Зачем вводят физические величины средняя мощность мгновенная мощность кратко
Обновлено: 05.07.2024
Мощность — физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.
Эффективная мощность, мощность двигателя, отдаваемая рабочей машине непосредственно или через силовую передачу. Различают полезную, полную и номинальную Э. м. двигателя. Полезной называют Э. м. двигателя за вычетом затрат мощности на приведение в действие вспомогательных агрегатов или механизмов, необходимых для его работы, но имеющих отдельный привод (не от двигателя непосредственно). Полная Э. м. — мощность двигателя без вычета указанных затрат. Номинальная Э. м., или просто номинальная мощность, — Э. м., гарантированная заводом-изготовителем для определённых условий работы. В зависимости от типа и назначения двигателя устанавливаются Э. м., регламентируемые стандартами или техническими условиями (например, наибольшая мощность судового реверсивного двигателя при определённой частоте вращения коленчатого вала в случае заднего хода судна — так называемая мощность заднего хода, наибольшая мощность авиационного двигателя при минимальном удельном расходе топлива — так называемая крейсерская мощность и т. п.). Э. м. зависит от форсирования (интенсификации) рабочего процесса, размеров и механического кпд двигателя. [1]
 — средняя мощность |
 — мгновенная мощность |
Так как работа является мерой изменения энергии, мощность можно определить также как скорость изменения энергии системы.
Содержание
Единицы измерения
В системе СИ единицей измерения мощности является ватт, равный одному джоулю, делённому на секунду.
Другой распространённой единицей измерения мощности является лошадиная сила.
| Единицы | Вт | кВт | МВт | кгс·м/с | эрг/с | л. с. |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 ватт | 1 | 10 -3 | 10 -6 | 0,102 | 10 7 | 1,36·10 -3 |
| 1 киловатт | 10 3 | 1 | 10 -3 | 102 | 10 10 | 1,36 |
| 1 мегаватт | 10 6 | 10 3 | 1 | 102·10 3 | 10 13 | 1,36·10 3 |
| 1 килограмм-сила-метр в секунду | 9,81 | 9,81·10 -3 | 9,81·10 -6 | 1 | 9,81·10 7 | 1,33·10 -2 |
| 1 эрг в секунду | 10 -7 | 10 -10 | 10 -13 | 1,02·10 -8 | 1 | 1,36·10 -10 |
| 1 лошадиная сила [2] | 735,5 | 735,5·10 -3 | 735,5·10 -6 | 75 | 7,355·10 9 | 1 |
Мощность в механике
Если на движущееся тело действует сила, то эта сила совершает работу. Мощность в этом случае равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется тело:
 |
F — сила, v — скорость, α — угол между вектором скорости и силы.
Частный случай мощности при вращательном движении:
 |
M — момент, — угловая скорость, — число пи, n — частота вращения (об/мин).
Электрическая мощность
Электри́ческая мо́щность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.
Одной из самых важных физических величин является мощность. Она связана с работой. В качестве примера можно привести человека, который поднимается по ступенькам. Лестницу можно преодолеть шагами или бегом. В этих ситуациях будет проделана одинаковая работа, но в том случае, когда человек бежит, работа выполняется быстрее.
В результате мощность может выражаться скоростью или интенсивностью выполнения работы. При увеличении мощности уменьшается время, необходимое для совершения работы. Таким образом, краткая формулировка мощности звучит, как скорость выполнения работы.
Мощность — является скалярной физической величиной, которая характеризует мгновенную скорость передачи количества энергии от одной физической системы к другой в процессе ее использования, и в общем случае определяется, как соотношение переданной энергии к времени передачи.
В системе СИ единицей измерения мощности является ватт, который соответствует энергии в 1 джоуль, переданной в течение 1 секунды ( 1 В т ≡ 1 Д ж / с ) . Какое-либо числовое значение мощности, указываемое в информационных источниках, в распространенных случаях подразумевает именно такой секундный временной интервал.
Согласно действующим международным стандартам серии I S O / I E C 80000 , величину мощности обозначают символом P прописной буквой при записи формул механики и электродинамики. Этимология обозначения — либо от лат. potestas, либо от англ. power.
