Jak se měří watty?

Školáci v hodinách fyziky v 7. třídě studují pojem moc. S tímto pojmem se v životě často setkáváme, když mluvíme o síle domácích spotřebičů nebo automobilů. Pojďme zjistit, co je síla ve fyzice a mechanice, jakým písmenem se označuje a jak se měří.

15 2021 сентября

· Aktualizováno 6. prosince 2024

Výkon je množství práce vykonané za jednotku času. Jednotkou SI výkonu je watt W, což se rovná jednomu joulu za sekundu J/s.

• Příklady:
• výkon žárovky 60W
• výkon motoru 150 hp

Определение мошчности

Řekněme, že potřebujeme sklidit pšenici z pole o rozloze 100 hektarů. To lze provést ručně nebo pomocí kuchyňského robotu. Je zřejmé, že zatímco člověk obdělává 1 hektar plochy, kombajn stihne udělat mnohem více. V tomto případě je rozdíl mezi člověkem a technologií přesně v tom, co se nazývá moc. To vede k první definici.

Moc ve fyzice je to množství práce vykonané za jednotku času.

Vezměme si další příklad: mezi bodem A a bodem B je vzdálenost 15 km, kterou člověk urazí za 3 hodiny, ale auto ujede za pouhých 10 minut. Je jasné, že udělají stejné množství práce v různých časech. Co v tomto případě ukazuje síla? Jak rychle nebo jakou rychlostí se něco dělá.

V elektromechanice má tato veličina jinou definici.

Moc je skalární fyzikální veličina, která charakterizuje okamžitou rychlost přenosu energie ze systému do systému nebo rychlost přeměny, změny a spotřeby energie.

Připomeňme, že skalární veličiny jsou ty, jejichž hodnota je vyjádřena pouze jako číslo (bez směrového vektoru).

Lidská síla v závislosti na aktivitě

Druh činnosti

Napájení, W

Běží rychlostí 9 km/h

Plavání rychlostí 50 m/min

Jak je indikován výkon: jednotky měření

Síla ve fyzice je symbolizována symbolem P. Jednotkou výkonu je watt (W), pojmenovaný po Jamesi Wattovi.

Výkonový vzorec: 1 W = 1 J / 1 s.

• Příklady použití: v mechanice a elektrodynamice.

Ve výše uvedené tabulce jste viděli označení ve wattech a při čtení pokynů pro domácí spotřebiče si všimnete, že počet wattů je nutně uveden mezi charakteristikami zařízení. Je to jednotka měření mechanického výkonu používaná v mezinárodní soustavě SI. Označuje se písmenem W nebo W.

Měření výkonu ve wattech bylo přijato na počest skotského vědce Jamese Watta, vynálezce parního stroje. Stal se jedním ze zakladatelů anglické průmyslové revoluce.

Ve fyzice se pro výkon akceptuje následující označení: 1 W = 1 J / 1s.

To znamená, že 1 watt je výkon potřebný k provedení 1 joule práce za 1 sekundu.

V jakých dalších jednotkách se výkon měří? Astrofyzici ji měří v ergech za sekundu (erg/s) a v automobilovém průmyslu stále slyšíte o koňské síle.

Je zajímavé, že autorem této poslední měrné jednotky byl stejný Skot James Watt. V jednom z pivovarů, kde prováděl svůj výzkum, čerpal majitel vodu pro výrobu pomocí koní. A Watt zjistil, že 1 kůň zvedne asi 75 kg vody do výšky 1 metru za sekundu. Tak vzniklo měření koňských sil. Pravda, dnes je takové označení síly ve fyzice považováno za zastaralé.

Jedna koňská síla je výkon potřebný ke zvednutí 75 kg zátěže za 1 sekundu 1 metr.

Jednotky měření

Výkon je jednou z nejběžnějších fyzikálních veličin. Ukazuje množství práce, kterou mechanismus vykonal za jednotku času. Definice moci jednoduchými a vědeckými slovy, stejně jako vzorce a příklady problémů s podrobným řešením – v materiálu CP

Výkon je fyzikální veličina, kterou lze charakterizovat jakýkoli mechanismus nebo fyzikální (materiálový) systém obecně. Sílu má například motor, domácí spotřebič, kůň a dokonce i člověk. Ve všech případech mluvíme o výpočtu množství užitečné práce, která je vyrobena za určitý čas (obvykle za sekundu).

Definice moci jednoduchými slovy

Co je síla, je intuitivní. Například je zřejmé, že elektrický skútr je výkonnější než běžný a vůz této řady je „nejsilnější“. Existují další jasné příklady. Řekněme, že člověk za stejnou dobu sklidí z pole mnohem méně úrody než kombajn.

Na základě toho můžeme zjednodušeně říci, že výkon představuje množství práce, která je vykonána za jednotku času. Navíc je to právě užitečná práce systému (mechanismu), která je dokončena za hodinu, minutu, den nebo jiný časový úsek.

