Poder (física) - Power (physics)
Poder | |
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Símbolos comuns |
P |
Unidade SI | watt (W) |
Em unidades de base SI | kg ⋅ m 2 ⋅ s −3 |
Derivações de outras quantidades |
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Dimensão |
Parte de uma série sobre |
Mecânica clássica |
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Em física, potência é a quantidade de energia transferida ou convertida por unidade de tempo. No Sistema Internacional de Unidades , a unidade de potência é o watt , igual a um joule por segundo. Em obras mais antigas, o poder às vezes é chamado de atividade . O poder é uma quantidade escalar .
A potência está relacionada a outras quantidades, por exemplo, a potência envolvida no movimento de um veículo terrestre é o produto da força de tração nas rodas e a velocidade do veículo. A potência de saída de um motor é o produto do torque que o motor gera e a velocidade angular de seu eixo de saída. Da mesma forma, a potência dissipada em um elemento elétrico de um circuito é o produto da corrente que flui através do elemento e da tensão que atravessa o elemento.
Definição
Potência é a taxa em relação ao tempo em que o trabalho é realizado; é o tempo derivado do trabalho:
onde P é potência, W é trabalho e t é tempo.
Se uma força constante F é aplicada ao longo de uma distância x , o trabalho realizado é definido como . Neste caso, o poder pode ser escrito como:
Se, em vez disso, a força é variável ao longo de uma curva tridimensional C, então o trabalho é expresso em termos da integral de linha:
Do teorema fundamental do cálculo , sabemos disso . Portanto, a fórmula é válida para qualquer situação geral.
Unidades
A dimensão do poder é a energia dividida pelo tempo. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de potência é o watt (W), que é igual a um joule por segundo. Outras medidas comuns e tradicionais são a potência (HP), comparada à potência de um cavalo; um cavalo-vapor mecânico equivale a cerca de 745,7 watts. Outras unidades de energia incluem ergs por segundo (erg / s), libras-pé por minuto, dBm , uma medida logarítmica relativa a uma referência de 1 miliwatt, calorias por hora, BTU por hora (BTU / h) e toneladas de refrigeração .
Potencia média
Como um exemplo simples, queimar um quilo de carvão libera muito mais energia do que detonar um quilo de TNT , mas como a reação TNT libera energia muito mais rapidamente, ela fornece muito mais potência do que o carvão. Se Δ W é a quantidade de trabalho realizado durante um período de tempo de duração Δ t , a potência média P avg durante esse período é dada pela fórmula:
É a quantidade média de trabalho realizado ou energia convertida por unidade de tempo. A potência média costuma ser simplesmente chamada de "potência" quando o contexto deixa isso claro.
A potência instantânea é então o valor limite da potência média à medida que o intervalo de tempo Δ t se aproxima de zero.
No caso de potência constante P , a quantidade de trabalho realizado durante um período de duração t é dada por:
No contexto da conversão de energia, é mais habitual usar o símbolo E em vez de W .
Poder mecânico
O poder em sistemas mecânicos é a combinação de forças e movimento. Em particular, a potência é o produto de uma força em um objeto e a velocidade do objeto, ou o produto de um torque em uma haste e a velocidade angular da haste.
A potência mecânica também é descrita como o tempo derivado do trabalho. Em mecânica , o trabalho realizado por uma força F sobre um objeto que viaja ao longo de uma curva C é dado pela integral de linha :
onde x define o caminho C e v é a velocidade ao longo desse caminho.
Se a força F é derivável de um potencial ( conservador ), então a aplicação do teorema do gradiente (e lembrando que a força é o negativo do gradiente da energia potencial) resulta:
onde A e B são o início e o fim do caminho ao longo do qual o trabalho foi feito.
A potência em qualquer ponto ao longo da curva C é a derivada do tempo:
Em uma dimensão, isso pode ser simplificado para:
Em sistemas rotacionais, a potência é o produto do torque τ e da velocidade angular ω ,
onde ω medido em radianos por segundo. O representa o produto escalar .
Em sistemas de energia fluida, como atuadores hidráulicos, a energia é fornecida por
onde p é a pressão em pascais , ou N / m 2 e Q é a vazão volumétrica em m 3 / s em unidades SI.
Vantagem mecânica
Se um sistema mecânico não tem perdas, a potência de entrada deve ser igual à potência de saída. Isso fornece uma fórmula simples para a vantagem mecânica do sistema.
Deixe que a potência de entrada para um dispositivo ser uma força F Um agindo sobre um ponto que se move com velocidade v Uma e a potência de saída ser uma força F B actua sobre um ponto que se move com velocidade v B . Se não houver perdas no sistema, então
e a vantagem mecânica do sistema (força de saída por força de entrada) é dada por
A relação semelhante é obtida para sistemas rotativos, onde T A e ω A são o torque e a velocidade angular da entrada e T B e ω B são o torque e a velocidade angular da saída. Se não houver perdas no sistema, então
o que produz a vantagem mecânica
Essas relações são importantes porque definem o desempenho máximo de um dispositivo em termos de relações de velocidade determinadas por suas dimensões físicas. Veja, por exemplo , relações de engrenagem .
Energia elétrica
A potência elétrica instantânea P fornecida a um componente é dada por
Onde
- é a potência instantânea, medida em watts ( joules por segundo )
- é a diferença de potencial (ou queda de tensão) através do componente, medida em volts
- é a corrente através dele, medida em amperes
Se o componente for um resistor com relação entre tensão e corrente invariante no tempo , então:
Onde
é a resistência , medida em ohms .
Potência de pico e ciclo de trabalho
No caso de um sinal periódico de período , como um trem de pulsos idênticos, a potência instantânea também é uma função periódica de período . O pico de potência é simplesmente definido por:
A potência de pico nem sempre é facilmente mensurável, entretanto, e a medição da potência média é mais comumente realizada por um instrumento. Se definirmos a energia por pulso como:
então a potência média é:
Pode-se definir a duração do impulso de tal modo que assim que as proporções
são iguais. Essas relações são chamadas de ciclo de trabalho do trem de pulso.
Poder radiante
O poder está relacionado à intensidade em um raio ; a energia emitida por uma fonte pode ser escrita como:
Veja também
- Máquinas simples
- Ordens de magnitude (potência)
- Força pulsada
- Intensidade - no sentido radiativo, potência por área
- Ganho de potência - para redes lineares de duas portas
- Densidade de potência
- Sinal de força
- Potência do som