В русскоязычных литературных источниках и записях законов по физике можно встретить обозначение мощности буквой N. Отсутствуют точные данные об этимологии данного обозначения.
Виды мощности, определение и характеристики
По Международной системе единиц (СИ) мощность можно измерить в ватт (Вт). Ватт равен одному джоулю в секунду (Дж/с). В теоретической физике и астрофизике мощность в распространенных случаях обозначают через эрг в секунду (эрг/с). Данная единица измерения является внесистемной. Мощность автомобилей, двигателей локомотивов и судов измеряют в лошадиных силах, что не рекомендовано Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ).
Механическая мощность
В том случае, когда тело движется под воздействием силы, данная сила совершает работу.
Мощность вычисляют, как скалярное произведение вектора силы на вектор скорости движущегося тела:
N = F · v = F · v · cos α ,
где F — определяет вектор силы;
v — является вектором скорости;
α — составляет угол между вектором скорости и силы;
F — модуль вектора силы;
v — модуль вектора скорости.
В том случае, когда тело совершает вращательное движение, применима следующая формула для определения мощности:
N = M · ω = 2 π · M · n 60 ,
где M — определяет момент силы;
ω — является обозначением угловой скорости;
n — частота вращения (число оборотов в минуту, об/мин).
Электрическая мощность
Электрическая мощность является физической величиной, характеристикой скорости, с которой передается или преобразуется электроэнергия.
Мгновенная электрическая мощность P ( t ) участка электрической цепи определяется таким образом:
P ( t ) = I ( t ) · U ( t )
где I ( t ) — является мгновенным током через участок цепи;
U ( t ) — определяет мгновенное напряжение на заданном участке.
В процессе исследования сетей переменного тока оперируют не только общефизическим понятием мгновенной мощности, но и используют следующие определения:
- активная мощность, соответствует средней величине мгновенной мощности в течение периода времени;
- реактивная мощность, соответствующая энергии, которая циркулирует без диссипации от источника к потребителю и в обратном направлении;
- полная мощность, определяемая через произведение существующих значений электрического тока и напряжения без учета сдвига фаз.
Мгновенную активную мощность определяют таким образом:
p ( t ) = 1 2 · U m · I m · cos φ - 1 2 · U m · I m · cos φ cos ( 2 ω t ) .
Уравнение мгновенной реактивной мощности при φ > 0 :
q ( t ) = 1 2 · U m · I m · sin φ · cos \ Bigl ( 2 ω t + π 2 \ Bigr ) ,
q ( t ) = 1 2 · U m · I m · sin φ · cos \ Bigl ( 2 ω t - π 2 \ Bigr ) .
Мгновенная полная мощность:
s ( t ) = 1 2 · U m · I m · cos φ - 1 2 · U m · I m · c o s \ Bigl ( 2 ω t - φ \ Bigr ) ,
где I m — определяет амплитуду тока;
U m — является амплитудой напряжения;
φ — угол между начальным углом напряжения ψ u и начальным углом силы тока ψ i — ( φ = ψ u - ψ i ) ;
ω — угловая скорость;
Гидравлическая мощность
Гидравлическая мощность гидромашины или гидроцилиндра равна произведению перепада давления на машине (разности давлений на входе и выходе) на расход жидкости:
где Q H — расход жидкости, м 3 / с ;
P H — перепад давления, Па.
В качестве примера можно рассмотреть насосную установку НП-89Д, которой оснащают Су-24, Ту-134 и Ту-154. Производительность данной модели насоса составляет 55 л/мин (около 0 , 000917 м 3 / с ) при давлении 210 кгс/см2 (21 МПа). Таким образом, гидравлическая мощность насоса равна приблизительно 19,25 кВт.
Приборы для измерения мощности
Ваттметры (включая варметры) — являются измерительными приборами, с помощью которых определяют мощность электрического тока или электрического излучения.
В зависимости от целевого назначения и диапазона частот ваттметры классифицируют на несколько видов:
- низкочастотные (и постоянного тока);
- радиочастотные;
- оптические.
