Potenza meccanica Cosa sono, applicazioni, esempi

IL Potenza meccanica È il ritmo a cui viene svolto il lavoro, che è espresso in modo matematico per la quantità di lavoro svolto per unità di tempo. E poiché il lavoro viene svolto a spese dell'energia assorbita, può anche essere aumentato come energia per unità di tempo.

Chiamata P per dare potenza, W lavorare, E all'energia e T Allo stesso tempo, tutto quanto sopra può essere riassunto nel gestire facilmente le espressioni matematiche:

Figura 1. The Gossamer Albatross, la "Bicycle Flying", attraversò il canale di La Mancha alla fine degli anni '70, usando solo il potere umano. Fonte: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner presso l'inglese Wikipedia [dominio pubblico]

O Bene:

Le unità di potenza nel sistema internazionale (SI), che è il sistema delle unità universalmente adottate, sono la joule/seconda o il watt, che è abbreviato W. Fu così chiamato in onore dell'ingegnere scozzese James Watt (1736-1819), noto per aver creato il motore a vapore con un condensatore, invenzione che iniziò la rivoluzione industriale.

Altre unità elettriche utilizzate nelle industrie sono HP (Potenza di cavallo o cavallo di potenza) e il CV (cavallo a vapore). L'origine di queste unità risale anche a James Watt e alla rivoluzione industriale, quando il modello di misurazione era il ritmo con cui un cavallo verso il lavoro.

Sia l'HP che il CV sono equivalenti a circa ¾ di kilo-W ancora usati molto, specialmente nell'ingegneria meccanica, ad esempio nella designazione dei motori.

I multipli Watt, come i suddetti kilo-W = 1000 W sono anche spesso utilizzati nell'elettricità. È perché il joule è un'unità di energia relativamente piccola. Il sistema britannico utilizza Libra-Pie/Second.

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Cos'è le applicazioni di industria e energia

Il concetto di potenza è applicabile a tutti i tipi di energia, sia meccanica, elettrica, chimica, vento, esonica o di qualsiasi tipo. Il tempo è molto importante nel settore, perché i processi devono essere eseguiti il ​​più rapidamente possibile.

Qualsiasi motore farà il lavoro necessario per avere abbastanza tempo, ma l'importante è farlo nel più breve tempo possibile, per aumentare l'efficienza.

Un'applicazione molto semplice viene immediatamente descritta per chiarire la distinzione tra lavoro e pozzo.

Supponiamo che un oggetto pesante sia fermato da una corda. Per fare ciò, è richiesto un agente esterno che svolge il lavoro necessario. Diciamo che questo agente trasferisce 90 J di energia al sistema oggetto-corpo, in modo che sia messo in moto per 10 secondi.

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In questo caso, la velocità di trasferimento di energia è di 90 J/10 s o 9 J/s. Quindi possiamo affermare che questo agente, una persona o un motore hanno una potenza di 9 W di uscita.

Se un altro agente esterno è in grado di ottenere lo stesso spostamento, in meno tempo o di trasferimento di meno energia, allora è in grado di sviluppare una maggiore potenza.

Un altro esempio: supponiamo che un trasferimento di energia di 90 j, che riesce a spostare il sistema per 4 secondi. La potenza di uscita sarà 22.5 w.

Prestazioni della macchina

Il potere è strettamente correlato alle prestazioni. L'energia fornita a una macchina non viene mai completamente trasformata in un lavoro utile. Una parte importante è generalmente dissipata nel calore, che dipende da molti fattori, ad esempio il design della macchina.

Ecco perché è importante conoscere le prestazioni delle macchine, che è definita come il rapporto tra il lavoro consegnato e l'energia fornita:

η = lavoro consegnato dalla macchina/energia fornita

Where the Greek Lyrics η Indica le prestazioni, un importo aggiuntivo che è sempre inferiore a 1. Se si moltiplichi anche per 100, hai le prestazioni in termini percentuali.

Esempi

- Esseri e animali umani sviluppano potere durante la locomozione. Ad esempio, quando si arrampicano le scale è necessario lavorare contro la gravità. Confrontando due persone che salivano su una scala, che prima aumenta tutti i passaggi, avrà sviluppato più potere dell'altro, ma entrambi hanno fatto lo stesso lavoro.

- Gli elettrodomestici e i macchinari sono specificati dalla loro potenza di uscita. Un bulbo a incandescenza appropriato per illuminare una stanza ha una potenza di 100 w. Ciò significa che la lampadina trasforma l'elettricità in luce e calore (la maggior parte) ad una velocità di 100 j/s.

- Il motore di una potatura di erba può consumare circa 250 W e quello di un'auto è nell'ordine dei 70 kW.

- Una pompa d'acqua fatta in casa fornisce di solito 0.5 CV.

- Il sole genera 3.6 x 10 ²⁶ W Potenza.

Potenza e velocità

L'energia istantanea si ottiene prendendo un tempo infinitesimale: P = Dw/dt. La forza prodotta dal lavoro causale del piccolo spostamento infinitesimale DX È F (entrambi sono vettori), quindi dw = F ● DX. Sostituire tutto nell'espressione per il potere, rimane:

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Pertanto, la potenza può anche essere espressa come il prodotto scalare tra forza e velocità.

Potere umano

Le persone sono in grado di generare poteri di circa 1500 w o 2 cavalli, almeno per un breve periodo, come pesi di pesi.

