พลังกล: มันคืออะไรแอพพลิเคชั่นตัวอย่าง - กายภาพ - 2025

พลังงานกลเป็นอัตราที่ทำงานซึ่งมีการแสดงออกทางคณิตศาสตร์โดยปริมาณของงานที่ทำต่อหน่วยของเวลาที่จะดำเนินการ และเนื่องจากงานเสร็จสิ้นโดยมีค่าใช้จ่ายของพลังงานที่ดูดซึมจึงสามารถระบุเป็นพลังงานต่อหน่วยเวลาได้

การเรียกกำลัง P, W ให้ทำงาน, E เป็นพลังงานและ t to time ทั้งหมดที่กล่าวมาสามารถสรุปได้ในนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ที่ใช้งานง่าย:

รูปที่ 1. Gossamer Albatross ซึ่งเป็น 'จักรยานบินได้' ได้ข้ามช่องแคบอังกฤษในช่วงปลายทศวรรษ 1970 โดยใช้กำลังของมนุษย์เท่านั้น ที่มา: Wikimedia Commons กอสซาเมอร์อัลบาทรอส Guroadrunner ที่ English Wikipedia

O ดี:

ได้รับการตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่ James Watt วิศวกรชาวสก็อต (1736-1819) ซึ่งเป็นที่รู้จักในการสร้างเครื่องจักรไอน้ำคอนเดนเซอร์ซึ่งเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่เริ่มต้นการปฏิวัติอุตสาหกรรม

หน่วยกำลังอื่น ๆ ที่ใช้ในอุตสาหกรรม ได้แก่ แรงม้า (แรงม้าหรือแรงม้า) และ CV (แรงม้า) ต้นกำเนิดของหน่วยเหล่านี้ยังย้อนหลังไปถึง James Watt และการปฏิวัติอุตสาหกรรมเมื่อมาตรฐานการวัดเป็นอัตราที่ม้าทำงานได้

ทั้งแรงม้าและ CV มีค่าเท่ากับ¾กิโล -W และยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายโดยเฉพาะอย่างยิ่งในวิศวกรรมเครื่องกลเช่นในการกำหนดมอเตอร์

การทวีคูณของวัตต์เช่นกิโลวัตต์ข้างต้น = 1,000 วัตต์มักใช้ในพลังงานไฟฟ้า เนื่องจากจูลเป็นหน่วยพลังงานที่ค่อนข้างเล็ก ระบบอังกฤษใช้ปอนด์ฟุต / วินาที

ประกอบด้วยอะไรบ้างและการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมและพลังงาน

แนวคิดเรื่องพลังงานสามารถใช้ได้กับพลังงานทุกประเภทไม่ว่าจะเป็นพลังงานกลไฟฟ้าเคมีลมโซนิคหรือทุกชนิด เวลาเป็นสิ่งสำคัญมากในอุตสาหกรรมเนื่องจากกระบวนการต่างๆจะต้องดำเนินไปอย่างรวดเร็วที่สุด

มอเตอร์ใด ๆ จะทำงานที่จำเป็นตราบเท่าที่มีเวลาเพียงพอ แต่สิ่งสำคัญคือต้องทำในเวลาที่สั้นที่สุดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

มีการอธิบายแอปพลิเคชั่นที่เรียบง่ายมากทันทีเพื่อชี้แจงความแตกต่างระหว่างงานและพลัง

สมมติว่าของหนักถูกเชือกดึง ในการดำเนินการนี้ตัวแทนภายนอกจะต้องทำงานที่จำเป็น สมมติว่าเอเจนต์นี้ถ่ายโอนพลังงาน 90 J ไปยังระบบสตริงอ็อบเจ็กต์เพื่อให้เคลื่อนที่เป็นเวลา 10 วินาที

ในกรณีเช่นนี้อัตราการถ่ายเทพลังงานคือ 90 J / 10 s หรือ 9 J / s จากนั้นเราสามารถยืนยันได้ว่าตัวแทนคนหรือมอเตอร์นั้นมีกำลังขับ 9 W

หากตัวแทนภายนอกอื่นสามารถบรรลุการกระจัดเดียวกันไม่ว่าจะในเวลาที่น้อยลงหรือโดยการถ่ายเทพลังงานน้อยลงก็จะสามารถพัฒนาพลังงานได้มากขึ้น

อีกตัวอย่างหนึ่ง: สมมติว่ามีการถ่ายเทพลังงาน 90 J ซึ่งจัดการเพื่อให้ระบบเคลื่อนที่เป็นเวลา 4 วินาที กำลังขับจะอยู่ที่ 22.5 W.

