Peter Tucker
0 
4535
1111
Kraft, kraft, vridmoment och energi - vad betyder dessa ord egentligen och är de utbytbara? © istockphoto.com / Andrew Johnson Om du har läst många artiklar har du sett en hel del terminologi kastas runt - ord som massa, tvinga, vridmoment, arbete, kraft och energi. Vad betyder egentligen ord och är de utbytbara?
I den här artikeln kommer vi att hjälpa till att föra samman all denna terminologi, ge några exempel på när var och en används och till och med prova några beräkningar på vägen för att få tag på det.
I hela denna artikel kommer vi att hänvisa till olika typer av enheter. I större delen av världen, Internationella systemet för enheter (SI - från franska Le Système International d'Unités), även kallad metriska systemet, accepteras som standarduppsättning enheter. Detta system innehåller de flesta av de metriska enheter som du är van vid, som meter och kilogram, men innehåller även enheter för många andra fysiska och tekniska egenskaper. Till och med USA har officiellt antagit SI-enhetssystemet, men Engelska ingenjörsenheter (som kilo och fötter) är fortfarande i vardagligt bruk. Innan vi börjar förklara dessa termer måste vi börja med några grunder. Vi börjar med massa och arbetar oss fram till energi.
Rent generellt, massa är definierad som måttet på hur mycket materia ett föremål eller kropp innehåller -- det totala antalet subatomära partiklar (elektroner, protoner och neutroner) i objektet. Om du multiplicerar din massa med dragningen av jordens tyngdekraft får du din vikt. Så om din kroppsvikt varierar, på grund av att äta eller träna, är det faktiskt antalet atomer som förändras.
Det är viktigt att förstå att massan är oberoende av din position i rymden. Din kropps massa på månen är densamma som dess massa på jorden, eftersom antalet atomer är detsamma. Jordens gravitationskraft minskar å andra sidan när du rör dig längre bort från jorden. Därför kan du gå ner i vikt genom att ändra din höjd, men din massa förblir densamma. Du kan också gå ner i vikt genom att leva på månen, men återigen är din massa densamma.
Massa är viktig för att beräkna hur snabbt saker accelererar när vi tillämpar en kraft på dem. Vad avgör hur snabbt en bil kan accelerera? Du vet förmodligen att din bil accelererar långsammare om den har fem vuxna i sig än om den bara har en. Vi kommer att utforska detta förhållande mellan massa, kraft och acceleration i lite mer detalj när vi pratar om kraft.
Vanliga enheter av MassSI:
Gram (g)
1 g = 0,001 kg
Kg (kg)
1 kg = 2,2 pund
1 kg = 0,0685 snigel
Engelsk:
Pundmassa (Ib)
1 Ib = 0,4536 kg
Slug (snigel)
1 snigel = 14,5939 kg
En typ av tvinga som alla är bekanta med är vikt. Detta är mängden kraft som jorden utövar på dig. Det finns två intressanta saker om denna kraft:
- Det drar dig ner, eller mer exakt, mot jordens centrum.
- Det är proportionellt mot din massa. Om du har mer massa utövar jorden en större kraft mot dig.
När du går på en badrumsskala utövar du en kraft på vågen. Kraften som du applicerar på skalan komprimerar en fjäder som rör sig nålen. När du kastar en baseball tillämpar du en kraft på bollen, vilket gör att det går snabbare. En flygmotor skapar en kraft som skjuter planet genom luften. En bil däck utövar en kraft på marken, som skjuter bilen längs.
