Как выражается мощность через силу и скорость?
Мощность транспортного средства, например автомобиля, удобно выражать не через работу и время, а через силу и скорость.
Пусть сила направлена вдоль перемещения тела. Обозначим модуль скорости а модуль силы Тогда работа силы Подставляя это выражение в формулу для мощности получаем то есть мощность равна произведению силы на скорость.
Это объясняет, почему водитель переключает двигатель на малую скорость, когда автомобиль едет вверх по склону или по плохой дороге: для увеличения силы тяги необходимо уменьшить скорость движения.
Как решить задачу на силу тяги?
Вот собственно и задача: Моторы электропоезда при движении со скоростью V 54 км/ч потребляют мощность N = 900 кВт. К. П. Д. моторов и передающих механизмов η= 0,8. Как найти силу тяги моторов?
Сила тяги тем больше, чем больше мощность и чем меньше скорость (на подъёме мы переключаемся на меньшую скорость). Поэтому, чтобы найти силу тяги двигателя электропоезда нужно полезную мощность разделить на скорость. Находим полезную мощность, КПД умножаем на мощность 0,8*900=720 кВт, переводим скорость в км/час в м/с. V=54км/ч=15м/с. Теперь несложно найти силу тяги, 720 кВт / 15м/с =48 кн.
Сила тяги
Сила тяги — это показатель силы, которую прикладывают к некоторому телу.
Она служит для обеспечения нахождения данного тела в состоянии равновесия.
Когда сила тяги прекращает свое действие — это может привести к следующим последствиям:
- остановка, которая связана с силой трения;
- состояние вязкости окружающей среды;
- множество других сопутствующих факторов и сил.
Для тела, на которое оказывает свое воздействие сила тяги, характерно постоянное движение. И обозначается следующим значение, а именно: \[(v=\operatorname
Особым, частным случаем данного движения является состояние покоя.
При котором, скорость равна нулевому значению.
Состояние инерции — характер движения, при котором соблюдается постоянная скорость движения тела.
Чтобы тело поменяло свое состояние, и изменило скорость своего движения, необходимо приложить к нему силу тяги. При данных условиях скорость тела будет изменяться, причиной этого является получаемое ускорение. Также ускорение может быть отрицательным, в таком случае будет наблюдаться замедление скорости.
Показатель величины ускорения по закону физики обратно пропорционален массе тела.
Из состояния инерции труднее всего вывести тело более массивное и тяжелое.
Также величина ускорения прямо пропорциональна значению интенсивности силы, которая оказывает воздействие на тело.
Данное утверждение можно преобразовать и вывести в виде формулы:
\[\mathrm
Где: F — сила тяги, m — масса тела, которая оказывает воздействие на тело, a — ускорение.
Данная формула наглядно характеризует второй закон Ньютона.
Основные формулы для расчета силы тяги
Наглядно силу тяги можно рассмотреть на примере спортсмена штангиста.
Именно на данном примере можно подробно понять, как приложенная сила, может вывести тело из состояния равновесия.
Распишем все операции, выполняемые спортсменам поэтапно:
- первоначально штанга находится в состоянии инерции, иными словами имеет состояние покоя;
- при отрыве от поверхности земли штанги, все мышцы спортсмена имеют способность сокращаться, с силой которая не превышает вес самой штанги (иначе это звучит как: величина силы с которой ее к себе притягивает гравитация Земли);
- при отрыве от пола, штанги на определенную высоту, происходит процесс ускорения;
Силой тяги для снаряда, который осуществляет движение будет являться величина силы с которой сокращаются мышцы спортсмена.
Для данного случая, обязательно должно соблюдаться следующее условие:
- \[F_
\] — сила, с которой происходит сокращение мышечной массы (сила тяги для данного случая); - \[F_<т>\] сила тяжести или гравитационная;
- m — масса, которая оказывает воздействие на тело;
- g — показатель ускорение свободного падения.
Характер движения тела по инерции всегда нужно уметь отличать от движения, которое совершается равномерно. Следовательно, в случае, когда сила тяги имеет способность уравновешиваться сторонними силами (противодействующими).