Ваттметры радиодиапазона, исходя из назначения, бывают двух типов:
- проходящей мощности, которые включают в разрыв линии передачи;
- поглощаемой мощности, предназначенные для подключения к концу линии и играющие роль согласованной нагрузки.
Согласно методу функционального преобразования измерительной информации и ее отображения для оператора, ваттметры подразделяют на следующие группы:
- аналоговые (показывающие и самопишущие);
- цифровые.
Как найти мощность, формулы и примеры задач
Основная формула для расчета мощности имеет вид:
где, P — мощность, E — энергия, t — время.
Средняя величина мощности за промежуток времени Δ t :
Интеграл по времени от мгновенной мощности за промежуток времени вычисляют, как полную переданную энергию за это время:
∫ t 0 t 1 P d t = E .
Мотор подъемной техники обладает мощностью 3,5 л. с. Необходимо определить массу груза, который такая машина может поднять на высоту 15 м за 2 мин. (1 л.с.=736 Вт).
Мощность двигателя составляет 3 , 5 · 736 = 2576 В т .
m = P t g h = 2576 · 2 · 60 10 · 15 = 2060 , 8
Требуется определить время, которое необходимо затратить на откачку 10 т воды из шахты с помощью насоса мощностью 1,5 кВт. Высота подъема составляет 20 м.
В связи с тем, что планируется откачать всю воду, работу можно выразить с помощью следующего уравнения:
Согласно формуле мощности:
t = A P = m g h P = 10000 · 10 · 20 1500 = 1333 , 3
После перевода времени в минуты, получим 22,3 мин.
Ответ: 22,3 минуты
С помощью насоса было поднято 7 , 2 м 3 воды за 8 мин на высоту 10 м. Требуется определить, какой мощностью обладает насос.
Масса воды в данном объеме равна:
P = A t = m g h t = ρ V g h t = 1000 · 7 , 2 · 10 · 10 8 · 60 = 1500
Трактор вспахал 300 м полей за 1,5 мин, развивая при этом мощность 25,8 кВт. Требуется определить силу сопротивления, которую преодолевает трактор в процессе работы.
Согласно определению мощности:
F = P t S = 25800 · 90 300 = 7740
Ответ: 7 , 74 к Н .
Поезд, масса которого составляет 6 · 10 5 к г , совершает равномерное движение со скоростью 36 к м / ч . Требуется рассчитать, какую мощность развивает тепловоз, преодолевая силу трения в 0,002 веса поезда.
В первую очередь следует перевести скорость в м/c:
υ = 36000 3600 = 10
Мощность можно определить таким образом:
P = υ F = υ F t r = υ k m g = 10 · 0 , 002 · 6 · 10 6 = 120000
Игрушечная машинка, поднимаясь на горку с постоянным уклоном, способна развивать максимальную скорость υ 1 = 5 к м / ч . Когда машинка спускается с этой же горки, она разгоняется до υ 2 = 10 к м / ч . Считая силу сопротивления пропорциональной скорости игрушки, нужно определить максимальную скорость, с которой машинка способна ехать в горку, если мощность двигателя возрастет в n = 2 раза. Ответ выразить в км/ч, округлив до десятых. Трение в осях отсутствует.
Зависимость силы сопротивления от скорости можно записать в виде уравнения:
Машинка совершает работу, преодолевая силы сопротивления, так как перемещается и забирается на горку. В общем виде совершаемую работу при движении в гору можно записать таким образом:
A 1 = F S + m g h = F υ 1 t + m g S sin α = k υ 1 2 t + m g υ 1 t sin α = C υ 1 2 + D υ 1
где C и D — коэффициенты, которые учитывают все параметры, за исключением скорости.