In media, la potenza giornaliera (8 ore) è 0.1 CV a persona. Gran parte dei quali si traduce in calore, più o meno la stessa quantità generata da un bulbo incandescente di 75 w.

Un atleta in allenamento può generare in media 0.5 CV equivalente a circa 350 j/s, trasformando l'energia chimica (glucosio e grasso) in energia meccanica.

figura 2. Un atleta sviluppa un potere medio di 2 CV. Fonte: Pixabay.

Quando si tratta di potere umano, di solito è preferito. L'equivalenza necessaria è:

1 kilocaloria = 1 calorica nutrizionale = 4186 j

Un potere di 0.5 CV suona come una quantità molto piccola, ed è per molte applicazioni.

Tuttavia, nel 1979 fu creata una bicicletta spinta dagli umani che poteva volare. Paul MacCready ha progettato il Gossamer Albatross, Ciò ha attraversato il canale La Mancha generando 190 W di uscita media (Figura 1).

Distribuzione dell'energia elettrica

Un'applicazione importante è la distribuzione dell'elettricità tra gli utenti. Le aziende che forniscono elettricità fatturano l'energia consumata, non il tasso a cui viene consumato. Ecco perché coloro che leggono attentamente il conto troveranno un'unità molto specifica: il Kilowatt-Hora o KW-H.

Tuttavia, quando il nome di Watt è incluso in questa unità si riferisce all'energia e non al potere.

Il kilowatt-hora viene utilizzato per indicare il consumo di elettricità, poiché il joule, come menzionato in precedenza, è un'unità abbastanza piccola: 1 watt-hora o w-h È il lavoro svolto in 1 ora attraverso una potenza di 1 watt.

Perciò 1 kw-h È il lavoro che viene svolto in un'ora lavorando con una potenza di 1kW o 1000 W. Mettiamo i numeri per passare questi importi a Joules:

1 W-H = 1 W x 3600 s = 3600 J

1 kW-H = 1000 W x 3600 s = 3.6 x 10 ⁶ J

Si stima che in una casa circa 200 kW-hora possa essere consumato al mese.

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Esercizi

Esercizio 1

Un agricoltore usa un trattore per tirare un fieno di M = 150 kg su un piano inclinato di 15 ° e portarlo nel fienile, a velocità costante di 5.0 km / h. Il coefficiente di attrito cinetico tra il fieno Fardo e la rampa è 0.Quattro cinque. Trova la potenza di uscita del trattore.

Soluzione

Per questo problema è necessario disegnare un diagramma del corpo libero per il fieno Fardo che sale sul piano inclinato. Essere F La forza che applica il trattore per scalare il Bundo, α = 15º è l'angolo di inclinazione.

Inoltre, è coinvolta la forza di attrito cinetico F_tocco che si oppone al movimento, oltre al normale N e il peso W (Non confondere la W del peso con quello del lavoro).

Figura 3. Diagramma del corpo isolato Heo Fardo. Fonte: f. Zapata.

La seconda legge di Newton offre le seguenti equazioni:

∑ fx = f -w_X -F_tocco = 0 (da quando il Bundo sale a velocità costante)

∑fy = n - w_E = 0 (Non c'è movimento lungo l'asse X)

L'attrito cinetico è calcolato da:

F_tocco = Coefficiente di attrito cinetico X di grandezza della normale

F_tocco = 0.Quattro cinque . WY = 0.45 x 150 kg x9.8 m/s2 x cos 15º = 639 N

F = w_X + F_tocco = M.G. peccato α = 150 kg. 9.8 m/s² . sin 15 º + 639 n =  1019.42 n

Velocità e forza hanno la stessa direzione e significato, quindi:

P = F ● v = F. v

È necessario per trasformare le unità di velocità:

v = 5.0 km/ h = 1.39 m/ s

Sostituendo i valori, finalmente ottieni:

P = 1019.42 N x 1.39 m/ s = 1417 W = 1.4 kW

Esercizio 2

Il motore mostrato nella figura caricherà il blocco da 2 kg, a partire dal riposo, con un'accelerazione di 2 m/s² e in 2 secondi.

Figura 4. Un motore eleva un oggetto a una certa altezza, per la quale è necessario lavorare e sviluppare energia. Fonte: f. Zapata.

Calcolare:

a) l'altezza raggiunta dal blocco in quel momento.

b) la potenza che il motore deve sviluppare per raggiungerlo.

Soluzione

a) È un movimento rettilineare uniformemente vario, quindi verranno utilizzate le equazioni corrispondenti, con la velocità iniziale 0. L'altezza raggiunta è data da:

y = ½ a² = ½ . 2 m/s² . (2 s)² = 4 m.

b) Per trovare la potenza sviluppata dal motore, è possibile utilizzare l'equazione:

P = ΔCon ΔT

E poiché la forza che viene esercitata sul blocco è attraverso la tensione nella corda, che è costante in grandezza:

P = (Ma).e/ΔT = 2 kg x 2 m/s² x 4 m / 2 s = 8 w

Riferimenti

1. Figueroa, d. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volume 2. Dinamico. A cura di Douglas Figueroa (USB).
2. Cavaliere, r.  2017. Fisica per scienziati e ingegneria: un approccio strategico.  Pearson.
3. Bibliotext di fisica. Energia. Recuperato da: Phys.Librettexts.org
4. Il libro di ipertestimenti fisici. Energia. Recuperato da: fisica.Informazioni.
5. Lavoro, energia e potenza. Recuperato da: NCERT.Nic.In