القوة الميكانيكية: ما هي ، التطبيقات ، الأمثلة - جسدي - بدني - 2026

و الطاقة الميكانيكية هي المعدل الذي يتم تنفيذ العمل، وهو ما يعبر عنه رياضيا، من خلال حجم العمل المنجز لكل وحدة من الزمن. وبما أن العمل يتم على حساب الطاقة الممتصة ، فيمكن أيضًا التعبير عنه كطاقة لكل وحدة زمنية.

عند استدعاء P إلى power و W للعمل و E إلى الطاقة و t إلى وقت ، يمكن تلخيص كل ما سبق في تعبيرات رياضية سهلة الاستخدام:

الشكل 1. عبرت جوسامر القطرس ، "الدراجة الطائرة" ، القناة الإنجليزية في أواخر السبعينيات ، باستخدام القوة البشرية فقط. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. جوسامر القطرس. Guroadrunner في ويكيبيديا الإنجليزية

اوه حسنا:

تم تسميته تكريما للمهندس الاسكتلندي جيمس وات (1736-1819) ، المعروف بإنشاء محرك بخاري مكثف ، وهو اختراع بدأ الثورة الصناعية.

وحدات الطاقة الأخرى المستخدمة في الصناعات هي حصان (قوة حصان أو قوة حصان) والسيرة الذاتية (حصان). يعود أصل هذه الوحدات أيضًا إلى جيمس وات والثورة الصناعية ، عندما كان معيار القياس هو المعدل الذي يعمل به الحصان.

كل من حصان وسيرة ذاتية تساوي تقريبًا ¾ كيلو وات ولا تزال تستخدم على نطاق واسع ، خاصة في الهندسة الميكانيكية ، على سبيل المثال في تحديد المحركات.

غالبًا ما تستخدم مضاعفات الواط ، مثل الكيلو W = 1000 W المذكورة أعلاه في الطاقة الكهربائية. هذا لأن الجول وحدة صغيرة نسبيًا من الطاقة. يستخدم النظام البريطاني رطل قدم / ثانية.

ما تتكون منه وتطبيقاته في الصناعة والطاقة

ينطبق مفهوم الطاقة على جميع أنواع الطاقة ، سواء كانت ميكانيكية أو كهربائية أو كيميائية أو رياح أو صوتية أو من أي نوع. الوقت مهم جدًا في الصناعة ، لأن العمليات يجب أن تتم بأسرع ما يمكن.

أي محرك سوف يقوم بالعمل اللازم طالما أن لديه الوقت الكافي ، ولكن الشيء المهم هو القيام بذلك في أقصر وقت ممكن ، لزيادة الكفاءة.

يتم وصف تطبيق بسيط للغاية على الفور لتوضيح التمييز بين العمل والقوة بشكل جيد.

افترض أن جسمًا ثقيلًا سُحِب بحبل. للقيام بذلك ، مطلوب وكيل خارجي للقيام بالعمل اللازم. لنفترض أن هذا العامل ينقل 90 J من الطاقة إلى نظام سلسلة الكائن ، بحيث يتم تشغيله لمدة 10 ثوانٍ.

في مثل هذه الحالة ، يكون معدل نقل الطاقة 90 جول / 10 ثانية أو 9 جول / ثانية. ثم يمكننا أن نؤكد أن هذا الوكيل ، شخصًا أو محركًا ، لديه طاقة خرج تبلغ 9 وات.

إذا كان عامل خارجي آخر قادرًا على تحقيق نفس الإزاحة ، إما في وقت أقل أو عن طريق نقل طاقة أقل ، فعندئذٍ يكون قادرًا على تطوير طاقة أكبر.

مثال آخر: افترض نقل طاقة بمقدار 90 جول ، والذي تمكن من ضبط النظام في حالة حركة لمدة 4 ثوانٍ. ستكون الطاقة الناتجة 22.5 وات.