В таком случае, мощность равна:
N = A 1 t = C ' υ 1 2 + D ' υ 1
Далее можно рассмотреть ситуацию, когда машинка спускается с горки. Некоторую часть работы (по подъему) теперь выполняет сама сила тяжести, сняв эту нагрузку с двигателя, поэтому:
A 2 = F S - m g h = F υ 2 t - m g S sin α = k υ 2 2 t - m g υ 2 t sin α = C υ 2 2 - D υ 2
Мощность в таком случае составит:
N = A 2 t = C ' υ 2 2 - D ' υ 2
Сравнив записанные выражения, получим:
C ' υ 2 + D ' υ = C ' υ 2 2 - D ' υ 2
C ' D ' = 1 υ 2 - υ 1 = 1 5
Затем следует рассмотреть движение машинки в горку с удвоенной мощностью двигателя:
2 N = A 3 t = C ' υ 3 2 + D ' υ 3
Приравняв мощности, получим:
2 C ' υ 1 2 + 2 D ' υ 1 = C ' υ 3 2 + D ' υ 3
2 C ' υ 1 2 + 10 C ' υ 1 = C ' υ 3 2 + 5 C ' υ 3
2 υ 1 2 + 10 υ 1 = υ 3 2 + 5 υ 3
υ 3 2 + 5 υ 3 - 100 = 0
D = 25 + 400 = 425
υ 3 = - 5 ± 425 2 = 7 , 8
Ответ: 7 , 8 к м / ч
Машина, поднимаясь на гору с постоянным уклоном, способна развивать максимальную скорость υ 1 = 100 к м / ч . Во время движении вниз с этой же горы она разгоняется до υ 2 = 200 к м / ч . Считая силу сопротивления пропорциональной квадрату скорости автомобиля, требуется определить максимальную скорость, которую может развивать машина, перемещаясь по горизонтальному участку дороги. Ответ требуется выразить в км/ч, округлив до целых. Трение в какой-либо степени в осях отсутствует. Мощность машины можно считать постоянной величиной.
Сила сопротивления зависит от скорости:
Машина совершает работу, преодолевая силу сопротивления, так как движется и забирается в гору. Общую совершаемую работу при движении в гору можно выразить с помощью уравнения:
A 1 = F S + m g h = F υ 1 t + m g S sin α = k υ 1 3 t + m g υ 1 t sin α = C υ 1 3 + D υ 1
где C и D — коэффициенты, учитывающие все характеристики, за исключением скорости.
Мощность определяется таким образом:
N = A 1 t = C ' υ 1 3 + D ' υ 1
Далее можно рассмотреть ситуацию, когда машина спускается с горы. Определенную часть работы (по подъему) в этом случае выполняет сама сила тяжести, сняв эту нагрузку с двигателя, поэтому:
A 2 = F S - m g h = F υ 2 t - m g S sin α = k υ 2 3 t - m g υ 2 t sin α = C υ 2 3 - D υ 2
N = A 2 t = C ' υ 2 3 - D ' υ 2
Приравняв правые части уравнений для мощности, коэффициенты будут соотнесены следующим образом:
C ' υ 3 + D ' υ = C ' υ 2 3 - D ' υ 2
C ' D ' = υ 2 + υ 1 υ 2 3 - υ 1 3 = 300 7 · 10 6 = 3 7 · 10 - 4
Мощность при рассмотрении движения по ровному участку пути составит:
N = A 3 t = C ' υ 3 3
После приравнивая значений мощности, получим:
C ' υ 1 3 + D ' υ 1 = C ' υ 3 3
υ 1 3 + 7 3 · 10 4 υ 1 = υ 3 3
υ 3 = υ 1 3 + 7 3 · 10 4 υ 1 3 = 100 3 + 7 3 · 10 4 · 100 3 = 100 10 3 3 = 149
Понятие мощности школьники изучают на уроках физики в 7 классе. С этим понятием мы часто сталкиваемся в жизни, когда говорим про мощность бытовых приборов или автомобилей. Давайте разберемся, что такое мощность в физике и в механике, какой буквой она обозначается и в чем измеряется.
О чем эта статья:
Определение мощности
Допустим, нам необходимо убрать урожай пшеницы с поля площадью 100 га. Это можно сделать вручную или с помощью комбайна. Очевидно, что пока человек обработает 1 га площади, комбайн успеет сделать намного больше. В данном случае разница между человеком и техникой — именно то, что называют мощностью. Отсюда вытекает первое определение.
