Võimsus füüsikas: töö ja energia ülekande kiirus, mõõdetud vattides (W)

Füüsikas on võimsus (sümbol: P) suurus, mis kirjeldab, kui kiiresti toimub töö või energia ülekandmine ühelt kehalt teisele või ühelt süsteemiosalt teisele. Rahvusvahelises SI-mõõtmissüsteemis väljendatakse võimsust vattides (tähis: W), mis on energia ülekande hulgast ajaühikus.

Põhivalem ja tähendused

Võimsus on töö või energia muutumise kiirus. Keskmine võimsus antud ajavahemikul arvutatakse valemist:

P = W t {\displaystyle P={\frac {W}{t}}}

kus

P on võimsus,

W on töö ja

t on aeg.

SI-ühikute mõttes kehtib, et 1 vatt (1 W) = 1 džaul sekundis (1 J/s). Näiteks 60 W hõõglamp muundab ligikaudu 60 džauli energiat sekundis valguseks ja soojuseks.

Seos jõu ja kiirusega

Kui töö tehakse konstantse jõuga F, mis liigub keha kaugusele s, siis töö on W = F · s. Jagades töö aja t-ga saame:

P = F · v

kus v = s/t on liikumise kiirus. See näitab, et võimsus võrdub jõu ja liikumiskiiruse korrutisega, juhul kui jõud on suunatud liikumise suunas. Täpsemalt, vektorilise jõu ja kiiruse puhul kasutatakse skalaarset skalaari: P = F · v (punktkorrutis), mis võtab arvesse nurga jõu ja kiiruse vahel.

Hetkeline ja keskmine võimsus

Keskmine võimsus üle ajavahemiku Δt on ΔW/Δt, kuid kui energiaülekande kiirus muutub ajas, kasutatakse hetkeseisundi ehk instantse võimsuse kirjeldamiseks derivaati:

P(t) = dW/dt

See võimaldab määrata, kui kiiresti energia antud hetkel voolab või muudetakse.

Mõned olulised näited ja valdkonnad

• Mehaaniline: tõstes raskust vertikaalselt, määrab võimsuse vajaduse tõstmise kiirus — sama töö kiire sooritamine nõuab suuremat võimsust.
• Autod ja mootorid: mootori võimsus kirjeldab, kui kiiresti mootor suudab teha tööd ja seega kui kiiresti sõiduk võib kiirendada või hoida kiirust kalle tõustes.
• Elektrienergia: voolu ja pinge korrutis annab elektri võimsuse (alalisvoolu puhul) — P = V · I. Vahelduvvoolu puhul tuleb arvestada faasiga ja kasutada reaalvõimsuse leidmiseks tegurit cos φ: P = V · I · cos φ.
• Päikese- ja soojussüsteemid: võimsus näitab, kui palju energiat päikeseelement või küttesüsteem ajaühikus suudab toota või edastada.

Rotatsiooniline võimsus ja ühikud

Pöörlevates süsteemides on võimsus seotud pöördemomendi τ ja nurkkiirusega ω kaudu:

P = τ · ω

Ühikud ja ühikute suurusjärk: 1 W = 1 J/s, 1 kW = 1000 W. Hobujõu (horsepower) ja vattide vahel on sagedasti kasutatav ligikaudne teisendus 1 hp ≈ 746 W (täpseid teisendusi on erinevaid, sõltuvalt definitsioonist).

Mõõtmine ja tähendus igapäevaelus

Võimsust mõõdetakse mitmesuguste instrumentidega: elektrivõimsuse puhul voolutugevuse ja pingemõõturitega või otse kWh-arvestitega; mehaanilise võimsuse mõõtmiseks kasutatakse võimsusülekande andureid, dynamomeetreid jms. Võimsus aitab kavandada masinaid ja süsteeme nii, et need suudaksid vajalikus tempos energiat toota või tarbida ning et energiavarud oleksid piisavad praktilise töö tegemiseks.

Lõppkokkuvõttes on võimsus oluline suurus, mis ühendab energia ja aja: see näitab mitte ainult kui palju energiat kasutatakse või toodetakse, vaid ka kui kiiresti see toimub, mis on võtmetähtsusega nii teaduses kui ka tehnilistes rakendustes.

Küsimused ja vastused

K: Mis on füüsikas energia?

K: Kuidas mõõdetakse võimsust?

K: Mis juhtub, kui rasket raskust tõstetakse kiiresti võrreldes aeglaselt?

K: Kuidas saame arvutada jõudu?

K: Kas võimsust saab arvutada ka muul viisil?

Otsing