כיצד לחשב כוח מכני

תוֹכֶן

• TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
• אנרגיה, כוח, עבודה וכוח
• משוואה לכוח מכני
• כוח בתנועה לינארית
• דוגמא לחישוב: נשיאת כביסה
• הערה אחרונה על המורכבות

אתה יכול למצוא כוח מכני בשימוש בכל מקום בעולם המודרני. האם רכבתם היום במכונית? הוא השתמש באנרגיה, בין מדלק או מצבר, כדי להזיז סדרה מחוברת של רכיבים מכניים - צירים, הילוכים, חגורות וכדומה - עד שלבסוף, אנרגיה זו שימשה לסיבוב הגלגלים ולהנעת הרכב קדימה.

כוח בפיזיקה הוא מדד של ציון באיזה עבודה מבוצעת לאורך זמן. המילה "מכנית" אינה אלא תיאורית; זה אומר לך שהכוח קשור למכונה ולתנועה של רכיבים שונים כמו המניע של מכונית או גלגלי השעון.

נוסחת הכוח המכנית משתמשת באותם חוקים יסודיים של הפיזיקה המשמשים לצורות כוח אחרות.

TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)

כוח ע זה מוגדר כ עבודה W על זמן t על פי הנוסחה הבאה. הערה ליחידות: הספק צריך להיות בוואט (W), לעבוד בג'אול (J) וזמן בשניות - בדוק תמיד לפני שאתה מחבר לערכים שלך.

ע = W / t

כוח מכני פועל לפי אותם חוקים השולטים בסוגי כוח אחרים כמו כימיים או תרמיים. כוח מכני הוא פשוט כוח הקשור לרכיבים הנעים של מערכת מכנית, למשל ההילוכים, הגלגלים והגלגלות בתוך שעון עתיק.

אנרגיה, כוח, עבודה וכוח

כדי להבין את הביטוי לעוצמה מכנית, מועיל לפרוש ארבעה מונחים קשורים זה בזה: אנרגיה, כוח, עבודה ו כוח.

משוואה לכוח מכני

בגלל הקשר בין אנרגיה לעבודה, ישנן שתי דרכים נפוצות להביע כוח באופן מתמטי. הראשון הוא מבחינת עבודה W ו זמן t:

ע = W/t

כוח בתנועה לינארית

אם אתה מתמודד עם תנועה ליניארית אתה יכול להניח שכל כוח המופעל או מניע אובייקט קדימה או אחורה לאורך שביל ישר בקו פעולה עם פעולת הכוחות - חשוב על רכבות על מסילה. מכיוון שהרכיב הכיוון בעצם דואג לעצמו, אתה יכול גם לבטא כוח במונחים של נוסחה פשוטה באמצעות כוח, מרחק, ו מהירות.

במצבים אלה, עבודה W ניתן להגדיר כ כוח ו × מרחק ד. חבר את זה למשוואה הבסיסית שלמעלה ותקבל:

ע = ו ×d / t

שימו לב למשהו מוכר? בתנועה ליניארית, מרחק מחולק ב זמן היא ההגדרה ל- מהירות (v), כך שנוכל גם לבטא כוח כ:

ע = ו(ד/t) = ו × v

דוגמא לחישוב: נשיאת כביסה

אוקיי, זה היה הרבה מתמטיקה מופשטת, אבל בואו נוכל לעבוד עכשיו כדי לפתור בעיה מדגמית:

ההורים שלך מבקשים ממך לשאת מטען נקי של כביסה 10 קילוגרם למעלה. אם בדרך כלל לוקח לך 30 שניות לעלות במדרגות, והמדרגות גובהן 3 מטרים, הערך כמה כוח תצטרך להוציא בכדי לשאת את הבגדים מתחתית גרם המדרגות לראש.

על סמך ההנחיה ידענו את הזמן הזה t יהיה 30 שניות, אבל אין לנו ערך לעבודה W. עם זאת, אנו יכולים לפשט את התרחיש לצורך ההערכה. במקום לדאוג להזיז את הכביסה כלפי מעלה וקדימה בכל צעד בודד, בואו נניח שאתה פשוט מרים אותה בקו ישר מגובה ההתחלה. עכשיו נוכל להשתמש ב- ע = ו × ד / t ביטוי של כוח מכני, אך אנו עדיין צריכים להבין את הכוח המעורב.

על מנת לשאת את הכביסה, עליכם לסתור את כוח הכובד עליה. מכיוון שכוח הכובד הוא F = מ"ג בכיוון כלפי מטה, עליכם להחיל אותו כוח בכיוון כלפי מעלה. ציין זאת ז היא ההאצה כתוצאה מכוח הכבידה שעל כדור הארץ היא 9.8 מ '/ ש'². עם זאת בחשבון, אנו יכולים ליצור גרסה מורחבת של נוסחת הכוח הסטנדרטית:

ע = (M × ז) (ד / t)

ואנחנו יכולים לחבר את הערכים שלנו למסה, תאוצה, מרחק וזמן:

P = (10 ק"ג × 9.8 מ '/ ש'²) (3 מ '/ 30 שניות)
P = 9.08 וואט

אז תצטרך להוציא בערך 9.08 וואט כדי לשאת את הכביסה.

הערה אחרונה על המורכבות

הדיון שלנו הוגבל לתרחישים די פשוטים ומתמטיקה פשוטה יחסית. בפיזיקה מתקדמת, צורות מתוחכמות של משוואת הכוח המכנית עשויות לדרוש שימוש בחישוב ובנוסחאות ארוכות ומסובכות יותר המביאות בחשבון כוחות מרובים, תנועה מעוקלת וגורמים מסבכים אחרים.

אם אתה זקוק למידע מעמיק יותר, מסד הנתונים HyperPhysics המתארח על ידי אוניברסיטת ג'ורג'יה הוא משאב מצוין.