機械的動力は、単位時間当たりの仕事量によって数学的に表現される作業が実行される速度です。また、仕事は吸収されたエネルギーを犠牲にして行われるため、単位時間あたりのエネルギーとして表現することもできます。
Pを電力、Wを動作、Eをエネルギー、tを時間と呼ぶと、上記のすべては使いやすい数式で要約できます。
図1.「空飛ぶ自転車」であるゴッサマーアルバトロスは、1970年代後半に人力のみを使用してイギリス海峡を横断しました。出典：ウィキメディア・コモンズ。ゴッサマーアルバトロス。英語版ウィキペディアのGuroadrunner
まあ：
業界で使用されている他の動力ユニットは、hp（馬力または馬力）とCV（馬力）です。これらの単位の起源は、測定基準が馬が動く速度であったジェームズワットと産業革命にもさかのぼります。
hpとCVはどちらもおよそ¾キロWに等しく、特にモーターの指定など、特に機械工学で広く使用されています。
前述のキロW = 1000 Wなど、ワットの倍数も電力で使用されることがよくあります。これは、ジュールがエネルギーの比較的小さな単位であるためです。イギリスのシステムはポンドフィート/秒を使用します。
構成内容と産業およびエネルギーでの用途
電力の概念は、機械的、電気的、化学的、風力、音響など、あらゆる種類のエネルギーに適用できます。プロセスはできるだけ速く実行する必要があるため、時間は業界で非常に重要です。
モーターは、十分な時間がある限り必要な作業を実行しますが、重要なことは、効率を高めるために、可能な限り短い時間で実行することです。
仕事と力の違いを明確にするために、非常に単純なアプリケーションをすぐに説明します。
重い物がロープで引っ張られているとします。これを行うには、必要な作業を行うための外部エージェントが必要です。このエージェントが90 Jのエネルギーをオブジェクト文字列システムに転送し、10秒間動作するとします。
このような場合、エネルギー伝達率は90 J / 10秒または9 J /秒です。次に、そのエージェント、人またはモーターの出力が9 Wであることを確認できます。
別の外部エージェントが、より短い時間で、またはより少ないエネルギーを転送することで同じ変位を達成できる場合、より大きな力を生み出すことができます。
別の例：エネルギー伝達が90 Jで、システムを4秒間動作させることができたとします。出力電力は22.5 Wになります。
機械の性能
パワーはパフォーマンスと密接に関連しています。機械に供給されるエネルギーが完全に有用な作業に変換されることはありません。通常、重要な部分は熱で放散されます。これは、機械の設計など、多くの要因に依存します。
そのため、マシンのパフォーマンスを知ることが重要です。これは、提供された作業と供給されたエネルギーの間の商として定義されます。
ギリシャ語の文字ηが歩留まり、つまり常に1未満の無次元量を表す場合、これに100を掛けると、パーセンテージで歩留まりが得られます。
例
-人間と動物は移動中に力を発達させます。たとえば、階段を上るには重力に逆らう作業が必要です。はしごを登る2人を比較すると、最初にすべてのステップを登る人は、他の人よりも多くの力を発揮しますが、どちらも同じ仕事をしました。
-家庭用電化製品および機械には、出力電力が指定されています。部屋の照明に適した白熱電球の電力は100 Wです。これは、電球が電気エネルギーを100 J / sの速度で光と熱（そのほとんど）に変換することを意味します。
-芝刈り機のモーターは約250 Wを消費でき、自動車のモーターは70 kWのオーダーです。
-自家製ウォーターポンプは通常0.5馬力を供給します。
-太陽は3.6 x 10 26 Wの電力を生成します。
パワーとスピード
瞬時電力は、P = dW / dtのように非常に短い時間で得られます。微小微小変位d xを引き起こす仕事を生み出す力はF（両方ともベクトル）であるため、dW = F d xです。表現のすべてを力に置き換えても、それは残ります。
人力
人々は、重りを持ち上げるなど、少なくとも短時間の間、約1500 Wまたは2馬力の電力を生成することができます。