Kraft orsakar acceleration. Om du tillämpar en kraft på en leksaksbil (till exempel genom att trycka på den med handen) kommer den att börja röra sig. Det kan låta enkelt, men det är ett mycket viktigt faktum. Rörelsen av bilen styrs av Isaac Newtons andra lag, som utgör grunden för klassisk mekanik. Newtons andra lag säger att acceleration (a) för ett objekt är direkt proportionell mot kraften (F) som appliceras och omvänt proportionell mot objektets massa (m). Det vill säga, ju mer kraft du tillämpar på ett objekt, desto större är accelerationshastigheten; och ju mer massan objektet har, desto lägre är accelerationshastigheten. Newtons andra lag sammanfattas vanligtvis i ekvationsform:
a = F / m eller F = ma
För att hedra Newtons prestation utsågs standardkraftenheten i SI-systemet till newton. En kraft av Newton (N) räcker för att påskynda 1 kg (kg) massa med en hastighet av 1 meter per sekund kvadrat (m / s2). I själva verket är detta verkligen hur kraft och massa definieras. EN kilogram är mängden vikt vid vilken 1 N kraft accelererar med en hastighet av 1 m / s2. På engelska enheter, a snigel är mängden massa som 1 pund kraft kommer att accelerera vid 1 ft / s2, och pund massa är mängden massa som 1 kg kraft kommer att accelerera vid 32 fot / s2.
Jorden utövar tillräckligt med kraft för att påskynda föremål som tappas med en hastighet av 9,8 m / s2, eller 32 fot / s2. Denna gravitationskraft kallas ofta g i ekvationer. Om du tappar något från en klippa, för varje sekund faller den snabbare med 9,8 m / s. Så om den faller under fem sekunder når den en hastighet på 49 m / s. Detta är en ganska snabb acceleration. Om en bil accelererade detta snabbt skulle den nå upp till 60 mil per timme (97 km / h) på mindre än tre sekunder!
Vanliga enheter of ForceSI:
Newton (N)
1 N = 0,225 Ib
Engelsk:
Pund (Ib)
1 pund = 4,448 N
Vanligtvis, när vi talar om makt, är det mer än en styrka involverad, och dessa krafter appliceras i olika riktningar. Låt oss titta på ett diagram över en bil. När bilen sitter stilla utövar tyngdekraften en nedåtgående kraft på bilen (denna kraft verkar överallt på bilen, men för enkelhetens skull kan vi dra kraften i bilens masscentrum). Men marken utövar en lika och motsatt kraft uppåt på däcken, så att bilen inte rör sig.
Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.
Bild 1. Animering av krafter på en bil
När bilen börjar accelerera, spelar några nya krafter in. Bakhjulen utövar en kraft mot marken i horisontell riktning; detta gör att bilen börjar accelerera. När bilen rör sig långsamt går nästan all kraft i att accelerera bilen. Bilen motstår denna acceleration med en tvinga det är lika med dess massa multipliceras med dess acceleration. Du kan se in Figur 1 hur kraftpilen börjar stort eftersom bilen accelererar snabbt till en början. När den börjar röra utövar luften en kraft mot bilen, som blir större när bilen får fart. Denna aerodynamiska dragkraft verkar i motsatt riktning mot däckkraften, som driver bilen, så den drar från den kraften, vilket ger mindre kraft tillgänglig för acceleration.
Så småningom når bilen sin topphastighet, den punkt då den inte kan accelerera längre. Vid denna punkt är drivkraften lika med det aerodynamiska draget, och det finns ingen kraft kvar för att påskynda bilen.
Vridmoment är en kraft som tenderar att rotera eller vända saker. Du genererar ett vridmoment när du tillämpar en kraft med en skiftnyckel. Att dra åt lugsmuttrarna på hjulen är ett bra exempel. När du använder en skiftnyckel applicerar du en kraft på handtaget. Denna kraft skapar ett vridmoment på tappmuttern, som tenderar att vrida tappmuttern.
Engelska vridmomentenheter är pund-tum eller pund-fötter; SI-enheten är Newton-mätaren. Lägg märke till att momentenheterna innehåller ett avstånd och en kraft. För att beräkna vridmomentet multiplicerar du bara kraften med avståndet från mitten. När det gäller lugsmuttrarna, om skiftnyckeln är en fot lång, och du lägger 200 kilo kraft på den, genererar du 200 kilo fot vridmoment. Om du använder en 2-fots skiftnyckel behöver du bara sätta 100 kilo kraft på den för att generera samma vridmoment.
En bilmotor skapar vridmoment och använder det för att snurra vevaxeln. Detta vridmoment skapas exakt på samma sätt: En kraft appliceras på avstånd. Låt oss ta en titt på några av motordelarna:
Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.
