0 a 90 km/h in 5.0 s. Quale potenza media è necessaria per raggiungere questa accelerazione?

Soluzione

Viene utilizzata la formula per la potenza meccanica:

La forza è calcolata dalla seconda legge di Newton:

L'accelerazione media dell'auto, supponendo che il movimento sia rettilineo uniformemente vario, è:

Prima di sostituire, viene effettuata una conversione di unità:

90 km/h = 25 m/s

La forza e lo spostamento sono nella stessa direzione, quindi, la potenza è semplicemente il prodotto della grandezza della forza per la velocità media:

Sostituire al potere:

P = 1500 kg × 5m/s² × 12.5 m/s = 93750 W