ประสิทธิภาพของเครื่อง

พลังมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับประสิทธิภาพ พลังงานที่จ่ายให้กับเครื่องจักรจะไม่ถูกเปลี่ยนเป็นงานที่มีประโยชน์โดยสิ้นเชิง ส่วนสำคัญมักจะกระจายไปในความร้อนซึ่งขึ้นอยู่กับหลายปัจจัยตัวอย่างเช่นการออกแบบตัวเครื่อง

นั่นคือเหตุผลว่าทำไมจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทราบถึงประสิทธิภาพของเครื่องจักรซึ่งถูกกำหนดให้เป็นผลหารระหว่างงานที่ส่งมอบและพลังงานที่ให้มา:

โดยที่ตัวอักษรภาษากรีกηหมายถึงผลตอบแทนเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติซึ่งจะน้อยกว่า 1 เสมอหากคูณด้วย 100 เราจะได้ผลผลิตเป็นเปอร์เซ็นต์

ตัวอย่าง

- มนุษย์และสัตว์พัฒนาพลังระหว่างการเคลื่อนไหว ตัวอย่างเช่นการปีนบันไดต้องทำงานต้านแรงโน้มถ่วง เมื่อเปรียบเทียบคนสองคนที่ปีนบันไดคนที่ปีนบันไดทั้งหมดก่อนจะมีพลังพัฒนามากกว่าอีกคน แต่ทั้งคู่ก็ทำงานเดียวกัน

- เครื่องใช้ในครัวเรือนและเครื่องจักรระบุกำลังขับ หลอดไฟแบบไส้ที่เหมาะสำหรับให้แสงสว่างในห้องมีกำลังไฟ 100 W. ซึ่งหมายความว่าหลอดไฟจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงและความร้อน (ส่วนใหญ่) ในอัตรา 100 J / s

- มอเตอร์ของเครื่องตัดหญ้าสามารถใช้พลังงานได้ประมาณ 250 W และของรถยนต์อยู่ที่ 70 กิโลวัตต์

- ปั๊มน้ำแบบโฮมเมดมักจ่าย 0.5 แรงม้า

- ดวงอาทิตย์สร้างกำลัง 3.6 x 10 ²⁶ W

พลังและความเร็ว

พลังงานที่ได้รับทันทีโดยใช้เวลาน้อย: P = dW / dt แรงที่ก่อให้เกิดการทำงานที่ก่อให้เกิดเล็ก ๆ น้อยกระจัด d xคือF (ทั้งคู่เป็นพาหะ) ดังนั้น DW = F d xการแทนที่ทุกอย่างในนิพจน์สำหรับพลังจะยังคงอยู่:

พลังของมนุษย์

คนสามารถสร้างกำลังได้ประมาณ 1500 W หรือ 2 แรงม้าอย่างน้อยก็ในช่วงเวลาสั้น ๆ เช่นการยกน้ำหนัก

โดยเฉลี่ยกำลังขับต่อวัน (8 ชั่วโมง) คือ 0.1 แรงม้าต่อคน ซึ่งส่วนใหญ่แปลเป็นความร้อนโดยประมาณในปริมาณเท่ากันที่เกิดจากหลอดไส้ 75W

นักกีฬาในการฝึกซ้อมสามารถสร้างกำลังโดยเฉลี่ย 0.5 แรงม้าเทียบเท่ากับ 350 J / s โดยประมาณโดยเปลี่ยนพลังงานเคมี (กลูโคสและไขมัน) เป็นพลังงานกล

รูปที่ 2. นักกีฬาพัฒนากำลังเฉลี่ย 2 แรงม้า ที่มา: Pixabay

เมื่อพูดถึงกำลังของมนุษย์โดยทั่วไปนิยมให้วัดเป็นกิโลแคลอรี่ / ชั่วโมงแทนที่จะเป็นวัตต์ ความเท่าเทียมที่จำเป็นคือ:

พลัง 0.5 แรงม้าดูเหมือนจะน้อยมากและสำหรับหลาย ๆ แอพพลิเคชั่น

อย่างไรก็ตามในปีพ. ศ. 2522 ได้มีการสร้างจักรยานที่ขับเคลื่อนด้วยมนุษย์ที่บินได้ Paul MacCready ออกแบบ Gossamer Albatross ซึ่งข้ามช่องแคบอังกฤษซึ่งสร้างผลผลิตเฉลี่ย 190 W (รูปที่ 1)