أداء الآلة

ترتبط القوة ارتباطًا وثيقًا بالأداء. لا تتحول الطاقة المزودة إلى آلة بشكل كامل إلى عمل مفيد. عادة ما يتم تبديد جزء مهم في الحرارة ، والذي يعتمد على العديد من العوامل ، على سبيل المثال تصميم الجهاز.

لهذا السبب من المهم معرفة أداء الآلات ، والذي يتم تعريفه على أنه الحاصل بين العمل المقدم والطاقة الموردة:

حيث يشير الحرف اليوناني η إلى العائد ، وهي كمية بلا أبعاد تكون دائمًا أقل من 1. إذا تم ضربها أيضًا في 100 ، فسيكون لدينا العائد من حيث النسبة المئوية.

أمثلة

- يطور البشر والحيوانات القوة أثناء الحركة. على سبيل المثال ، يتطلب صعود السلالم العمل ضد الجاذبية الأرضية. بمقارنة شخصين يتسلقان سلمًا ، فإن الشخص الذي يتسلق جميع الدرجات أولاً سيكون قد طور قوة أكبر من الآخر ، لكن كلاهما قام بنفس المهمة.

- يتم تحديد طاقة إنتاج الأجهزة المنزلية والآلات. تبلغ طاقة المصباح المتوهج المناسب لإضاءة البئر 100 وات. وهذا يعني أن المصباح يحول الطاقة الكهربائية إلى ضوء وحرارة (معظمها) بمعدل 100 J / s.

- يمكن أن يستهلك محرك جزازة العشب حوالي 250 واط ومحرك السيارة في حدود 70 كيلو واط.

- مضخة مياه محلية الصنع عادة تزود 0.5 حصان.

- تولد الشمس 3.6 × 10 ²⁶ واط من الطاقة.

القوة والسرعة

يتم الحصول على القدرة اللحظية بأخذ وقت متناهي الصغر: P = dW / dt. القوة التي تنتج الشغل الذي تسبب في الإزاحة الصغيرة لامتناهية في الصغر d x هي F (كلاهما متجهان) ، لذلك dW = F d x. استبدال كل شيء في التعبير بالقوة ، يبقى:

القوة البشرية

يستطيع الناس توليد قوة تبلغ حوالي 1500 واط أو 2 حصان ، على الأقل لفترة قصيرة ، مثل رفع الأثقال.

في المتوسط ​​، يبلغ خرج الطاقة اليومي (8 ساعات) 0.1 حصان لكل شخص. يُترجم الكثير منها إلى حرارة ، تقريبًا نفس الكمية الناتجة عن لمبة متوهجة 75 واط.

يمكن للرياضي المتدرب أن يولد في المتوسط ​​0.5 حصان ما يعادل 350 جول / ثانية تقريبًا ، عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية (الجلوكوز والدهون) إلى طاقة ميكانيكية.

الشكل 2. يطور الرياضي قوة متوسطة تبلغ 2 حصان. المصدر: Pixabay.

عندما يتعلق الأمر بالقوة البشرية ، يُفضل عمومًا القياس بالكيلو سعرات حرارية / ساعة بدلاً من الواط. المعادلة اللازمة هي:

تبدو قوة 0.5 حصان كمية صغيرة جدًا ، وهي مناسبة للعديد من التطبيقات.

ومع ذلك ، في عام 1979 ، تم إنشاء دراجة تعمل بالطاقة البشرية يمكنها الطيران. صمم بول ماكريدي جوسامر القطرس Gossamer Albatross ، الذي عبر القناة الإنجليزية ليولد 190 واط من متوسط ​​الإنتاج (الشكل 1).

توزيع الطاقة الكهربائية

تطبيق مهم هو توزيع الطاقة الكهربائية بين المستخدمين. فاتورة الشركات التي تزود الكهرباء مقابل الطاقة المستهلكة وليس معدل استهلاكها. هذا هو السبب في أن أولئك الذين يقرؤون فاتورتك بعناية سيجدون وحدة محددة للغاية: كيلوواط / ساعة أو كيلوواط ساعة.

