힘 Force, 일 Work, 일률 Power

힘, 일 그리고 일률은 에너지 활용 측정의 방법에서 밀접한 관계가 있다. 이번 섹션에서, 이 측정사이의 관계에 대해 설명될 것이다.

힘 Force

힘 F는 물체에 작용되는 에너지로, 반대편 힘에의해 대응되지 않는 이상, 물체의 속도 velocity 변화를 초래한다. 힘의 단위는 파운드 포스(lbf) 이다. 파운드포스는, 1 파운드의 덩어리에 작용된 것으로 32.2 ft/s²의 가속도를 만들어내는 힘이다. 이 가속 값은 등가속으로 알려져 있다.
중력가속도 32.2 ft/s²인 지구에서 1파운드의 덩어리 물체는 그것이 놓여져 있는 표면에 1 파운드의 힘을 내리누른다. Figure 1-2 A. 이 힘은 물체의 무게이다. 만일 1파운드 덩어리 물체가 달에 있다면, 달의 중력은 지구의 약 ⅙ 이다, 덩어리의 무게는 ⅙ 파운드가 될것이다.
국제표준 SI 체계에서 힘의 단위는 뉴튼 N이다. 1 뉴튼은 1킬로그램의 덩어리에 작용하는 힘으로 1 m/s² 의 비율로 덩어리를 가속시킨다. 중력에 의한 가속이 지구표면에서 9.8 m/s2 이고 뉴튼이 1 m/s²에 기반하기 때문에, 국제표준 SI 단위를 사용하는 중력힘(무게) 계산 시, 킬로그램 상에서 덩어리는 9.8 변환요소에 의해 곱해져야 된다.

중력 공식 (SI)
F (뉴튼 식) = 덩어리 무게 (kg) x 중력가속도 (m/s²)

단위등가
1 lbf = 4.45 N
1 N = 9.8 kg m/s² = 0.22 lbf

일 Work

일 W 은 힘 F에 이동거리 D를 곱한 것이다. 미국 단위로 일은 풋-파운드라고 부른다. 1 풋-파운드는 1파운드 무게를 수직으로 1피트 들어오린 일의 양이다. Figure 1-2B. 일은 어떤 경우에는 인치-파운드로 표현되기도 한다. 이런 경우 힘이 작용하는 것을 통한 거리는 인치로 측정된다.
일의 SI 단위는 주울 J로 불린다. 1 J은 1 N의 힘으로 1미터의 거리를 움직이는 일의 양이다. 일은 간단하게 뉴튼-미터 (Nm)로 측정되며 비록 이 단위가 대개의 경우 회전력 torque (회전 rotation 또는 뒤틀림? twisting)을 위해 예약되어있다고 해도 말입니다.

일 계산 공식
Work = Force x Distance

단위 등가
1 ft-lbf = 1.356 J = 1.356 Nm
1 J = 1 Nm = 0.737 ft-lb

예:
2000lb 무게를 수직으로 10’ 올리는 일을 계산하라

답:
일 = 힘 X 거리
W = 2000 lb X 10 ft
W= 20,000 ft-lb
또는, 인치-파운드 단위로 표현할 경우
W = 2000 lb X 10 ft X 12 in1 ft
W = 240,000 in-lb

예:
보트의 프로펠러가 물에서 200 N의 힘으로 보트를 앞으로 민다. 만약 보트가 10 km 운항했다면, 얼마의 일을 한것인가? (1km = 1000m)

답:
일 = 힘 x 거리
W = 200 N x 10 km x 1000m1 km
W = 200 N x 10,000 m
W = 2,000,000 Nm
일률 Power

일률은 일이 행해진 비율이다. 일이 일어난 시간으로 전체 행해진 일의 양을 나누는 것이다. 기계일율의 US 관습 단위는 마력 horsepower 이다. 1 HP는 1초당 550 풋파운의 일과 동일하다. Figure 1-2 C. 일률의 SI단위는 와트 watt W이다. 1 watt는 1N의 힘으로 1초에 1미터의 거리를 움직일때의 일률이다. 기계적 일률을 측정할 때 SI 단위는 대개 킬로와트를 이다. 1킬로와트는 1000와트이다.

일률계산 공식
Power = workTime

단위 등가
1hp = 550 ft-lb/s = 764 watts = 0.75 kw
1kW = 1000 watts = 1000 J/s
= 1000 Nm/s = 1.33 hp

예:
2000 lb 파운드의 무게를 10 ‘ 피트으로 올리는데 2분 걸렸다. 얼마의 일률이 필요한가?

답:
일은 20,000 ft-lb (2000lb x 10’). 일률을 계산하기 위해서, 시간은 2분 = 120초 라고 나와있다
Power = workTime
P = 20,000 ft-lb120s
P = 166.7 ft-lb/s

마력으로 변환
P = 166.7 ft-lb/s x 1hp550 ft-lb/s
P = 0.3 hp

예:
100 킬로그램의 덩어리를 시간당 10 미터 들어올리는데 얼마의 일률이 요구되는가?
답:
일률을 계산하기 전에 처음에 힘, 일 그리고 시간의 값을 결정한다. 앞에서 언급된것과 같이 SI 단위에서 중력힘을 결정하기 위해서 무게의 중력가속도 acceleration due to gravity (9.8 m/s²)를 곱한다.

힘 계산 (SI)
요구되는 힘은 980 N이다. 일을 계산하기 위해, 힘에 거리를 곱한다. 일은 9800 Nm (980 F = 무게 mass x 중력가속도
F = 100 kg x 9.8 m/s²
F = 980 N

N x 10 m). 결과적으로 일률을 계산하기 위해, 일을 시간의 양으로 나눈다. 초당 = 1초

일률 = 일시간
P = 9800 Nm1s
P = 9800 Nm/s9800 J/s
= 9800 W = 9.8 kW
에너지, 힘, 일 그리고 일률

역도는 weightlifting 는 에너지, 힘, 일 그리고 일률의 관계를 기억하는데에 좋은 비유 analogy를 제공한다. 에너지는 역도선수가 바벨로 다가가면서 느끼는 힘(기운) strength이다. 역도선수가 바벨을 들어올리기 위해 에너지를 사용할때 그는 힘 force 을 가하게 된다. 머리위로 바벨을 위로 들어 올릴때 그는 일을 수행한 것이다. 역도선수의 일률은 측정되어진다. 그가 들어올린 무게와 그가 머리위로 들어올릴 수 있는 속도에 의해 측정되어진다.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s