Мощность в физике — это количество работы, которая совершается за единицу времени.
Рассмотрим другой пример: между точкой А и точкой Б расстояние 15 км, которое человек проходит за 3 часа, а автомобиль может проехать всего за 10 минут. Понятно, что одно и то же количество работы они сделают за разное время. Что показывает мощность в данном случае? Как быстро или с какой скоростью выполняется некая работа.
В электромеханике эта величина имеет еще одно определение.
Мощность — это скалярная физическая величина, которая характеризует мгновенную скорость передачи энергии от системы к системе или скорость преобразования, изменения, потребления энергии.
Напомним, что скалярными величинами называются те, значение которых выражается только числом (без вектора направления).
Мощность человека в зависимости от деятельности
Вид деятельности
Мощность, Вт
Бег со скоростью 9 км/ч
Плавание со скоростью 50 м/мин
Как обозначается мощность: единицы измерения
В таблице выше вы увидели обозначение в ваттах, и читая инструкции к бытовой технике, можно заметить, что среди характеристик прибора обязательно указано количество ватт. Это единица измерения механической мощности, используемая в международной системе СИ. Она обозначается буквой W или Вт.
Измерение мощности в ваттах было принято в честь шотландского ученого Джеймса Уатта — изобретателя паровой машины. Он стал одним из родоначальников английской промышленной революции.
В физике принято следующее обозначение мощности: 1 Вт = 1 Дж / 1с.
Это значит, что за 1 ватт принята мощность, необходимая для совершения работы в 1 джоуль за 1 секунду.
В каких единицах еще измеряется мощность? Ученые-астрофизики измеряют ее в эргах в секунду (эрг/сек), а в автомобилестроении до сих пор можно услышать о лошадиных силах.
Интересно, что автором этой последней единицы измерения стал все тот же шотландец Джеймс Уатт. На одной из пивоварен, где он проводил свои исследования, хозяин накачивал воду для производства с помощью лошадей. И Уатт выяснил, что 1 лошадь за секунду поднимает около 75 кг воды на высоту 1 метр. Вот так и появилось измерение в лошадиных силах. Правда, сегодня такое обозначение мощности в физике считается устаревшим.
Одна лошадиная сила — это мощность, необходимая для поднятия груза в 75 кг за 1 секунду на 1 метр. 🐴
В общем смысле этим термином обозначают энергетические изменения определенной системы. Классическая формула механической мощности устанавливает связь между работой и временем, которое понадобилось на завершение соответствующего процесса. В этой публикации дополнительно рассмотрены электрические и гидравлические параметры энергии, методики вычислений, измерительные приборы.
Используемые обозначения
В стандартных формулах мощность часто обозначают буквой N без уточнения происхождения. Достаточно часто применяют P. В этом варианте понятен исходный смысл: от латинского слова potestas – действие, мощь, сила. В электротехнике часто применяют W (watt – англ., ватт). Дополнительными символами отмечают специфическое назначение NH – гидравлическая мощность от hydraulics.
Основные формулы
Когда рассчитывается средняя мощность формула содержит значения для определенных промежутков: ΔА (работа) и Δt (время). Мгновенные показатели обозначают dA и dt, соответственно. Чтобы узнать количество потребленной энергии, берут интеграл за необходимый временной интервал.
Единицы измерения
Перевод 1 Вт в иные обозначения:
- килограмм-сила-метр в секунду (кгс*м/с) – 0,102;
- эрг в секунду (эрг/с) – 107;
- лошадиная сила (л.с.) метрическая/ английская – 1,36*10-3/ 1,34*10-3.
К сведению. Если в описании автомобиля указано 125 кВт, это равнозначно 170 л.с. (125*1,36=169,95).
Мощность в механике
В ходе исследования механических процессов необходимо учитывать точку приложения усилия и направление действия. Рассчитать мощность можно по формуле (N=F*v) с учетом скорости движения (v) определенного тела. Если направления не совпадают, добавляют корректирующий множитель (cosα).
Электрическая мощность
В этой области не важны тяжесть предметов, сила трения, другие механические термины и определения. Тем не менее, суть рассматриваемой физической величины остается неизменной, подобны принципы отдельных вычислений.
