IV.2. Puterea mecanică.

Analizează imaginile de mai jos și identifică ce forță efectuează un lucru mecanic și în ce scop.

Este important timpul în care este efectuat lucrul mecanic pentru câștigarea cursei?

Forțele exercitate de picioarele cailor efectuează același lucru mecanic pentru parcurgerea traseului, dar cel care depune efort mai rapid și ajunge primul la linia de sosire este considerat mai puternic decât ceilalți. Deci, cel mai rapid câștigă cursa.

Motoarele mașinilor dezvoltă o forță de tracțiune care efectuează același lucru mecanic într-o cursă. Deci, cel mai rapid câștigă cursa. Mașina care are motorul cel mai puternic are cele mai mari șanse de a câștiga.

👀 Experiment: Ce înseamnă putere mare ?
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult! Aparatele electrice vor fi conectate la / deconectate de la priză numai de către un adult.

Materiale necesare:
Două foenuri de puteri diferite (ele au un motor electric care scoate aerul sub forma unui jet), o bilă, cronometru.

Descrierea experimentului:

• Îndreaptă jetul de aer de la foenul de putere mică (1400 W) spre bilă și pornește cronometru pentru a măsura timpul în care bila parcurge o anumită distanță: t₁ = 13,78 s.
• Îndreaptă jetul de aer de la foenul de putere mare (2000 W) spre bilă și pornește cronometru pentru a măsura timpul în care bila parcurge aceeași distanță ca în primul caz: t₂ = 3,18 s.
• Compară timpii măsurați.

  t₂ < t₁

Concluzia experimentului:
În ambele cazuri bila a efectuat același lucru mecanic, deoarece distanța parcursă a fost aceeași și forța care a pus în mișcare bila a fost aceeași (egală cu greutatea bilei).
Timpul în care s-a efectuat acest lucru mecanic a fost diferit.
Foenul cu putere mai mică a avut un timp mare în care a efectuat acest lucru mecanic.
Foenul cu putere mai mare a avut un timp mic în care a efectuat același lucru mecanic.

Puterea mecanică (P) este mărimea fizică scalară egală cu raportul dintre lucrul mecanic (L) efectuat și timpul (Δt) în care se efectuează acest lucru mecanic.

Unitate de măsură în S.I:

Cazuri particulare:

a) În cazul mișcării rectilinii și uniforme a unui mobil, puterea mecanică este direct proporțională cu forța de tracțiune și cu viteza acestuia.

• Când vectorul forță este coliniar cu vectorul viteză avem relația :
  P = F ∙ v

• Când vectorul forță face un unghi α cu vectorul viteză avem relația:
  P = F ∙ v ∙ cosα

b) Când viteza variază în modul, puterea mecanică are expresia:
P = F ∙ v_m ∙ cosα,
unde v_m este viteza medie a mobilului.

Observații:

• O unitate de măsură folosită destul de des este calul-putere (CP). Un cal-putere reprezintă puterea dezvoltată pentru a ridica un corp cu masa de 75 de kilograme la înălțimea de un metru, în timp de o secundă: 1 CP ≈ 736 W.

• Noțiunea de putere nu este identică cu cea de forță. Când cineva afirmă că este forțos, înseamnă că el interacționează puternic cu alte corpuri, să zicem dacă lovește o ușă, o poate rupe. În schimb când o persoană este puternică, înseamnă că ea poate efectua un lucru mecanic cu o viteză mare, adică într-un timp foarte scurt. Tehnicile aeriene folosite în wrestling au rolul de a pune în evidență viteza și agilitatea atletului care le execută. Aceste manevre sunt efectuate de cele mai multe ori de wrestleri scunzi, rapizi, cu o greutate medie, care nu sunt capabili să execute majoritatea manevrelor care presupun forță brută.

🔓 Problemă rezolvată

1. Un automobil de 2 t se deplasează rectiliniu și uniform, pe orizontală, cu viteza de 90 km/h, iar forțele de frecare reprezintă 12% din greutatea automobilului.
a) Calculează puterea motorului exprimată în W și în CP.
b) Pentru o putere constantă a motorului mașinii, în ce situație atinge mașina viteza maximă?

Rezolvare:

Scriem datele problemei și transformăm în SI:
m = 2 t = 2000 kg
v = 90 km/h = 90 : 3,6 = 25 m/s = constantă
F_f = 12% din G
P =? W, CP
P = constantă, v_max =?

Calculăm greutatea automobilului:
G = m ∙ g = 2000 kg ∙ 10 N/kg = 20.000 N

Calculăm forța de frecare:

La v = constantă avem modulul forței de tracțiune egal cu modulul forței de frecare:
|F| = |F_f| = 2400 N

Scriem formula puterii și a lucrului mecanic și în loc de d/Δt punem viteza, v:

b) La P = constantă, forța de tracțiune este invers proporțională cu viteza.

Deci automobilul atinge o viteză maximă atunci când forța de tracțiune este minimă.

La urcarea unei pante forța de tracțiune trebuie să fie mare pentru a învinge componenta tangențială a greutății plus forța de frecare. Deci, în acest caz viteza mașinii trebuie să fie micșorată, poziționând schimbătorul de viteze în trepte cât mai inferioare cu cât panta este mai mare.

La coborârea unei pante forța de tracțiune trebuie să fie foarte mică pentru a învinge numai forța de frecare. Deci, în acest caz viteza mașinii poate să fie mărită, poziționând schimbătorul de viteze în trepte superioare.