Existuje také vědecká definice: výkon je skalární fyzikální veličina, která se rovná okamžité rychlosti přenesené z jednoho fyzikálního systému do druhého v procesu využití energie. Pro jasné vysvětlení lze tuto definici rozdělit na její součásti.

1. Skalárním rozumíme veličinu, která nemá směr (na rozdíl od stejné síly, která jej má a je tedy vektorová).
2. Fyzikální systém – můžeme říci, že se jedná o mechanismus, například automobil, domácí spotřebič nebo kombajn.
3. Spotřeba energie – ve většině případů se jedná o určitý umělý proces, který je prováděn ve prospěch jednotlivce, rodiny nebo společnosti.

Pojem „síla“ se obvykle nepoužívá k popisu přírodních objektů a procesů. Nedá se například říci, že by kroupy byly mocnější než déšť. Moc je téměř vždy spojena s určitými lidmi vytvořenými mechanismy. Tento ukazatel charakterizuje různé typy jednotek a zařízení: elektroniku, mechanismy, vozidla a mnoho dalších. I když toto pravidlo není striktní, protože se dá například mluvit o síle slunečního záření.

to je zajímavé
Kinetická energie
Jakou energii má letící letadlo a je možné touto energií nabíjet telefon?

Užitečné informace o napájení

Definice síly v různých odvětvích fyziky, odpovídající vzorce a společné jednotky měření jsou uvedeny v tabulce.

Označení výkonu	W, P, N
Mechanická síla	Mechanická práce vykonaná za jednotku času: N = A/t
Výkon v elektrodynamice	Aktuální práce vykonaná za jednotku času: P = A/t
Výkon v termodynamice	Rychlost uvolněného tepla za jednotku času: N = Q/t
SI jednotka výkonu	W (watt) = 1 J/s
Jednotka měření výkonu v astrofyzice	erg/s
Pohonná jednotka motoru	1 koňská síla (hp)

Jak je indikován výkon?

Existují tři možnosti označení výkonu:

• W – v mezinárodní soustavě SI;
• P – ve vzorcích mechaniky a elektrodynamiky (z anglického power – síla);
• N – ve vzorcích hydrodynamiky a mechaniky, častěji v ruskojazyčné literatuře (z francouzského nombre – množství [práce za jednotku času]).

Všechny výkonové vzorce

Pojem síly se používá v různých odvětvích fyziky, například v mechanice, termodynamice a elektrodynamice. V závislosti na uvažované oblasti může být síla vyjádřena v různých veličinách, takže vzorce budou mít různé formy.

Například elektrický výkon určité části obvodu je definován jako součin proudu a napětí na něm:

(mathrm P(mathrm t);=;mathrm I(mathrm t);cdot;mathrm U(mathrm t))

Písmeno (t) znamená, že mluvíme o okamžité veličině, tedy síle, která se projeví v nekonečně malém časovém úseku (doslova zlomek vteřiny).

V termodynamice se často uvažuje o tepelném výkonu N. Lze jej definovat jako rychlost uvolňování tepla (množství tepla Q) za jednotku času t:

S tím úzce souvisí pojem účinnosti, který je definován jako procento užitečné energie mechanismu z celkového množství vynaložené energie:

Mechanické výkonové vzorce

Vzorce pro mechanickou sílu můžete samostatně zvýraznit. V nejjednodušším případě se jedná o množství práce za jednotku času, tedy:

Uvážíme-li výkon jako veličinu síly, získáme vzorec pro součin síly působící na těleso a rychlosti jeho pohybu pod vlivem této síly:

(mathrm N;=;mathrm F;cdot;mathrm v)

Výkon lze také reprezentovat jako součin vektoru síly a vektoru rychlosti, to znamená hodnoty těchto veličin kosinusem úhlu mezi nimi:

(mathrm N;=;mathrm F;cdot;mathrm v;=;mathrm F;cdot;mathrm v;cdotmathrm )

Pokud uvažujeme čistě rotační pohyb (například vrchol), vzorec je určen z hlediska momentu síly M (N*m), úhlové rychlosti w (rad/s) a počtu úplných otáček za minutu (ot./min. ):

Jednotka

Výkon se měří v různých jednotkách:

• soustava SI – W (watt), tj. jeden joule práce za sekundu (J/s);
• astrofyzika, teoretická fyzika – erg za sekundu (erg/s);
• ve vlastnostech motorů vozidel (včetně automobilů, lokomotiv, lodí) – koňský výkon (hp).

Kromě toho, spolu s metrickou koňskou silou, běžnou ve většině zemí, existuje také starodávná míra anglické koňské síly. Běžný výkon odpovídá 735,5 W, zatímco anglický výkon odpovídá 745,7 W.

