POTÊNCIA MECÂNICA: O QUE É, APLICAÇÕES, EXEMPLOS - FISICA - 2024

A potência mecânica é a taxa na qual o trabalho, que é expresso matematicamente pela quantidade de trabalho realizado por unidade de tempo, é executado. E, como o trabalho é feito às custas da energia absorvida, também pode ser expresso como energia por unidade de tempo.

Chamando P para poder, W para trabalhar, E para energia e t para tempo, tudo acima pode ser resumido em expressões matemáticas fáceis de usar:

Figura 1. O Gossamer Albatross, a 'bicicleta voadora', cruzou o Canal da Mancha no final dos anos 1970, usando apenas a força humana. Fonte: Wikimedia Commons. Gossamer Albatross. Guroadrunner na Wikipedia em inglês

O bem:

Recebeu o nome em homenagem ao engenheiro escocês James Watt (1736-1819), conhecido por criar a máquina a vapor do condensador, invenção que deu início à Revolução Industrial.

Outras unidades de energia que são usadas nas indústrias são o hp (cavalos de potência ou cavalos de potência) e o CV (cavalos de força). A origem dessas unidades também remonta a James Watt e à Revolução Industrial, quando o padrão de medida era a taxa de trabalho de um cavalo.

Tanto hp quanto CV são aproximadamente iguais a ¾ quilo-W e ainda são amplamente usados, especialmente em engenharia mecânica, por exemplo, na designação de motores.

Múltiplos de watt, como o supracitado quilo-W = 1000 W, também são freqüentemente usados ​​na energia elétrica. Isso ocorre porque o joule é uma unidade relativamente pequena de energia. O sistema britânico usa libra-pés / segundo.

Em que consiste e aplicações na indústria e energia

O conceito de potência é aplicável a todos os tipos de energia, seja ela mecânica, elétrica, química, eólica, sônica ou de qualquer tipo. O tempo é muito importante na indústria, porque os processos devem ser executados o mais rápido possível.

Qualquer motor fará o trabalho necessário desde que tenha tempo suficiente, mas o importante é fazê-lo no menor tempo possível, para aumentar a eficiência.

Uma aplicação muito simples é imediatamente descrita para esclarecer bem a distinção entre trabalho e poder.

Suponha que um objeto pesado seja puxado por uma corda. Para fazer isso, um agente externo é necessário para fazer o trabalho necessário. Digamos que esse agente transfere 90 J de energia para o sistema objeto-corda, de forma que ele seja colocado em movimento por 10 segundos.

Nesse caso, a taxa de transferência de energia é 90 J / 10 s ou 9 J / s. Então podemos afirmar que esse agente, uma pessoa ou um motor, tem uma potência de saída de 9 W.

Se outro agente externo for capaz de realizar o mesmo deslocamento, seja em menos tempo ou transferindo menos energia, então ele é capaz de desenvolver maior potência.

Outro exemplo: suponha uma transferência de energia de 90 J, que consegue colocar o sistema em movimento por 4 segundos. A potência de saída será de 22,5 W.

Desempenho de uma máquina

O poder está intimamente relacionado ao desempenho. A energia fornecida a uma máquina nunca se transforma completamente em trabalho útil. Uma parte importante geralmente é dissipada em calor, que depende de muitos fatores, por exemplo, o design da máquina.

Por isso é importante conhecer o desempenho das máquinas, que é definido como o quociente entre o trabalho entregue e a energia fornecida:

Onde a letra grega η denota o rendimento, uma quantidade adimensional que é sempre menor que 1. Se também for multiplicada por 100, temos o rendimento em termos percentuais.

Exemplos

- Humanos e animais desenvolvem força durante a locomoção. Por exemplo, subir escadas requer trabalho contra a gravidade. Comparando duas pessoas subindo uma escada, aquela que sobe todos os degraus primeiro terá desenvolvido mais força do que a outra, mas ambas fizeram o mesmo trabalho.

- Eletrodomésticos e máquinas têm sua potência de saída especificada. Uma lâmpada incandescente adequada para iluminar bem um ambiente tem uma potência de 100 W. Isso significa que a lâmpada transforma a energia elétrica em luz e calor (a maior parte) a uma taxa de 100 J / s.

- O motor de um cortador de grama pode consumir cerca de 250 W e o de um carro da ordem de 70 kW.

- Uma bomba d'água caseira geralmente fornece 0,5 CV.

- O sol gera 3,6 x 10 ²⁶ W de potência.