Bild 2. Hur vridmoment genereras i en cylinder i en fyrtaktsmotor
Förbränning av gas i cylindern skapar tryck mot kolven. Detta tryck skapar en kraft på kolven som skjuter ner den. Kraften överförs från kolven till kopplingsstången och från kopplingsstången in i vevaxeln. I figur 2, Observera att den punkt där kopplingsstången fästs vid vevaxeln är ett avstånd från axelns centrum. Det horisontella avståndet ändras när vevaxeln snurrar, så vridmomentet ändras också eftersom vridmoment jämlikar tvinga multiplicerat med distans.
Du undrar kanske varför bara det horisontella avståndet är viktigt för att bestämma vridmomentet i denna motor. Du kan se i figur 2 att när kolven är högst upp i sitt slag pekar anslutningsstången rakt ner i mitten av vevaxeln. Inget vridmoment genereras i detta läge, eftersom endast kraften som verkar på spaken i en riktning vinkelrätt mot spaken genererar ett vridmoment.
Om du någonsin har försökt att lossa riktigt snäva muttrar på din bil, vet du att ett bra sätt att göra mycket vridmoment är att placera skiftnyckeln så att den är horisontell och sedan stå på änden av skiftnyckeln - på detta sätt du applicerar all din vikt på ett avstånd lika med skiftnyckelns längd. Om du skulle placera skiftnyckeln med handtaget pekande rakt upp och sedan stå på toppen av handtaget (förutsatt att du kunde hålla balansen) skulle du inte ha någon chans att lossa lugmuttern. Du kan lika gärna stå direkt på lugsmuttern.
Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.
Bild 3. Ett simulerat dynamometertest av två olika motorer
Klick här för den stora versionen.
Figur 3 visar maximalt vridmoment och effekt genererad av två olika motorer. En motor är en turboladdad Caterpillar C-12 dieselmotor. Denna motor väger cirka 2 000 pund och har en förskjutning på 732 kubik tum (12 liter). Den andra motorn är en mycket modifierad Ford Mustang Cobra-motor med en förskjutning på 4,6 liter (280 kubik tum); den har en extra laddare och väger cirka 400 pund. De producerar båda maximalt 430 hästkrafter (hk), men endast en av dessa motorer är lämplig för att dra en tung lastbil. Anledningen ligger delvis i kraft / momentkurvan som visas ovan.
När animeringen pausar, kan du se att Caterpillar-motorn producerar 1 650 pund-vridmoment vid 1200 rpm, vilket är 377 hk. Vid 5 600 varv / min ger Mustang-motorn också 377 hk, men den ger bara 354 pund-vridmoment. Om du har läst artikeln om växelförhållanden kanske du tänker på ett sätt att hjälpa Mustang-motorn att producera samma 1.650 pund-vridmoment. Om du sätter en växelreduktion på 4,66: 1 på Mustang-motorn, skulle utgångshastigheten vara (5 600 / 4,66 varv / minut) 1 200 varv / min, och vridmomentet skulle vara (4,66 * 354 lb-ft) 1.650 lb-ft - exakt samma som den stora Caterpillar-motorn.
Nu undrar du, varför använder inte stora lastbilar små gasmotorer istället för stora dieselmotorer? I scenariot ovan släpper den stora Caterpillar-motorn med 1 200 varv / minut, trevlig och långsam, och producerar 377 hästkrafter. Samtidigt skriker den lilla gasmotorn vid 5 600 rpm. Den lilla gasmotorn kommer inte att hålla så länge med den hastigheten och effekteffekten. Den stora lastbilsmotorn är utformad för att pågå i flera år och att köra hundratusentals mil varje år varar den.
Vanliga enheter av vridmomentSI:
Newton meter (Nm)
1 Nm = 0,737 Ib-ft
Engelsk:
Pund-tum (lb-in)
1 Ib = 0,133 Nm
Pund-fot (lb-ft)
1 Ib-ft = 1,356 Nm
De arbete vi talar om här är arbete i fysikens mening. Inte hemarbete, eller sysslor, eller ditt jobb eller någon annan typ av arbete. Det är ett gott gammalt mekaniskt arbete.