平均して、1日あたりの出力（8時間）は1人あたり0.1馬力です。その大部分は熱に変換され、75Wの白熱電球によって生成されるのとほぼ同じ量です。
トレーニング中のアスリートは、化学エネルギー（グルコースと脂肪）を機械エネルギーに変換することにより、平均で約350 J / sに相当する0.5 hpを生成できます。
図2.アスリートは平均2馬力を発揮します。出典：Pixabay。
人力に関しては、ワットではなくキロカロリー/時で測定するのが一般的に好ましい。必要な同等性は次のとおりです。
0.5馬力のパワーは非常に少量のように聞こえ、それは多くのアプリケーション向けです。
しかし、1979年には、飛行可能な人力自転車が作られました。Paul MacCreadyがGossamer Albatrossを設計しました。これは190 Wの平均出力を生成する英国海峡を通過しました（図1）。
電気エネルギーの分配
重要なアプリケーションは、ユーザー間の電気エネルギーの分配です。電気を供給する会社は、それが消費される速度ではなく、消費されるエネルギーに対して請求します。そのため、請求書を注意深く読んだ人は、非常に具体的な単位（キロワット時またはkW-h）を見つけます。
ただし、ワットという名前がこのユニットに含まれている場合、電力ではなくエネルギーを指します。
前述のように、ジュールはかなり小さい単位であるため、キロワット時は電気エネルギーの消費量を示すために使用されます。1ワット時またはWhは、1ワットの電力で1時間に行われる仕事です。
したがって、1 kW-hは、1 kWまたは1000 Wの電力で1時間に行われる作業です。これらの量をジュールに変換するための数値を入力してみましょう。
世帯は1か月あたり約200 kW時間を消費できると推定されています。
演習
演習1
農民はトラクターを使用して干し草のベールM = 150 kgを15°の傾斜面で5.0 km / hの一定速度で納屋に引き込みます。干し草ベールとシュートの間の動摩擦係数は0.45です。トラクターの出力を見つけます。
解決
この問題では、傾斜面にそびえる干し草のベールの自由体図を描く必要があります。ましょうFは、であるベールを持ち上げるトラクタによって加えられる力、α= 15°は、傾斜角です。
また、動摩擦力F 摩擦運動に対抗関係、プラス正常であるN、重みW（ワークのそれと重量Wを混同していません）。
図3.干し草ベールの孤立した体の図。出典：F. Zapata。
ニュートンの第二法則は、次の方程式を提供します。
速度と力は同じ方向と感覚を持つため、次のようになります。
速度の単位を変換する必要があります。
値を代入すると、最終的に次のようになります。
演習2
図に示すモーターは、静止状態から2 m / s 2の加速度で、2秒で2 kgブロックを持ち上げます。
図4.モーターが物体を特定の高さまで持ち上げます。そのためには、仕事をし、力を発揮する必要があります。出典：F. Zapata。
計算：
a）その時にブロックが到達した高さ。
b）これを達成するためにエンジンが開発しなければならない力。
解決
a）一様に変化する直線運動であるため、対応する方程式が使用され、初期速度は0です。到達する高さは、次の式で与えられます。
b）モーターによって発生した電力を見つけるには、次の式を使用できます。
また、ブロックに加えられる力は、弦の張力によるもので、大きさは一定です。
P =（ma）.y /Δt = 2 kg x 2 m / s 2 x 4 m / 2 s = 8 W
参考文献
- Figueroa、D.（2005）。シリーズ：理工学のための物理学。ボリューム2。ダイナミクス。ダグラスフィゲロア（USB）によって編集されました。
- ナイト、R。2017。科学者および工学のための物理学：戦略的アプローチ。ピアソン。
- Physics Libretexts。力。回収元：phys.libretexts.org
- Physics Hypertext Book。力。から回復：physics.info。
- 仕事、エネルギー、そして力。取得元：ncert.nic.in