Lucrul mecanic, puterea si randamentul

Lucrul mecanic este o marime fizica ce masoara efectul unei forte asupra unui corp atunci cand acesta se deplaseaza. Se calculeaza ca produsul dintre forta aplicata si deplasarea facuta de corp in directia fortei. Formula este: L = F · d · cos α, unde F este forta constanta (in Newtoni), d este distanta parcursa (in metri), iar α este unghiul dintre directia fortei si directia deplasarii.

Daca forta actioneaza in aceeasi directie cu deplasarea (α = 0°), cos α = 1, deci L = F · d. Daca forta este perpendiculara pe deplasare (α = 90°), cos α = 0, deci lucrul mecanic este nul. Unitatea de masura in Sistemul International este Joule (J).

Un Joule este lucrul mecanic efectuat de o forta de 1 N care deplaseaza un corp pe distanta de 1 m in directia sa. Puterea reprezinta viteza cu care se efectueaza un lucru mecanic, adica lucrul mecanic efectuat in unitatea de timp. Formula puterii este: P = L / t, unde L este lucrul mecanic (in Jouli), iar t este timpul (in secunde).

Unitatea de masura a puterii este Watt (W); 1 W = 1 J/s. O putere mai mare inseamna ca acelasi lucru se face intr-un timp mai scurt. Randamentul (notat cu litera greceasca η - eta) este o masura a eficientei unui utilaj sau a unui proces.

Se defineste ca raportul dintre lucrul mecanic util (L_util) si lucrul mecanic consumat (L_consumat) sau, alternativ, raportul dintre puterea utila si puterea consumata. Formula: η = (L_util / L_consumat) · 100% sau η = (P_utila / P_consumata) · 100%. Randamentul este intotdeauna subunitar (mai mic decat 100%) din cauza pierderilor prin frecare, caldura, zgomot etc.

De exemplu, un motor electric transforma energia electrica in energie mecanica, dar o parte se pierde sub forma de caldura. Intelegerea acestor trei concepte este fundamentala pentru studierea masinilor si a proceselor energetice.

Exemple

• Exemplul 1: Un copil trage o sanie cu o forta de 50 N pe o distanta de 10 m, in aceeasi directie cu deplasarea. Sa se calculeze lucrul mecanic efectuat. Rezolvare: F = 50 N, d = 10 m, α = 0°, deci cos 0° = 1. L = F · d · cos α = 50 N · 10 m · 1 = 500 J. Asadar, copilul efectueaza un lucru mecanic de 500 Jouli.
• Exemplul 2: Un muncitor ridica o greutate de 200 N la o inaltime de 2 m, in 4 secunde. Care este puterea dezvoltata? Rezolvare: Forta este egala cu greutatea (F = G = 200 N), deplasarea verticala d = 2 m, α = 0°. L = 200 N · 2 m = 400 J. Puterea P = L / t = 400 J / 4 s = 100 W. Deci puterea muncitorului este de 100 Wati.
• Exemplul 3: Un motor electric consuma un lucru mecanic de 2000 J pentru a ridica un lift, dar numai 1600 J sunt folositi efectiv pentru a urca liftul. Care este randamentul motorului? Rezolvare: L_util = 1600 J, L_consumat = 2000 J. η = (1600 J / 2000 J) · 100% = 0.8 · 100% = 80%. Motorul are un randament de 80%, restul de 20% pierzandu-se prin frecari si caldura.

Concepte cheie: Lucrul mecanic (L) = F · d · cos α, masurat in Jouli (J), Puterea (P) = L / t, masurata in Wati (W), Randamentul (η) = (L_util / L_consumat) · 100%, intotdeauna sub 100%