Arbetet är helt enkelt applicering av en kraft över ett avstånd, med en fångst - avståndet räknas bara om det är i riktning mot den kraft du tillämpar. Att lyfta en vikt från marken och lägga den på en hylla är ett bra exempel på arbete. Kraften är lika med föremålets vikt, och avståndet är lika med hyllans höjd. Om vikten fanns i ett annat rum, och du var tvungen att plocka upp den och gå över rummet innan du lägger den på hyllan, gjorde du inte mer arbete än om vikten satt på marken direkt under hyllan. Det kändes som om du gjorde mer arbete, men medan du gick med vikten rörde du dig horisontellt, medan kraften från vikten var vertikal.
Din bil fungerar också. När den rör sig måste den applicera en kraft för att motverka friktionskrafter och aerodynamiska drag. Om den kör uppför en kulle, gör den samma typ av arbete som du gör när du lyfter en vikt. När den kör tillbaka nerför backen får den dock det arbete som den gjorde. Kullen hjälper bilen att köra ner.
Arbete är energi som har använts. När du jobbar använder du energi. Men ibland kan den energi du använder återvinnas. När bilen kör uppför backen hjälper arbetet den gör för att komma upp till toppen ner igen. Arbete och energi är nära besläktade. Arbetsenheterna är desamma som energienheterna, som vi kommer att diskutera senare.
Kraft är ett mått på hur snabbt arbete kan utföras. Med hjälp av en spak kan du kanske generera 200 fot-lm vridmoment. Men kan du snurra den spaken 3 000 gånger per minut? Det är exakt vad din bilmotor gör.
SI-enheten för ström är watt. En watt bryts ned i andra enheter som vi redan har pratat om. En watt är lika med 1 Newton-meter per sekund (Nm / s). Du kan multiplicera mängden vridmoment i Newton-meter med rotationshastigheten för att hitta effekten i watt. Ett annat sätt att titta på kraften är som en hastighetsenhet (m / s) i kombination med en kraftenhet (N). Om du tryckte på något med en kraft på 1 N och det rörde sig med en hastighet av 1 m / s skulle din effekteffekt vara 1 watt.
Ett intressant sätt att ta reda på hur mycket effekt du kan producera är att se hur snabbt du kan springa upp en trappa.
- Mät höjden på en trappuppsättning som tar dig upp cirka tre berättelser.
- Tid själv när du springer uppför trappan så snabbt som möjligt.
- Dela upp trappans höjd när det tog dig att stiga upp dem. Detta ger dig din hastighet.
Om det till exempel tog dig 15 sekunder att springa upp 10 meter, var din hastighet 0,66 m / s (bara din hastighet i vertikal riktning är viktig). Nu måste du ta reda på hur mycket kraft du utövade på de 10 meter, och eftersom det enda du drog uppför trapporna var dig själv, är denna kraft lika med din vikt. För att få mängden effekt du matar ut multiplicerar du din vikt med din hastighet.
Kraft (W) = (trapphöjd (m) / Tid för klättring) * vikt (N)
Kraft (hp) = [(trapphöjd (ft) / Tid för klättring) * vikt (Ib)] / 550
Vanliga enheter av maktSI:
Watts (W)
1000 W = 1 kW
Kilowatt (kW)
1 kW = 1,341 hk
engelsk
Hästkrafter (hp)
1 hk = 0,746 kW
Energi är det sista kapitlet i vår terminologisaga. Vi behöver allt vi har lärt oss fram till denna tidpunkt för att förklara energi.
Om makt är som en viktlyftares styrka, är energi som hans uthållighet. Energi är en mått på hur länge vi kan upprätthålla kraftuttaget, eller hur mycket arbete vi kan göra. Kraft är den takt som vi gör arbetet på. En vanlig energienhet är kilowatt-timmen (kWh). Du lärde dig i det sista avsnittet att en kW är en kraftenhet. Om vi använder en kW kraft kommer en kWh energi att pågå en timme. Om vi använder 10 kW ström kommer vi att använda kWh på bara sex minuter.
Det finns två typer av energi: potential och kinetisk.
Potentiell energi
Potentiell energi är väntar på att omvandlas till makten. Bensin i en bränsletank, mat i magen, en komprimerad fjäder och en vikt som hänger från ett träd är alla exempel på potentiell energi.