Potência e velocidade

A potência instantânea é obtida tomando um tempo infinitesimal: P = dW / dt. A força que produz o trabalho causando o pequeno deslocamento infinitesimal d x é F (ambos são vetores), portanto dW = F d x. Substituindo tudo na expressão pelo poder, resta:

Poder humano

As pessoas são capazes de gerar energia em torno de 1500 W ou 2 cavalos de potência, pelo menos por um curto período de tempo, como levantar pesos.

Em média, a potência diária (8 horas) é de 0,1 HP por pessoa. Muito do que é traduzido em calor, aproximadamente a mesma quantidade gerada por uma lâmpada incandescente de 75W.

Um atleta em treinamento pode gerar em média 0,5 cv equivalente a 350 J / s aproximadamente, ao transformar energia química (glicose e gordura) em energia mecânica.

Figura 2. Um atleta desenvolve uma potência média de 2 hp. Fonte: Pixabay.

Quando se trata de energia humana, geralmente é preferível medir em quilo-calorias / hora, em vez de watts. A equivalência necessária é:

Uma potência de 0,5 HP soa como uma quantidade muito pequena e é para muitas aplicações.

No entanto, em 1979, foi criada uma bicicleta movida a energia humana que podia voar. Paul MacCready projetou o Gossamer Albatross, que cruzou o Canal da Mancha gerando 190 W de saída média (Figura 1).

Distribuição de energia elétrica

Uma aplicação importante é a distribuição de energia elétrica entre os usuários. As empresas que fornecem eletricidade faturam pela energia consumida, não pela taxa em que ela é consumida. É por isso que quem ler sua conta com atenção encontrará uma unidade muito específica: o quilowatt-hora ou kW-h.

No entanto, quando o nome Watt é incluído nesta unidade, ele se refere à energia e não à potência.

O quilowatt-hora é usado para indicar o consumo de energia elétrica, já que o joule, como citado antes, é uma unidade bastante pequena: 1 watt-hora ou Wh é o trabalho realizado em 1 hora por uma potência de 1 watt.

Portanto, 1 kW-h é o trabalho que é feito em uma hora trabalhando com uma potência de 1 kW ou 1000 W. Vamos colocar os números para converter esses valores em joules:

Estima-se que uma família consome cerca de 200 kW-hora por mês.

Exercícios

Exercício 1

Um agricultor usa um trator para puxar um fardo de feno M = 150 kg em uma inclinação de 15 ° e trazê-lo para o celeiro a uma velocidade constante de 5,0 km / h. O coeficiente de atrito cinético entre o fardo de feno e a rampa é de 0,45. Encontre a potência de saída do trator.

Solução

Para este problema, você precisa desenhar um diagrama de corpo livre para o fardo de feno que sobe na inclinação. Seja F a força aplicada pelo trator para levantar o fardo, α = 15º é o ângulo de inclinação.

Além disso, a força de atrito cinético f _atrito que se opõe ao movimento está envolvido, além do normal de N e o peso W (não confundir a W do peso com que o trabalho).

Figura 3. Diagrama de corpo isolado de fardo de feno. Fonte: F. Zapata.

A segunda lei de Newton oferece as seguintes equações:

Velocidade e força têm a mesma direção e sentido, portanto:

É necessário transformar as unidades da velocidade:

Substituindo valores, finalmente obtemos:

Exercício 2

O motor mostrado na figura levantará o bloco de 2 kg, partindo do repouso, com uma aceleração de 2 m / s ² e em 2 segundos.

Figura 4. Um motor eleva um objeto a uma certa altura, para a qual é necessário trabalhar e desenvolver força. Fonte: F. Zapata.

Calcular:

a) A altura atingida pelo bloco naquele tempo.

b) A potência que o motor deve desenvolver para conseguir isso.

Solução

a) É um movimento retilíneo uniformemente variado, portanto, serão utilizadas as equações correspondentes, com velocidade inicial 0. A altura atingida é dada por:

b) Para encontrar a potência desenvolvida pelo motor, pode-se usar a equação:

E como a força que é exercida sobre o bloco é através da tensão na corda, que é de magnitude constante:

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

Referências

1. Figueroa, D. (2005). Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 2. Dynamics. Editado por Douglas Figueroa (USB).
2. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
3. Bibliografia de física. Poder. Recuperado de: phys.libretexts.org
4. O livro de hipertexto de física. Poder. Recuperado de: physics.info.
5. Trabalho, energia e potência. Obtido em: ncert.nic.in