Силова фізика
Наприкінці цього розділу ви зможете:
- Розрахуйте потужність, обчислюючи зміни енергії з часом.
- Вивчіть споживання енергії та розрахунки вартості споживаної енергії.
Що таке сила?
Малюнок 1. Ця потужна ракета на космічному кораблі "Endeavour" справді працювала і споживала енергію з дуже високою швидкістю. (кредит: NASA)
Потужність - це слово викликає безліч образів: професійний футболіст, який рухається в сторону від свого суперника, драгстер, який реве від стартової лінії, вулкан, що продуває лаву в атмосферу, або вибух ракети, як на малюнку 1.
Ці образи влади мають спільне швидке виконання роботи, що узгоджується з науковим визначенням сили (Р) як швидкості виконання роботи.
Потужність
Потужність - це швидкість виконання роботи.
Одиницею вимірювання потужності SI є вата (Вт), де 1 ват дорівнює 1 джоулю/секунду (1 Вт = 1 Дж/с).
Оскільки робота - це передача енергії, потужність - це також швидкість витрачання енергії. Наприклад, лампочка потужністю 60 Вт витрачає 60 Дж енергії в секунду. Велика сила означає великий обсяг роботи або енергії, що розвиваються за короткий час. Наприклад, коли потужний автомобіль швидко розганяється, він виконує великий обсяг роботи і споживає велику кількість палива за короткий час.
Розрахунок потужності з енергії
Приклад 1. Розрахунок потужності для підйому сходами
Яка вихідна потужність для жінки вагою 60,0 кг, яка піднімається по сходах висотою 3,00 м за 3,50 с, починаючи з відпочинку, але з кінцевою швидкістю 2,00 м/с? (Див. Малюнок 2.)
Малюнок 2. Коли ця жінка біжить нагору, починаючи з відпочинку, вона перетворює хімічну енергію, спочатку отриману з їжі, у кінетичну енергію та гравітаційну потенційну енергію. Її вихідна потужність залежить від того, наскільки швидко вона це робить.
Стратегія та концепція
Робота, що йде на механічну енергію, дорівнює W = KE + PE. Внизу сходів ми приймаємо як KE, так і PEg як спочатку нульові; таким чином, [латекс] W = \ text _> + \ text _> = \ fracmv _> ^ 2 + mgh \\ [/ латекс], де h - вертикальна висота сходів. Оскільки дані всі члени, ми можемо обчислити W, а потім розділити його на час, щоб отримати потужність.
Рішення
Підставивши вираз для W у визначення потужності, наведене в попередньому рівнянні, [латекс] P = \ frac \\ [/ латекс] дає
Введення відомих значень дає
Обговорення
Жінка виконує 1764 Дж роботи, щоб піднятися сходами, порівняно із лише 120 Дж, щоб збільшити свою кінетичну енергію; таким чином, більша частина її вихідної потужності потрібна для підйому, а не для розгону.
Вражає те, що корисна потужність цієї жінки становить трохи менше 1 кінських сил (1 к.с. = 746 Вт)! Люди можуть за короткий проміжок часу за рахунок м’язів ніг генерувати більше кінських сил, швидко перетворюючи наявний цукор і кисень у крові у вихідну роботу. (Кінь може видавати 1 к. С. Протягом кількох годин.) Як тільки виснажується кисень, потужність зменшується, і людина починає швидко дихати, отримуючи кисень, метаболізуючи більше їжі - це відоме як аеробна стадія вправ. Якби жінка повільно піднімалася сходами, то її потужність була б набагато меншою, хоча обсяг виконаної роботи був би однаковим.
Встановлення зв’язків: Дослідження на дому - виміряйте свою потужність
Визначте власну номінальну потужність, вимірявши час, необхідний для підйому по сходовій майданчику. Ми будемо ігнорувати приріст кінетичної енергії, оскільки наведений вище приклад показав, що це мала частина прирісту енергії. Не сподівайтесь, що ваша потужність буде більше приблизно 0,5 к.с.
Приклади влади
Рисунок 3. Величезна кількість електроенергії виробляється на вугільних електростанціях, таких як ця в Китаї, але ще більша кількість енергії йде на передачу тепла в навколишнє середовище. Великі градирні тут потрібні для передачі тепла так швидко, як воно виробляється. Передача тепла не властива лише вугільним електростанціям, але є неминучим наслідком виробництва електроенергії з будь-якого палива - ядерного, вугільного, нафтового, природного газу тощо. (кредит: Kleinolive, Wikimedia Commons)
Приклади сили обмежені лише уявою, оскільки існує стільки видів, скільки форм праці та енергії. (Деякі приклади див. У таблиці 1.) Сонячне світло, що досягає поверхні Землі, несе максимальну потужність близько 1,3 кіловат на квадратний метр (кВт/м 2). Крихітну частину цього Земля зберігає протягом тривалого періоду. Наша норма споживання викопного палива набагато перевищує норму їх зберігання, тому неминуче їх виснаження. Потужність означає, що енергія передається, можливо, змінюючи форму. Ніколи неможливо повністю змінити одну форму на іншу, не втративши її частину як теплову енергію. Наприклад, 60-Вт лампа розжарювання перетворює лише 5 Вт електричної потужності на світло, при цьому 55 Вт розсіюється в теплову енергію.
Крім того, типова електростанція перетворює лише 35-40% свого палива в електроенергію. Залишок стає величезною кількістю теплової енергії, яку необхідно розподіляти як теплопередачу настільки швидко, наскільки вона створюється. Вугільна електростанція може виробляти 1000 мегават; 1 мегават (МВт) - це 10 6 Вт електроенергії. Але електростанція споживає хімічну енергію зі швидкістю близько 2500 МВт, створюючи передачу тепла в навколишнє середовище із швидкістю 1500 МВт. (Див. Малюнок 3.)