Människokroppen är en typ av energiomvandlingsenhet. Den omvandlar mat till makt, som kan användas för att göra arbete. En bilmotor omvandlar bensin till kraft, som också kan användas för att utföra arbete. En pendelklocka är en enhet som använder energin lagrad i hängande vikter för att utföra arbete.
När du lyfter ett objekt högre, får det potentiell energi. Ju högre du lyfter den, och desto tyngre den är, desto mer energi vinner den. Om du till exempel lyfter en bowlingboll 1 tum och släpper den på taket på din bil kommer det inte att göra så mycket skada (snälla, försök inte det). Men om du lyfter bollen 100 meter och släpper den på din bil, kommer den att sätta en enorm buckla i taket. Samma boll som tappades från en större höjd har mycket mer energi. Så genom att öka höjden på ett objekt ökar du dess potentiella energi.
Låt oss gå tillbaka till vårt experiment där vi sprang uppför trappan och fick reda på hur mycket kraft vi använde. Det finns ett annat sätt att titta på hur vi beräknade vår kraft: Vi beräknade hur mycket potentiell energi vår kropp fick när vi höjde den upp till en viss höjd. Denna mängd energi var det arbete vi gjorde genom att springa uppför trappan (kraft * avstånd, eller vår vikt * trappans höjd). Vi beräknade sedan hur lång tid det tog att göra detta arbete, och det var så vi fick reda på kraften. Kom ihåg att makten är den takt vi arbetar med.
Formeln för att beräkna den potentiella energin (PE) du får när du ökar din höjd är:
PE = Force * Distans
I detta fall är kraften lika med din vikt, vilket är din massa (m) * tyngdens acceleration (g), och avståndet är lika med din höjd (h) förändring. Så formeln kan skrivas:
PE = mgh
Vanliga enheter av energiSI:
Newton meter (Nm)
1 Nm = 1 J
Joule (J)
1 J = 0,239 kal
Kalori (kal)
1 kal = 4,144 J
Wattimmar (Wh)
1 Wh = 3,600 J
Kilowattimmar (kWh)
1 kWh = 1 000 Wh
1 kWh = 3 600 000 J
1 kWh = 3,412 BTU
Engelsk:
Fot - pund (ft lb)
1 ft lb = 1,356 Nm
British Thermal Unit (BTU)
1 BTU = 1 055 J
1 BTU = 0,0002931 kWh
Kinetisk energi är rörelseenergi. Objekt som rör sig, till exempel en berg-och dalbana, har kinetisk energi (KE). Om en bil kraschar in i en vägg vid 5 km / h bör den inte göra så mycket skada på bilen. Men om den träffar väggen på 40 km / h kommer bilen troligen att bli total.
Kinetisk energi liknar potentiell energi. Ju mer objektet väger, och ju snabbare det rör sig, desto mer kinetisk energi har det. Formeln för KE är:
KE = 1/2 * m * v2
var m är massan och v är hastigheten.
En av de intressanta sakerna med kinetisk energi är att den ökar med kvadratets hastighet. Detta innebär att om en bil går dubbelt så snabbt har den fyra gånger så mycket energi. Du kanske har lagt märke till att din bil accelererar mycket snabbare från 0 km / h till 20 km / h än den gör från 40 km / h till 60 km / h. Låt oss jämföra hur mycket kinetisk energi som krävs vid var och en av dessa hastigheter. Vid första anblicken kan du säga att bilen i varje fall ökar sin hastighet med 20 km / h och därför måste energin som krävs för varje ökning vara densamma. Men det är inte så.
Vi kan beräkna den kinetiska energi som krävs för att gå från 0 km / h till 20 km / h genom att beräkna KE på 20 km / h och sedan subtrahera KE på 0 km / h från det antalet. I det här fallet skulle det vara 1/2 * m * 202 - 1/2 * m * 02. Eftersom den andra delen av ekvationen är 0 är KE = 1/2 * m * 202, eller 200 m. För bilen som går från 40 km / h till 60 km / h, är KE = 1/2 * m * 602 - 1/2 * m * 402; så KE = 1 800 m - 800 m, eller 1000 m. Jämförelse av de två resultaten kan vi se att det tar en KE på 1 000 m för att gå från 40 mph till 60 mph, medan det bara tar 200 m att gå från 0 mph till 20 mph.