ومع ذلك ، عندما يتم تضمين اسم Watt في هذه الوحدة ، فإنه يشير إلى الطاقة وليس الطاقة.

يتم استخدام الكيلووات في الساعة للإشارة إلى استهلاك الطاقة الكهربائية ، حيث أن الجول ، كما ذكرنا سابقًا ، وحدة صغيرة إلى حد ما: 1 واط في الساعة أو Wh هو العمل الذي يتم في ساعة واحدة بقوة 1 واط.

لذلك فإن 1 كيلو واط ساعة هو الشغل الذي يتم في ساعة من العمل بقوة 1 كيلو واط أو 1000 وات. لنضع الأرقام لتحويل هذه الكميات إلى جول:

تشير التقديرات إلى أن الأسرة يمكن أن تستهلك حوالي 200 كيلوواط / ساعة في الشهر.

تمارين

التمرين 1

يستخدم المزارع جرارًا لسحب كيس من القش M = 150 كجم على منحدر 15 درجة ودفعها إلى الحظيرة بسرعة ثابتة تبلغ 5.0 كم / ساعة. معامل الاحتكاك الحركي بين حُفرة القش والمزلقة 0.45. أوجد خرج القدرة للجرار.

المحلول

بالنسبة لهذه المشكلة ، تحتاج إلى رسم مخطط الجسم الحر لباقة التبن التي ترتفع على المنحدر. دع F تكون القوة التي يطبقها الجرار لرفع البالة ، α = 15º هي زاوية الميل.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن قوة الاحتكاك الحركية و _{الاحتكاك} تعارض الحركة المعنية، بالإضافة إلى العادي N والوزن W (لا تخلط بين W من الوزن مع ذلك لعمله).

الشكل 3. رسم تخطيطي لجسم معزول من القش. المصدر: F. Zapata.

يقدم قانون نيوتن الثاني المعادلات التالية:

السرعة والقوة لها نفس الاتجاه والإحساس ، لذلك:

مطلوب تحويل وحدات السرعة:

باستبدال القيم ، نحصل أخيرًا على:

تمرين 2

سيرفع المحرك الموضح في الشكل كتلة 2 كجم ، بدءًا من السكون ، وبتسارع 2 م / ث ² وفي ثانيتين.

الشكل 4. يرفع المحرك شيئًا ما إلى ارتفاع معين ، ومن الضروري القيام بعمل وتطوير الطاقة. المصدر: F. Zapata.

احسب:

أ) الارتفاع الذي بلغته الكتلة في ذلك الوقت.

ب) القوة التي يجب أن يطورها المحرك لتحقيق ذلك.

المحلول

أ) إنها حركة مستقيمة متباينة بشكل موحد ، لذلك سيتم استخدام المعادلات المقابلة ، مع السرعة الابتدائية 0. الارتفاع الذي تم الوصول إليه يُعطى بواسطة:

ب) للعثور على الطاقة التي طورها المحرك ، يمكن استخدام المعادلة:

وبما أن القوة المؤثرة على الكتلة هي من خلال الشد في الخيط ، وهو ثابت في المقدار:

P = (ma).y / Δ t = 2 كجم × 2 م / ث ² × 4 م / 2 ث = 8 واط

المراجع

1. فيغيروا ، د. (2005). السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 2. ديناميات. حرره دوغلاس فيغيروا (USB).
2. Knight، R. 2017. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي. بيرسون.
3. نصوص الفيزياء. قوة. تم الاسترجاع من: phys.libretexts.org
4. كتاب الفيزياء التشعبية. قوة. تم الاسترجاع من: physics.info.
5. العمل والطاقة والقوة. تم الاسترجاع من: ncert.nic.in