Например:
Автомобиль совершает движение и его двигатель находится в состоянии работы. Работающий двигатель придает силу на колеса, через трансмиссию, проделывая следующие операции:
- преодолевает силу трения, которая возникает внутри всего механизма;
- сопротивление воздуха;
- процесс трения колес о любую поверхность.
Для определения силы тяги, необходимо знать следующие данные:
- t — время, за которое происходит разгон транспортного средства;
- \[v\] — необходимая скорость;
- m — непосредственная масса автомобиля.
Сила определяется по формуле:
Из формулы видно, что ускорение выражено как: деление скорости на время разгона транспортного средства:
Через мощность можно выразить силу.
Мощность — это совершенная работа, любым источником энергии.
Если высокая мощность, то следует что, время за которое источник развивает силу будет уменьшаться. А именно: способность разогнать тело определенной массы равной m до необходимой величины скорости движения.
Значение совершаемой работы прямо пропорционально силе и вычисляется по формуле:
Где: S — расстояние, на которое при помощи силы, перемещается тело;
Расстояние можно определить по формуле, выразив его через скорость тела и время движения:
Затем определяется мощность, которая должна выполнять в единицу времени и выражается следующей формулой:
Формула силы тяги
В том случае, если тело при перемещении имеет ускорение, то на него кроме всех прочих обязательно действует некоторая сила, которая является силой тяги в рассматриваемый момент времени. В действительности, если тело движется прямолинейно и с постоянной скоростью, то сила тяги также действует, так как тело должно преодолевать силы сопротивления. Обычно силу тяги находят, рассматривая силы, действующие на тело, находя равнодействующую и применяя второй закон Ньютона. Жестко определенной формулы для силы тяги не существует.
Не следует считать, что сила тяги, например, транспортного средства действует со стороны двигателя, так как внутренние силы не могут менять скорость системы как единого целого, что входило бы в противоречие с законом сохранения импульса. Однако следует отметить, что для получения у силы трения покоя необходимого направления, мотор вращает колеса, колеса «цепляются за дорогу» и порождается сила тяги. Теоретически было бы возможно не использовать понятие «сила тяги», а говорить о силе трения покоя или силе реакции воздуха. Но удобнее внешние силы, которые действуют на транспорт делить на две части, при этом одни силы называть силами тяги $(/bar
Определение и формула силы тяги
Исходя из формулы (1) силу тяги можно определить через полезную мощность, и скорость транспортного средства (v):
Для автомобиля, поднимающегося в горку, которая имеет уклон , масса автомобиля m сила тяги (FT) войдет в уравнение:
$$F_-m g \sin \alpha=m a(3)$$
где a – ускорение, с которым движется автомобиль.
Единицы измерения силы тяги
Основной единицей измерения силы в системе СИ является: [FT]=Н
Примеры решения задач
Задание. На автомобиль имеющий массу 1 т при его движении по горизонтальной поверхности, действует сила трения, которая равна $\mu$=0,1 от силы тяжести. Какой будет сила тяги, если автомобиль движется с ускорением 2 м/с?
Решение. Сделаем рисунок.
В качестве основы для решения задачи используем второй закон Ньютона:
Спроектируем уравнение (1.1) на оси X и Y:
По условию задачи:
Подставим правую часть выражения (1.4) вместо силы трения в (1.2), получим:
$$F_
Переведем массу в систему СИ m=1т=10 3 кг, проведем вычисления:
Ответ. FT=2,98 кН
Задание. На гладкой горизонтальной поверхности лежит доска массой M. На доске находится тело массы m. Коэффициент трения тела о доску равен $\mu$ . К доске приложена сила горизонтальная сила тяги, которая зависит от времени как: F=At (где A=const). В какой момент времени доска начнет выскальзывать из-под тела?
Решение. Сделаем рисунок.
Для решения задачи нам потребуются проекции сил на осиX и Y, которые отличны от нуля. Для тела массы m:
$$ \begin
Для тела массы M:
$$M a_<2>=F-F_
Обозначим момент времени, в который доска начнет выскальзывать из-под тела t0, тогда