Можно применить для расчета мгновенной мощности формулу:
где:
- (a-b) – обозначают энергию, затраченную на перемещение заряда (q) из одной в другую точку;
- А – выполненная в ходе этого процесса работа.
Если взять все заряды (Q), напряжение в контрольных точках (U), нетрудно вычислить суммарную мощность:
P = (U/ Δt) * Q = U * Q/ Δt = U *I.
Последнее преобразование основано на классическом определении тока (количество зарядов, протекающих по соответствующему проводнику за определенное время).
Для пассивных цепей можно пользоваться законом Ома и соответствующими формулами без дополнительных коррекций. Учитывают (при наличии) источник электродвижущей силы (направление движения токов).
При подключении техники к источникам переменного тока вычисления усложняются. Приходится интегрировать мгновенные значения с учетом определенных периодов, частоты и формы сигналов. На практике часто решают задачи по вычислению мощности потребителей, подключенных к источнику питания с синусоидальным током (напряжением).
Активная составляющая энергии в этом случае будет зависеть от фазового сдвига. Значение вычисляют по формуле:
Pa = U * I * cosϕ (для 220V).
При работе с трехфазными источниками пользуются измененным вариантом выражения:
Pa = √3 * U * I * cosϕ = 1,732 * U * I * cosϕ.
Реактивная переменная потребляется и возвращается в источник питания. Для расчета берут следующую зависимость базовых параметров:
Полная мощность:
Приборы для измерения электрической мощности
С учетом основных компонентов формулы несложно понять, что значения необходимых параметров (ток и напряжение) можно узнать с помощью обычного мультиметра. По необходимому уровню точности выбирают методику и класс измерительного прибора.
Специализированные изделия (ваттметры) способны отображать результаты исследований при работе в сетях постоянного и переменного тока. Специальные модификации (варметры) замеряют реактивную составляющую.
Гидравлическая мощность
Узнать производительность асинхронного электродвигателя насоса можно косвенным методом, по выполненной работе. Для этого умножают перепад измеренных (вход/ выход) давлений (ΔP) на количество перекачанной жидкости (V) в м куб. за секунду.
Пример:
- напор по манометрам – 220 кгс/ см кв.;
- производительность – 65 л/мин. = 3,9 куб. м/ час = 0,001083 куб. м /с.;
- мощность NH = ΔP * V = 220 * 100 (перевод см в м) * 0,001083 = 23,83 кВт.
Мощность силы
Для решения практических задач меняют рассмотренные выражения необходимым образом. Расчет энергетических изменений отображает пример с падающим предметом:
- в исходных данных известны высота и масса тела;
- требуется установить мощность силы формула которой отображает результат на половине пути при свободном падении;
- подставляют вместо базовых компонентов известные величины:
- F = m *g;
- V (скорость в определенной точке) = Vn (начальная скорость) + g*t.
- после завершения преобразований получают:
Мощность вращающихся объектов
Для расчета подобной системы применяют формулу:
N = M * w = (2π * M* n)/60,
где:
- M – момент силы;
- w – угловая скорость, характеризующая вращение;
- n – количество оборотов, которое совершает двигатель или другое устройство за 60 секунд.
Приведенные сведения используют с учетом целевого назначения и реальных условий. Так, в термодинамике необходимо помнить о зависимости эффективности системы от температуры окружающей среды. Тепловые потери нагревателя оценивают по соответствующей мощности на единицу площади поверхности. Аналогичным образом поступают при решении механических задач для расчета тяги, КПД, иных рабочих параметров. Как правило, приходится специальным коэффициентом компенсировать трение.
В электрических цепях ток ограничивает сопротивление проводника. Для небольших расстояний при малой мощности тщательные расчеты не нужны. Однако проект магистральной трассы обязательно содержит соответствующие вычисления. На основе полученных результатов делают выводы о среднегодовых экономических показателях. Следует помнить о необходимости учета искажений, которые добавляют при работе с переменным напряжением реактивные нагрузки.
Видео
Читайте также: