الاثنين، 4 أبريل 2016

Power (physics)



Power (physics)

In physicspower is the rate of doing work. It is the amount of energy consumed per unit time. Having no direction, it is a scalar quantity. In the SI system, the unit of power is the joule per second (J/s), known as the wattin honour of James Watt, the eighteenth-century developer of the steam engine. Another common and traditional measure is horsepower (comparing to the power of a horse). Being the rate of work, the equation for power can be written:
P=\frac{W}{t}
The integral of power over time defines the work performed. Because this integral depends on the trajectory of the point of application of the force and torque, this calculation of work is said to be path dependent.
As a physical concept, power requires both a change in the physical universe and a specified time in which the change occurs. This is distinct from the concept of work, which is only measured in terms of a net change in the state of the physical universe. The same amount of work is done when carrying a load up a flight of stairs whether the person carrying it walks or runs, but more power is needed for running because the work is done in a shorter amount of time.
The output power of an electric motor is the product of the torque that the motor generates and the angular velocity of its output shaft. The power involved in moving a vehicle is the product of the traction force of the wheels and the velocity of the vehicle. The rate at which a light bulb converts electrical energy into light and heat is measured in watts—the higher the wattage, the more power, or equivalently the more electrical energy is used per unit time.[1][2]

Units[edit]

The dimension of power is energy divided by time. The SI unit of power is the watt (W), which is equal to one joule per second. Other units of power include ergs per second (erg/s), horsepower (hp), metric horsepower (Pferdestärke (PS) or cheval vapeur (CV)), andfoot-pounds per minute. One horsepower is equivalent to 33,000 foot-pounds per minute, or the power required to lift 550 pounds by one foot in one second, and is equivalent to about 746 watts. Other units include dBm, a relative logarithmic measure with 1 milliwatt as reference; food calories per hour (often referred to as kilocalories per hour); Btu per hour (Btu/h); and tons of refrigeration (12,000 Btu/h).

Simple equations for power[edit]

Power, as a function of time, is the rate at which work is done, so can be expressed by this equation:
P(t)=\frac{W}{t}
Because work is a force applied over a distance, this can be rewritten as:
P(t)=\frac{W}{t}=\frac{\bold{F}\cdot \bold{d}}{t}
And with distance per unit time being a velocity, power can likewise be understood as:
P(t) = \bold{F}\cdot \bold{v}
A term that is typically associated with the concept of power is strength. Strength is a force, so the above equation gives the relationship between power and strength. Knowing from Newton's 2nd Law that force is mass times acceleration, the expression for power can also be written as:
P(t)=m\bold{a}\cdot \bold{v}
Power will change over time as velocity changes due to acceleration. Knowing that acceleration is the time rate of change of velocity, this can then be written:
P(t)=m\bold{v}\cdot \frac{d \bold{v}}{dt}
Comparing with the equation for kinetic energy:
E_\text{k} =\tfrac{1}{2} mv^2
It can be seen from the previous equation that power is mass times a velocity term times another velocity term divided by time. This shows how power is an amount of energy consumed per unit time.

Average power[edit]

As a simple example, burning a kilogram of coal releases much more energy than does detonating a kilogram of TNT,[3] but because the TNT reaction releases energy much more quickly, it delivers far more power than the coal. If ΔW is the amount of workperformed during a period of time of duration Δt, the average power Pavg over that period is given by the formula

P_\mathrm{avg} = \frac{\Delta W}{\Delta t}\,.
It is the average amount of work done or energy converted per unit of time. The average power is often simply called "power" when the context makes it clear.
The instantaneous power is then the limiting value of the average power as the time interval Δt approaches zero.

P = \lim _{\Delta t\rightarrow 0} P_\mathrm{avg} = \lim _{\Delta t\rightarrow 0} \frac{\Delta W}{\Delta t} =  \frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}t}\,.
In the case of constant power P, the amount of work performed during a period of duration T is given by:

W = Pt\,.
In the context of energy conversion, it is more customary to use the symbol E rather than W.

