力、功、力矩和能量-在線瀏覽
2024-08-06 20:57本頁面
【正文】 不動。汽車后輪抓舉地面，產(chǎn)生水平力驅(qū)動汽車前進，汽車平穩(wěn)行駛時，后輪動力驅(qū)使汽車加速，但汽車會抵抗這種加速度，其力的大小等于汽車的質(zhì)量乘以加速度。當(dāng)汽車行駛起來后，空氣產(chǎn)生阻力，隨著車速的增加而變大，方向與輪胎驅(qū)動力方向相反，從而抵消動力減小汽車的加速度。 力矩是一種旋轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)物體的力。擰緊車輪上的四方螺帽就是一個典型的例子。這個力會在四方螺帽上產(chǎn)生一個力矩，進而推動螺帽旋轉(zhuǎn)。請注意，力矩單位由距離和力兩個部分組成。在四方螺帽的例子中，如果扳手有20厘米長，那么當(dāng)您施加100牛頓的力時，將產(chǎn)生20牛頓米的力矩。 汽車發(fā)動機通過生成力矩來旋轉(zhuǎn)曲軸。下面讓我們來詳細分析發(fā)動機中某些零件的受力情況： 圖2. 一個四沖程發(fā)動機的汽缸中是如何產(chǎn)生力矩的 汽缸中的氣體燃燒會對活塞產(chǎn)生一個壓力。隨后，該壓力會由活塞轉(zhuǎn)移給連桿，并經(jīng)連桿傳輸至曲軸。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時，這兩點之間的水平距離會發(fā)生變化，由于力矩等于力乘以距離，因此力矩也將隨之改變。從圖2 可以看出，當(dāng)活塞位于沖程的頂部時，連桿正指向下方曲軸的中心。 如果您曾試著在汽車上松開擰死的方形螺帽，那么您一 定知道要生成較大的力矩，最好水平扣住扳手，然后踩在扳手的末端——這樣，您是在等于扳手長度的距離上施加您全身的重量。其效果就相當(dāng)于您直接踩在方形螺帽上一樣。 力矩常見單位國際單位制：牛頓米 (Nm)1牛頓米= 英制單位：磅英寸 (lbin)1磅英寸=磅英尺 (lbft)1磅英尺=圖3顯示了由兩個不同發(fā)動機生成的最大力矩和功率。此發(fā)動機重約900千克，排量為12升。二者的最大功率都能達到約30馬力(hp)，但只有前者適于牽引重型卡車。 當(dāng)動畫暫停后，您會看到卡特彼勒發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為1200 轉(zhuǎn)/分（rpm）時生成了2237牛頓米的力矩，此時功率為377馬力。如果您讀過關(guān)于齒輪比的文章，您可能正在思考如何讓眼鏡蛇發(fā)動機也生成2237牛頓米的力矩。 現(xiàn)在您可能會想，為什么大型卡車不使用小型燃氣發(fā)動機代替大型柴油發(fā)動機呢？在上面的示例中，大型卡特彼勒發(fā)動機只需將轉(zhuǎn)速保持在1200轉(zhuǎn)/分即可產(chǎn)生377馬力的功率。而若要產(chǎn)生同樣的功率，小型燃氣發(fā)動機就需要急速運轉(zhuǎn)到5600轉(zhuǎn)/分。而大型卡車發(fā)動機則可以使用多年，每年行駛幾十萬公里不成問題。需要注意的是，這里的距離僅指沿力的方向通過的距離。其中，力的大小等于物體的重量，距離則等于架子的高度。在這種情況下，您做的功就像重物直接位于架子下方時一樣。 同樣，您的汽車也會做功。當(dāng)汽車攀爬山坡時，它所做的功與您提起重物時所做功的性質(zhì)相同。因為山坡有助于汽車向下行駛。當(dāng)您在做功時，實際上是在消耗能量。當(dāng)汽車爬坡時，它所做的功又可幫助它返回地平面。功的單位與能量的單位相同，稍后我們將詳細討論。通過杠桿，您也許能夠產(chǎn)生200英尺磅的力矩。 在國際單位制中，功率的單位是瓦特(W)。1瓦特等于1牛頓米/秒(Nm/s)。理解功率的另一種方法是將其視為轉(zhuǎn)速單位(m/s)與力的單位(N)的組合。 若要計算您可以輸出多大的功率，一個有趣的方法是看您能以多快的速度爬上一段樓梯。 2. 以最快的速度爬完
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