TENAGA MEKANIK: APA ITU, APLIKASI, CONTOH - FISIK - 2025

Daya mekanik adalah laju di mana pekerjaan, yang dinyatakan secara matematis dengan jumlah pekerjaan yang dilakukan per unit waktu dilakukan. Dan karena pekerjaan dilakukan dengan mengorbankan energi yang diserap, maka dapat juga dinyatakan sebagai energi per satuan waktu.

Memanggil P untuk daya, W untuk bekerja, E ke energi dan t ke waktu, semua hal di atas dapat diringkas dalam ekspresi matematika yang mudah digunakan:

Gambar 1. Gossamer Albatross, 'sepeda terbang', melintasi Selat Inggris pada akhir 1970-an, hanya dengan menggunakan tenaga manusia. Sumber: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner di Wikipedia bahasa Inggris

O baik:

Itu dinamai untuk menghormati insinyur Skotlandia James Watt (1736-1819), yang dikenal karena menciptakan mesin uap kondensor, sebuah penemuan yang memulai Revolusi Industri.

Unit tenaga lain yang digunakan dalam industri adalah hp (tenaga kuda atau tenaga kuda) dan CV (tenaga kuda). Asal mula unit-unit ini juga berasal dari James Watt dan Revolusi Industri, ketika standar pengukuran adalah kecepatan kuda bekerja.

Baik hp maupun CV kira-kira sama dengan ¾ kilo-W dan masih banyak digunakan, terutama di bidang teknik mesin, misalnya dalam penunjukan motor.

Kelipatan watt, seperti kilo-W = 1000 W tersebut di atas juga sering digunakan dalam tenaga listrik. Ini karena joule adalah satuan energi yang relatif kecil. Sistem Inggris menggunakan pound-feet / second.

Terdiri dari apa dan aplikasi dalam industri dan energi

Konsep tenaga dapat diterapkan pada semua jenis energi, baik itu energi mekanik, listrik, kimiawi, angin, sonik atau jenis apapun. Waktu sangat penting dalam industri, karena proses harus berjalan secepat mungkin.

Motor apa pun akan melakukan pekerjaan yang diperlukan selama memiliki cukup waktu, tetapi yang terpenting adalah melakukannya dalam waktu sesingkat mungkin untuk meningkatkan efisiensi.

Aplikasi yang sangat sederhana segera dijelaskan untuk memperjelas dengan baik perbedaan antara kerja dan kekuasaan.

Misalkan benda berat ditarik dengan tali. Untuk melakukan ini, agen eksternal diperlukan untuk melakukan pekerjaan yang diperlukan. Katakanlah agen ini mentransfer energi 90 J ke sistem string-objek, sehingga ia bergerak selama 10 detik.

Dalam kasus seperti itu, kecepatan transfer energinya adalah 90 J / 10 s atau 9 J / s. Kemudian kita dapat menegaskan bahwa agen itu, seseorang atau motor, memiliki daya keluaran 9 W.

Jika agen eksternal lain mampu mencapai perpindahan yang sama, baik dalam waktu yang lebih singkat atau dengan mentransfer lebih sedikit energi, maka ia mampu mengembangkan daya yang lebih besar.

Contoh lain: misalkan transfer energi 90 J, yang berhasil mengatur sistem bergerak selama 4 detik. Daya keluaran akan menjadi 22,5 W.

Performa sebuah mesin

Kekuasaan berkaitan erat dengan kinerja. Energi yang disuplai ke mesin tidak pernah sepenuhnya diubah menjadi pekerjaan yang berguna. Bagian penting biasanya hilang dalam panas, yang bergantung pada banyak faktor, misalnya desain mesin.

Itulah mengapa penting untuk mengetahui kinerja mesin, yang didefinisikan sebagai hasil bagi antara pekerjaan yang diberikan dan energi yang dipasok:

Di mana huruf Yunani η menunjukkan hasil, kuantitas tak berdimensi yang selalu kurang dari 1. Jika juga dikalikan dengan 100, kita mendapatkan hasil dalam persentase.

Contoh

- Manusia dan hewan mengembangkan kekuatan selama penggerak. Misalnya, menaiki tangga membutuhkan usaha melawan gravitasi. Membandingkan dua orang yang menaiki tangga, orang yang memanjat semua anak tangga terlebih dahulu akan memiliki tenaga yang lebih besar daripada yang lain, tetapi mereka berdua melakukan pekerjaan yang sama.

- Peralatan dan mesin rumah tangga memiliki daya keluaran yang ditentukan. Bola lampu pijar yang cocok untuk menerangi sumur ruangan memiliki daya 100 W. Ini berarti bahwa bola lampu tersebut mengubah energi listrik menjadi cahaya dan panas (sebagian besar) dengan kecepatan 100 J / s.

- Motor mesin pemotong rumput dapat mengkonsumsi sekitar 250 W dan mesin mobil berada pada urutan 70 kW.

- Pompa air buatan sendiri biasanya menyuplai 0,5 hp.

- Matahari menghasilkan daya 3,6 x 10 ²⁶ W.