Mechanical power[edit]

One metric horsepower is needed to lift 75 kilograms by 1 meter in 1 second.
Power in mechanical systems is the combination of forces and movement. In particular, power is the product of a force on an object and the object's velocity, or the product of a torque on a shaft and the shaft's angular velocity.
Mechanical power is also described as the time derivative of work. In mechanics, the work done by a force F on an object that travels along a curve C is given by the line integral:
W_C = \int_{C}\bold{F}\cdot \bold{v}\,\mathrm{d}t =\int_{C} \bold{F} \cdot \mathrm{d}\bold{x},
where x defines the path C and v is the velocity along this path.
If the force F is derivable from a potential (conservative), then applying the gradient theorem (and remembering that force is the negative of the gradient of the potential energy) yields:
W_C = U(B)-U(A),
where A and B are the beginning and end of the path along which the work was done.
The power at any point along the curve C is the time derivative
P(t) = \frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}t}=\bold{F}\cdot \bold{v}=-\frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}t}.
In one dimension, this can be simplified to:
P(t) = F\cdot v.
In rotational systems, power is the product of the torque τ and angular velocity ω,
P(t) = \boldsymbol{\tau} \cdot \boldsymbol{\omega}, \,
where ω measured in radians per second. The  \cdot  represents scalar product.
In fluid power systems such as hydraulic actuators, power is given by
 P(t) = pQ, \!
where p is pressure in pascals, or N/m2 and Q is volumetric flow rate in m3/s in SI units.

Mechanical advantage[edit]

If a mechanical system has no losses, then the input power must equal the output power. This provides a simple formula for the mechanical advantage of the system.
Let the input power to a device be a force FA acting on a point that moves with velocity vA and the output power be a force FB acts on a point that moves with velocity vB. If there are no losses in the system, then
P = F_B v_B = F_A v_A, \!
and the mechanical advantage of the system (output force per input force) is given by
 \mathrm{MA} = \frac{F_B}{F_A} = \frac{v_A}{v_B}.
The similar relationship is obtained for rotating systems, where TA and ωA are the torque and angular velocity of the input and TB and ωB are the torque and angular velocity of the output. If there are no losses in the system, then
P = T_A \omega_A = T_B \omega_B, \!
which yields the mechanical advantage
 \mathrm{MA} = \frac{T_B}{T_A} = \frac{\omega_A}{\omega_B}.
These relations are important because they define the maximum performance of a device in terms of velocity ratios determined by its physical dimensions. See for example gear ratios.

Electrical power[edit]

Ansel Adams photograph of electrical wires of the Boulder Dam Power Units
Ansel Adams photograph of electrical wires of the Boulder Dam Power Units, 1941–1942
Main article: Electric power
The instantaneous electrical power P delivered to a component is given by

P(t) = I(t) \cdot V(t) \,
where
P(t) is the instantaneous power, measured in watts (joules per second)
V(t) is the potential difference (or voltage drop) across the component, measured in volts
I(t) is the current through it, measured in amperes
If the component is a resistor with time-invariant voltage to current ratio, then:

P=I \cdot V = I^2 \cdot R = \frac{V^2}{R} \,
where

R = \frac{V}{I} \,
is the resistance, measured in ohms.

Peak power and duty cycle[edit]

In a train of identical pulses, the instantaneous power is a periodic function of time. The ratio of the pulse duration to the period is equal to the ratio of the average power to the peak power. It is also called the duty cycle (see text for definitions).
In the case of a periodic signal s(t) of period T, like a train of identical pulses, the instantaneous power p(t) = |s(t)|^2 is also a periodic function of period T. The peak power is simply defined by:

P_0 = \max [p(t)]
.
The peak power is not always readily measurable, however, and the measurement of the average power P_\mathrm{avg} is more commonly performed by an instrument. If one defines the energy per pulse as:

\epsilon_\mathrm{pulse} = \int_{0}^{T}p(t) \mathrm{d}t \,
then the average power is:

P_\mathrm{avg} = \frac{1}{T} \int_{0}^{T}p(t) \mathrm{d}t = \frac{\epsilon_\mathrm{pulse}}{T} \,
.
One may define the pulse length \tau such that P_0\tau = \epsilon_\mathrm{pulse} so that the ratios

\frac{P_\mathrm{avg}}{P_0} = \frac{\tau}{T} \,
are equal. These ratios are called the duty cycle of the pulse train.