Det finns många andra faktorer som är involverade i att bestämma bilens acceleration, till exempel aerodynamisk drag, som också ökar med hastigheten i rutan. Växelförhållanden avgör hur mycket av motorns effekt som är tillgänglig med en viss hastighet, och dragkraft är ibland en begränsande faktor. Så det är mycket mer komplicerat än att bara göra en kinetisk energiberäkning, men den beräkningen hjälper till att förklara skillnaden i accelerationstider.
Nu när vi vet om potentiell energi och kinetisk energi kan vi göra några intressanta beräkningar. Låt oss räkna ut hur högt en polarvulter kunde hoppa om han hade perfekt teknik. Först kommer vi att ta reda på hans KE, och sedan beräknar vi hur högt han kunde valv om han använde all den KE för att öka sin höjd (och därför hans PE), utan att slösa bort något av det. Om han konverterade alla sina KE till PE, kan vi lösa ekvationen genom att ställa dem lika till varandra:
1/2 * m * v2 = m * g * h
Eftersom massan är på båda sidor av ekvationen, kan vi eliminera denna term. Detta är vettigt eftersom både KE och PE ökar med ökande massa, så om löparen är tyngre ökar både hans PE och KE. Så vi eliminerar massbegreppet och ordnar om saker och ting lite att lösa för h:
1/2 * v2 / g = h
Låt oss säga att vår stolpe kan springa lika snabbt som vem som helst i världen. Just nu är världsrekordet för att springa 100 m knappt 10 sekunder. Det ger en hastighet på 10 m / s. Vi vet också att accelerationen på grund av tyngdkraften är 9,8 m / s2. Så nu kan vi lösa för höjden:
1/2 * 102 / 9,8 = 5,1 meter
Så 5,1 meter är den höjd som en stolpskyltare kunde höja sitt masscentrum om han omvandlade alla KE till PE. Men hans masscentrum är inte på marken; det är mitt i kroppen, cirka 1 meter från marken. Så den bästa höjden som en stolpbult kan uppnå är i själva verket cirka 6,1 meter, eller 20 fot. Han kanske kan få lite mer höjd genom att använda speciella tekniker, som att skjuta av från toppen av stången, eller få ett riktigt bra hopp innan start.
Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.
Bild 4. Animering av polvalv
I Figur 4 du kan se hur polsvallarens energi förändras när han gör valvet. När han börjar är både hans potential och den kinetiska energin noll. När han börjar springa ökar han sin kinetiska energi. Sedan när han planterar polen och startar sitt valv handlar han med sin kinetiska energi för potentiell energi. När stången böjs absorberar den mycket av hans kinetiska energi, precis som att komprimera en fjäder. Han använder sedan den potentiella energin lagrad i polen för att lyfta kroppen över baren. På toppen av sitt valv har han omvandlat det mesta av sin kinetiska energi till potentiell energi.
Vår beräkning jämförs ganska bra med det nuvarande världsrekordet på 6,15 meter, som sattes av Sergey Bubka 1993.
För mer information om dessa fysikbegrepp och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.
relaterade artiklar
- Hur hästkrafter fungerar
- Hur momentomvandlare fungerar
- Hur rullbana fungerar
- Hur Yo-Yos fungerar
- Hur Pendelklockor fungerar
- Power Quiz fysik
Fler bra länkar
- Spakar och moment - illustrerade förklaringar
- Rotationsrörelse
- Off-Road.com Teknisk artikel: Moment och hästkrafter
- U.S. Naval Academy: Torque Review
- The Vector Cross Product - En JAVA interaktiv handledning
- Hur beräknar jag det moment som behövs för att ... ?
- Online Potential / Kinetic Energy Applet
- Försäkringsinstitut för motorvägsäkerhet, institut för motorvägsförlust: fordonsbetyg
- Hur formulerades ekvationen för kinetisk energi?
- Fråga en forskare: Kinetic Energy
- Undervisning och lärande fysik med interaktiv video
- En introduktion till kinetisk energi, G-kraft och hastighetsförändring