Tenaga dan kecepatan

Daya sesaat diperoleh dengan mengambil waktu yang sangat kecil: P = dW / dt. Gaya yang menghasilkan usaha yang menyebabkan perpindahan sangat kecil d x adalah F (keduanya adalah vektor), oleh karena itu dW = F d x . Mengganti segala sesuatu dalam ekspresi untuk kekuatan, tetap:

Tenaga manusia

Orang mampu menghasilkan tenaga sekitar 1500 W atau 2 tenaga kuda, setidaknya untuk waktu yang singkat, seperti mengangkat beban.

Rata-rata, output tenaga harian (8 jam) adalah 0,1 hp per orang. Sebagian besar diterjemahkan menjadi panas, kira-kira jumlah yang sama yang dihasilkan oleh bola lampu pijar 75W.

Seorang atlet dalam pelatihan dapat menghasilkan rata-rata 0,5 hp setara dengan sekitar 350 J / s, dengan mengubah energi kimiawi (glukosa dan lemak) menjadi energi mekanik.

Gambar 2. Seorang atlet mengembangkan tenaga rata-rata 2 hp. Sumber: Pixabay.

Mengenai tenaga manusia, biasanya lebih disukai mengukur dalam kilo-kalori / jam, daripada dalam watt. Kesetaraan yang diperlukan adalah:

Kekuatan 0,5 hp terdengar seperti jumlah yang sangat kecil, dan itu untuk banyak aplikasi.

Namun, pada 1979 sebuah sepeda bertenaga manusia diciptakan yang bisa terbang. Paul MacCready merancang Gossamer Albatross, yang melintasi Selat Inggris menghasilkan output rata-rata 190 W (Gambar 1).

Distribusi energi listrik

Aplikasi penting adalah distribusi energi listrik antar pengguna. Perusahaan yang memasok tagihan listrik untuk energi yang dikonsumsi, bukan tarif pemakaiannya. Itulah mengapa mereka yang membaca tagihan Anda dengan cermat akan menemukan satuan yang sangat spesifik: kilowatt-hour atau kW-h.

Namun, jika nama Watt dimasukkan dalam unit ini, itu mengacu pada energi dan bukan daya.

Kilowatt-hour digunakan untuk menunjukkan konsumsi energi listrik, karena joule, seperti disebutkan sebelumnya, adalah satuan yang cukup kecil: 1 watt-hour atau Wh adalah usaha yang dilakukan dalam 1 jam dengan daya 1 watt.

Oleh karena itu, 1 kW-h adalah pekerjaan yang dilakukan dalam satu jam kerja dengan kekuatan 1kW atau 1000 W. Mari kita masukkan angka-angka untuk mengubah jumlah ini menjadi joule:

Diperkirakan sebuah rumah tangga dapat mengonsumsi sekitar 200 kW-jam per bulan.

Latihan

Latihan 1

Seorang petani menggunakan traktor untuk menarik bal jerami M = 150 kg ke atas lereng 15 ° dan membawanya ke gudang dengan kecepatan konstan 5,0 km / jam. Koefisien gesekan kinetik antara bal jerami dan parasut adalah 0,45. Temukan daya keluaran traktor.

Larutan

Untuk soal ini, Anda perlu menggambar diagram benda-bebas untuk bal jerami yang naik di lereng. Misalkan F adalah gaya yang diterapkan oleh traktor untuk mengangkat bal, α = 15º adalah sudut kemiringan.

Selain itu, gaya gesek kinetik f _gesekan yang menentang gerakan yang terlibat, ditambah normal N dan berat W (jangan bingung W dari berat dengan itu pekerjaan).

Gambar 3. Diagram tubuh terisolasi bal jerami. Sumber: F. Zapata.

Hukum kedua Newton menawarkan persamaan berikut:

Kecepatan dan gaya memiliki arah dan rasa yang sama, oleh karena itu:

Diperlukan untuk mengubah satuan kecepatan:

Mengganti nilai, akhirnya kita mendapatkan:

Latihan 2

Motor yang ditunjukkan pada gambar akan mengangkat balok seberat 2 kg, dimulai dari posisi diam, dengan akselerasi 2 m / s ² dan dalam waktu 2 detik.

Gambar 4. Sebuah motor mengangkat suatu benda ke ketinggian tertentu, yang perlu dilakukan pekerjaan dan pengembangan daya. Sumber: F. Zapata.

Menghitung:

a) Ketinggian yang dicapai balok pada saat itu.

b) Tenaga yang harus dikembangkan oleh mesin untuk mencapai hal ini.

Larutan

a) Ini adalah gerakan bujursangkar yang bervariasi secara seragam, oleh karena itu persamaan yang sesuai akan digunakan, dengan kecepatan awal 0. Tinggi yang dicapai diberikan oleh:

b) Untuk mengetahui daya yang dikembangkan oleh motor, dapat digunakan persamaan:

Dan karena gaya yang diberikan pada balok adalah melalui tegangan pada tali, yang besarnya konstan:

P = (ma) .y / Δ t = 2 kg x 2 m / s ² x 4 m / 2 s = 8 W

Referensi

1. Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 2. Dinamika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
3. Libreteks Fisika. Kekuasaan. Diperoleh dari: phys.libretexts.org
4. Buku Fisika Hypertext. Kekuasaan. Diperoleh dari: physics.info.
5. Kerja, energi dan tenaga. Diperoleh dari: ncert.nic.in