قوة



قوة

تعرف القوة في الفيزياء على أنها مؤثر يؤثر على الأجسام فيسبب تغييرا في حالة الجسم أو اتجاهه أو موضعه أو حركته. فمثلا عندما نصدم كرة فهي تتحرك، وعندما نصدم كرة متحركة فهي تنحرف عن مسارها. القوة هي نسبة تغير الزخم (كمية الحركة) بالنسبة للزمن.
القوة هي كمية متجهة (لها مقدار واتجاه)، وتسبب في تعجيل الجسم بمقدار معين. عرف القوة أولا ارخميدس في القرن الثالث قبل الميلاد، ولكن إسحاق نيوتن علم بمبادئ القوة الرياضية في القرن 17. تقاس القوى بوحدة تسمى "نيوتن".
حسب قانون نيوتن الثاني، لمعرفة القوة تستخدم المعادلة التالية:
القوة = الكتلة × التسارع
إذا كانت لدينا كتلة (بالكيلوجرام) تؤثر عليها قوة ناتجة من جاذبية الأرض لها. وعلما بأن عجلة الجاذبية الأرضية (9.8 متر/ثانية2)، فيمكن حساب قوة التجاذب بينها والأرض:
قوة التجاذب = وزن الجسم = 9.8 × الكتلة
وتكون وحدته كيلوجراممتر /ثانية2 أو (نيوتن)
قوة التجاذب على الأرض هي أيضا ما نسميه الوزن.
في الفيزياء نفرق بين الكتلة والوزن. الكتلة تقاس بالكيلوجرام، أما الوزن فنقيسه [كيلوجرام.متر /ثانية2]. ولكننا مجازا نستخدم في حياتنا اليومية تعبير [كيلوجرام] عن الوزن، وهذا خطأ، فالوزن وحدته كيلوجرام.متر/ثانية2، أما الكتلة فهي لا تتغير، وتقاس بالكيلوجرام.
  • فمثلا: كرة من الحديد كتلتها 6 كيلوجرام فنقول عادة أن وزنها على الأرض 6 كيلوجرام.
فإذا وزنا الكرة على القمر فهي تزن 1/6 من وزنها على الأرض، ذلك لأن جاذبية القمر تبلغ نحو 1/6 من جاذبية الأرض. أما الكتلة فهي متساوية على الأرض أو القمر. ويتغير وزن جسم بحسب الكوكب الذي هو عليه: أرض، قمر، مريخ.، بحسب قوة جاذبية الكوكب. أما الكتلة فهي ثابتة لا تتغير.
وحدة القوة هي النيوتن = 1 كيلوجرام.متر /ثانية2
(2) القوة هي أيضا نسبة تغير الزخم (كمية التحرك) بالنسبة للزمن:
\vec{F} = {\mathrm{d}\vec{p} \over \mathrm{d}t} = m\vec{a}
حيث: F = القوة، p = الزخم (كميةالتحرك)، t = الزمن، m = الكتلة، a = التسارع.
و زخم حركة جسم (كمية تحركه) = كتلة الجسم x سرعته

مفهوم القوة قبل نيوتن[عدل]

في القدم كان مفهوم القوة مرتبطا بعمل الآلات البسيطة. فمن المزايا الميكانيكية للآلات البسيطة أنها تسمح بآداء نفس العمل باستخدام قوة أقل. وقد قام أرخميدس بتحليل خصائص هذه القوى واشتهر بصياغة ما يخص قوى الطفو في السوائل.
قدم أرسطو مناقشة فلسفية لمفهوم القوة. فمن وجهة نظره أن العالم الطبيعي يحتوي أربعة عناصر ويوجد لكل عنصر حالة طبيعية. وقد أعتقد بأن الحالة الطبيعة للعناصر ذات الكتلة هي أن تكون عديمة الحركة وعلى الأرض، وأنها تميل لهذه الحالة إذا تركت وشأنها. وقد فرق أرسطو بين الميل الداخلي للعناصر لإيجاد مكانها الطبيعي (مثلا سقوط الأجسام الثقيلة)، وهو ما يؤدي إلى الحركة الطبيعية، وما بين الحركة الغير طبيعية والتي تسلتزم تطبيق مستمر للقوة.