Ve školních kurzech fyziky a v praxi se výkon často měří pomocí soustavy SI, tedy ve wattech (W). Právě pro W se používají deriváty, například kilowatt (kW). Toto označení se používá například pro stanovení spotřeby elektrické energie domácích spotřebičů. Spotřeba domácí chladničky tedy v závislosti na modelu odpovídá 200-500 kWh.

to je zajímavé
Zakon Kulona
Co to je a jak se v praxi uplatňuje jeden ze základních fyzikálních zákonů?

Vzorce elektrické energie

Existuje také koncept elektrické energie. Znamená rychlost přenosu elektřiny nebo rychlost její přeměny např. na teplo. Hodnota je přímo úměrná proudu a napětí v části obvodu, takže vzorec je následující:

(mathrm P;=;mathrm I;cdot;mathrm U)

Na druhé straně lze elektrický výkon vyjádřit také jako práci vykonanou elektrickým polem za jednotku času. Pak bude vzorec vypadat takto:

Jednotka

V soustavě SI se elektrický výkon měří ve W (wattech), mezinárodní označení W. Jak víte, práce se měří v joulech a čas v sekundách. Jeden watt tedy odpovídá jednomu joulu práce vykonané za jednu sekundu, tedy:

Tato jednotka měření se někdy jednoduše nazývá „joulová sekunda“. I když musíte pochopit, že se nebavíme o produktu, ale spíše o poměru práce k jednotce času.

Na druhé straně lze elektrický výkon definovat jako součin proudu a napětí. Na základě toho je jednotkou měření voltampér:

(1;mathrm;=;1;mathrm B;cdot;1;mathrm A)

Tato jednotka se jednoduše nazývá „voltampér“. Navíc mluvíme konkrétně o součinu množství, a ne o jejich poměru.

Problémy s napájením s řešeními

Můžeme uvést několik příkladů mocenských problémů z různých odvětví fyziky.

1 výzva
Muž zvedne ze studny kbelík s vodou, a to silou 60 N. Hloubka studny je 10 m a celková doba výstupu na povrch je 30 sekund. Jakou sílu vyvine člověk, aby zvedl jeden kbelík vody?

rozhodnutí
V tomto případě mluvíme o mechanickém výkonu, který je určen nejjednodušším vzorcem N = A/t. Práci lze vypočítat při znalosti použité síly a posunutí kbelíku s vodou (v tomto případě ve vertikálním směru): A = F • S = 60 • 10 = 600 J. Nyní zbývá vypočítat N = 600 /₃₀ = 20 W.

Odpověď: Aby člověk zvedl jeden kbelík vody, vyvine výkon 20 W.

2 výzva
Místnost je osvětlena lampou o výkonu 110 W. Napětí v elektrické síti bytu je standardní a odpovídá 220W. Jaký proud prochází lampou?

rozhodnutí
Podle podmínek úlohy je výkon P = 100 W a napětí U = 220 V. Je známo, že P = I • U, což znamená, že I = P /_U. Proto I = 100 /₂₂₀ = 0,45 A.

Odpověď: Proud procházející lampou je 0,45 A.

3 výzva
Jaký by měl být výkon zdroje tepla, aby zcela vyrovnal tepelné ztráty cihlovou zdí, je-li její tloušťka L = 0,5 m a celková plocha S = 50 m 2? Venkovní teplota stěny je T₂ = -30 o C, vnitřní teplota T₁ = +20 °C.

rozhodnutí
Cihlovou zdí prochází tepelný tok q, který je určen vzorcem q = λ • S • (T₁ – T₂) /_L, kde λ je součinitel tepelné vodivosti cihly (tabulková hodnota) 0,56 W/(m* o C). Dosazením hodnot do vzorce dostaneme: q = 56 • 50 • (20+30) /_0,5 = 2800 J = 2,8 kJ.

Pro kompenzaci těchto tepelných ztrát je potřeba zdroj tepla o nemenším výkonu, tedy minimálně 2,8 kJ/s.

Odpověď: W = 2.8 kJ/s.

Oblíbené otázky a odpovědi

Odpověděla Yulia Krutova, učitelka fyziky na střední škole č. 16 (Moskevská oblast, městská část Orekhovo-Zuevsky):

Jak získat práci ze vzorce pro nalezení síly?

Jeden vzorec definuje výkon jako poměr práce k době, během které byla vykonávána, tedy: N=A/t. Z toho je snadné vyjádřit: A=N*t.

Jsou u jednotné státní zkoušky užitečné vzorce pro výpočet síly?

Určitě se budou hodit, protože moc je univerzální pojem a může se objevit v problému na jakékoli téma.

Proč začnou studovat sílu ve fyzice v 7. třídě?

Protože energie je základní pojem, na kterém jsou založeny všechny fyzikální zákony a popis okolního světa. A síla charakterizuje rychlost změny energie systému (míru vykonané práce), takže pojem moci je jedním z prvních, který byl ve škole zaveden.