จำหน่ายพลังงานไฟฟ้า

การประยุกต์ใช้ที่สำคัญคือการกระจายพลังงานไฟฟ้าระหว่างผู้ใช้ บริษัท ที่จ่ายค่าไฟฟ้าสำหรับพลังงานที่ใช้ไม่ใช่อัตราที่ใช้ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมผู้ที่อ่านบิลของคุณอย่างรอบคอบจะพบหน่วยที่เฉพาะเจาะจงมากนั่นคือกิโลวัตต์ - ชั่วโมงหรือกิโลวัตต์ - ชั่วโมง

อย่างไรก็ตามเมื่อชื่อวัตต์รวมอยู่ในหน่วยนี้หมายถึงพลังงานไม่ใช่พลังงาน

กิโลวัตต์ - ชั่วโมงใช้เพื่อระบุการใช้พลังงานไฟฟ้าเนื่องจากจูลตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้เป็นหน่วยที่ค่อนข้างเล็ก: 1 วัตต์ต่อชั่วโมงหรือ Wh คืองานที่ทำใน 1 ชั่วโมงโดยใช้กำลัง 1 วัตต์

ดังนั้น 1 kW-h จึงเป็นงานที่ทำในหนึ่งชั่วโมงโดยใช้กำลัง 1kW หรือ 1,000 W. ลองใส่ตัวเลขเพื่อแปลงจำนวนเหล่านี้เป็นจูล:

คาดว่าครัวเรือนหนึ่งสามารถใช้พลังงานได้ประมาณ 200 กิโลวัตต์ - ชั่วโมงต่อเดือน

การออกกำลังกาย

แบบฝึกหัด 1

ชาวนาใช้รถแทรกเตอร์ดึงหญ้าแห้ง M = 150 กก. บนระนาบเอียง 15 °และเข้าไปในยุ้งฉางด้วยความเร็วคงที่ 5.0 กม. / ชม. ค่าสัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทานจลน์ระหว่างก้อนหญ้าแห้งและรางน้ำเท่ากับ 0.45 ค้นหากำลังขับของรถแทรกเตอร์

สารละลาย

สำหรับปัญหานี้คุณต้องวาดแผนภาพอิสระสำหรับก้อนหญ้าแห้งที่ไต่ระดับความเอียง ให้F เป็นแรงที่รถแทรกเตอร์ใช้ในการยกก้อนα = 15ºคือมุมเอียง

นอกจากนี้แรงเสียดทานจลน์ฉ _{แรงเสียดทาน}ที่ตรงข้ามกับการเคลื่อนไหวที่เกี่ยวข้องกับการบวกปกติNและน้ำหนักW (อย่าสับสน W ของน้ำหนักกับที่ของการทำงาน)

รูปที่ 3 แผนภาพร่างกายที่แยกได้ของก้อนฟาง ที่มา: F. Zapata

กฎข้อที่สองของนิวตันเสนอสมการต่อไปนี้:

ความเร็วและแรงมีทิศทางและความรู้สึกเดียวกันดังนั้น:

จำเป็นต้องเปลี่ยนหน่วยของความเร็ว:

การแทนที่ค่าในที่สุดเราก็ได้:

แบบฝึกหัด 2

มอเตอร์ที่แสดงในรูปจะยกบล็อก 2 กก. เริ่มจากพักด้วยความเร่ง 2 m / s ²และใน 2 วินาที

รูปที่ 4. มอเตอร์ยกวัตถุขึ้นที่ความสูงซึ่งจำเป็นในการทำงานและพัฒนากำลัง ที่มา: F. Zapata

คำนวณ:

ก) ความสูงที่บล็อกถึงในเวลานั้น

b) กำลังที่เครื่องยนต์ต้องพัฒนาเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้

สารละลาย

a) เป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้นตรงที่มีความแตกต่างกันอย่างสม่ำเสมอดังนั้นจึงใช้สมการที่สอดคล้องกันโดยมีความเร็วเริ่มต้น 0 ความสูงถึงกำหนดโดย:

b) ในการค้นหากำลังที่พัฒนาโดยมอเตอร์สามารถใช้สมการได้:

และเนื่องจากแรงที่กระทำต่อบล็อกนั้นผ่านความตึงเครียดในสตริงซึ่งมีขนาดคงที่:

P = (ma) .y / Δ t = 2 กก. x 2 ม. / วินาที² x 4 ม. / 2 วินาที = 8 W

อ้างอิง

1. Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่มที่ 2. พลวัต. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
2. Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. เพียร์สัน
3. ฟิสิกส์ Libretexts อำนาจ. สืบค้นจาก: phys.libretexts.org
4. หนังสือไฮเปอร์เท็กซ์ฟิสิกส์ อำนาจ. กู้คืนจาก: Physics.info.
5. งานพลังงานและพลัง ดึงมาจาก: ncert.nic.in