الميكانيكا النيوتونية[عدل]

امثلة لبعض القوى: قوة الجاذبية والقوة المغناطيسية.
سعى إسحاق نيوتن إلى تحقيق قانون يصف حركة جميع الأجسام استنادا إلى عطالته (القصورالذاتى) والقوى المؤثرة عليه.وقام بذلك بتطبيق قوانين الانحفاظ. وفي سنة 1687 أصدر كتابه كتاب الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية The Principia Mathematical Principles of Natural Philosophy[1]،[2]وقد شمل هذا الكتاب قوانين الحركة الثلاث، والتي ما زالت إلى اليوم تستخدم لوصف القوى المؤثرة في الفيزياء.

قانون نيوتن الأول[عدل]

ينص القانون الأول على أن الجسم الساكن يبقى ساكنا ما لم تؤثر عليه قوة تحركه، وكذلك الجسم المتحرك بسرعة ثابتة يستمر في حركته بسرعة ثابتة مالم تؤثر عليه قوة خارجية. ويأتي هذا القانون كامتداد لرؤية غاليليو غاليلي.

قانون نيوتن الثاني[عدل]

ينص على أن جسم ذو كتلة m تحت تأثير قوة F يكتسب تسارع a وفقا للقانون التالي:
\vec{F}=m\vec{a}
حيث: F = القوة، m = الكتلة، a = التسارع.
القوة \vec{F}  والتسارع:\vec{a} كميتان متجهتان ولذلك وضعنا على كل منهما سهما.أما الكتلة فهي كمية غير متجهة.
مثال على تطبيق هذا القانون نجده في رقاص (رياضيات) أو حركة توافقية بسيطة.

قانون نيوتن الثالث[عدل]

ينص على أن أي قوة تؤثر على جسم ما فإن الجسم يؤثر بقوة أخرى مساوية في المقدار للقوة الأولى ومعاكسة لها في الاتجاه.

تراكب القوى[عدل]

تحليل القوة الجاذبية  \vec{G} إلى مركبتين  \vec{F_1} والقوة  \vec{F_2}متعامدتين.
ينص مبدأ تراكب القوى على أن: إذا عملت عدة قوى \vec{F_1},\vec{F_2}, \ldots, \vec{F_n} على جسم في نفس الاتجاه، فإن القوة الناتجة(المحصلة) تساوي مجموع القوى:
\vec{F_{result}} = \vec{F_1} + \vec{F_2} + \ldots + \vec{F_n}.
أي يكون تأثير القوة \vec{F_{res}} مساويا لمجموع القوي \vec{F_1},\vec{F_2}, \ldots, \vec{F_n}.
  • وإذا كانت قوتان متساويتان (\vec{F_1} و\vec{F_2})
ومتضادتان تعملان على نقطة معينة، تكون محصلتهما مساوية للصفر. عندئذ نقول القوتان متوازنتان. F_2</math>.
وإذا عملت قوتان مختلفتان F_1 و F_2 في اتجاهين متضادين تكون محصلتهما F مساوية لحاصل طرح القوة الصغيرة من القوة الكبيرة. وتكون القوة الناتجة في اتجاه القوة الكبيرة ومقدارها هو القيمة المطلقة لحاصل الطرح:
F = |F_1 - F_2|
وإذا عملت قوتان مختلفتي الاتجاه على نقطة نحصل على قيمة واتجاه محصلتهما عن طريق رسم متوازي أضلاع القوى لهما. نرسم القوة  \vec{F_1} والقوة  \vec{F_2} بمقياس رسم ثابت بحيث يعبر طول السهم الأول عن القوة الأولى واتجاهها. ومن نقطة تأثيرهما نرسم سهما ثانيا مساويا في الطول لقيمة القوة  \vec{F_2} مع أخذ الزاوية بينهما في الاعتبار. ثم نرسم موازيا من طرف السهم الأول موازيا للقوة الثانية، ونرسم من طرف القوة الثانية موازيا للقوة الأولى. بذلك نحصل على متوازي أضلاع القوي، وفيه يمثل المحور الواصل بين نقطة تأثير القوتين والنقطة المقابلة لها على متوازي أضلاع القوي هو محصلة القوة . طول المحور هو مقدار المحصلة (بحسب مقياس الرسم) وأتجاه المحور يعطينا اتجاة المحصلة.
وإذا عملت ثلاثة قوى في نقطة فيمكن تعيين محصلتهم بسهولة: نرسم متوازي أضلاع القوي لأي اثنين من القوى أولا ونحصل على محصلتهما. ثم نرسم المحصلة التي حصلنا عليها للقوتين الأولتين مع سهم القوة الثالثة، فنحصل على محصلة الثلاثة قوى.
  • تحليل القوى:
بينما تعمل قوة الجاذبية \vec{G} إلى أسفل وتتساوى مع القوة المضادة للوح أفقي، فلا يكون الحال كذلك في حالة جسم موضوع على سطح مائل (انظر الشكل). قوة الجاذبية للكتلة \vec{G} تعمل راسيا. ويمكن تحليل هذه القوة إلى جزئين: مركبة في اتجاه العمودي على السطح F2، ومركبة F1 في اتجاه موازي للسطح المائل. إذا زادت القوة F1 عن قوة الاحتكاك بين الجسم والسطح ينزلق الجسم متسارعا على السطح ويسقط. من الواضح ان هذا يعتمد على زاوية ميل [ألفا]] السطح الموضوع عليه الجسم.
وتنطبق المعادلة الناتجة عن تحليل القوة: \vec{G}:
 \vec{F_1} + \vec{F_2} = \vec{G}
ملحوظة: القوتان تعادلان المحصلة في التأثير ولكن ليس عدديا

القوى الأساسية[عدل]

كل القوى في الكون تنتمي إلى أربعة قوى رئيسية: تآثر قوي وتآثر ضعيف وهما تؤثران على الجسيمات دون الذرية، وتربط بين البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة. هاتان القوتان تعملان على مسافات قصيرة جدا (داخل النواة الذرية). والقوة الكهرومغناطيسية التي تؤثر بين الشحنات الكهربائية، وقوة الجاذبية التي تعتمد على الكتلة وتؤثر بين الأجسام. هاتان القوتان الأخيرتين تؤثر حتى إلى مسافات كبيرة. وتقل شدتهما عكسيا مع مربع المسافة بين جسمين أو بين شحنتين.
رسم للنظام الشمسي (لا يعتمد على المقاييس الحقيقية) يظهر الشمس والكواكب.
قوة الجاذبية مألوفة لنا فهي التي تربط بين الكواكب والشمس، وتربط بين النجوم، وتشكل المجرات وعناقيد المجرات وتشكل الكون كله. وعلى الأرض نشعر بقوة الجاذبية حيث تشدنا الأرض إليها. ونحتاج إلى صواريخ قوية للصعود إلى الفضاء ومغادرة الأرض. وإذا صعدنا إلى محطة الفضاء الدولية تحتفظ الأرض بنا أيضا حيث تجعلنا ندور في مدار حولها.

الجاذبية[عدل]

أثبت جاليليو أن تسارع الجسم الساقط ثابت بغض النظر عن كتلة هذا الجسم. اليوم يسمى هذا التسارع الناتج عن الجاذبية الأرضية \vec{g} وقيمته تساوي 9.81 متر لكل ثانية مربعة (عند مستوى سطح البحر) واتجاهه يشير إلى مركز الأرض. هذا يعني أن قوة الجاذبية المؤثرة على جسم ما تتناسب طرديا مع كتلة الجسم. أي أن جسما ذو كتلة m سيخضع لقوة وفقا للعلاقة التالية:
\vec{F}=m\vec{g}