Fysiken i mekaniska, pneumatiska, hyrauliska och elektriska system

Från Wikiskola
Hoppa till navigering Hoppa till sök

Mekanik

Vridmoment (Kraftmoment)

Friktion

Krafter vid friktion.
Krafter vid friktion.

Friktion uppstår på makronivå och på mikronivå. Dels är det små ojämnheter som griper in i varandra och dels är det elektriska krafter mellan atomer och molekyler. När kontaktytorna rör sig relativt varandra, omvandlar friktionen rörelseenergi till värme.

Läs mer: Läs mer om friktion på Wikipedia. Där finns bland annat en tabell med ungefärliga friktionstal för olika materialkombinationer.


Friktionskraft

F = μ * FN
där F är friktionskraften, μ är friktionskoefficienten och N är Normalkraften.

Tryck

Konvertera till SI-enheter

Som i all fysik är det nödvändigt att göra om de värden du får till SI-enheter innan du sätter in dem i formler och gör beräkningar. När du arbetar med tryck är det extra viktigt.

Antag att du behöver konvertera 24 dm3 till m3. Hur gör du då?

Det är enkelt om du använder Wolfram Alpha. Skriv till exempel 1 dm^3 i inmatningsrutan så får du se.

Eller pröva att göra om 740 mmHg till bar.

Tryck mellan fasta kroppar

p = F / A
 
där p är trycket i N/m2 = pascal, Pa
F är kraften, ofta mg. Kraften anges i Newton, N.
A är arean i m2

Tryckenheter

Omvandling av tryckenheter

Tabellen kommer från Wikipedia.

Omvandlingstabell för tryckenheter
Enhet Motsvarighet i kPa Motsvarighet i bar Motsvarighet i PSI Motsvarighet i mmHg Motsvarighet i mmVp Motsvarighet i mVp Motsvarighet i atm
bar 100 1 14,5 750,06 10190 10,19 0,99
PSI 6,89 0,069 1 51,71 703 0,70 0,068
mmHg 0,13 0,0013 0,019 1 13,59 0,01359 0,0013
mmVp 0,0098 98·10−6 0,0014 0,074 1 0,001 97·10−6
mVp 9,81 0,098 1,42 73,56 1000 1 0,097
atm 101,325 1,01325 14,70 760 10 330 10,33 1




Pascals princip - kraftförstärkning

Trycket i någon del av vätskan överförs till alla delar av vätskan.

(P1) = (P2)

(F1)/(A1) = (F2)/(A2)
CC By
CC By
Load video
YouTube

Den övre/vänstra filmen innehåller ett fel, vilket? Den högtra är bra men använcder ovanliga enheter. Var används dessa?

Diskussionsuppgift

Hydraylic disc brake diagram

Figuren visar ett bromssystem men en pistong (1) vid bromspedalen och en pistong (2) vid bromsskivan. Pistong 1 är grövre än tvåan. Vilka av följande påstående stämmer?

  1. p1 = P2
  2. A1 = A2
  3. F p1 = F2
  4. Det här systemet fungerar som en hävarm och visar mekanikens gyllene regel. Det man vinner i kraft förlorar man i väg.
  5. Detta är Pascals princip.

Lufttryck

Torricelli tog ett två meter långt glasrör som han fyllde med kvicksilver och vände upp och ner i en skål. Det bildades en 76 cm hög pelare av kvicksilver i röreet. Det är lufttrycket som trycker upp kvicksilvret. CC Wikipedia.

NoK Heureka Fysik 1: Läs i boken sidan 55-56.


På 1600-talet försökte man pumpa vatten ur gruvor. Man märkte att man bara kunde pumpa 10 m högt.

Normalt tryck vid havsytan 

p0 = 101.3 kPa

Totala trycket i en vätska

Totala trycket i en vätska är summan av lufttrycket och vätsketrycket. 

p = p0 + ρ g h

där p0 är lufttrycket mot vätskeytan
ρ är vätskans densitet
g är tyngdaccelerationen
h är djupet i vätskan
En gammal aneroidbarometer
En gammal aneroidbarometer
Ritning av aneroidbarometer.
Ritning av aneroidbarometer.

Det förekommer två typer av barometrar:

  1. aneroidbarometer som mäter det absoluta trycket, till exempel lufttrycket i relation till vakuum.
  2. manometern som mäter en tryckskillnad mellan två utrymmen, till exempel övertrycket i ett pumpat bildäck.


Läs om barometern.

Load video
YouTube
Load video
YouTube

Detta är två filmer som visar på kul effekter av undertryck.

Elektricitet

Resistans

Detta avsnitt och efterföljande hör i Heureka till kapitel 8 - Elektriska kretsar.

Resistansen talar om hur bra en ledare är. Bra ledare har låg resistans.

Resistansen i en ledare beror på materialet. Här finns en bra tabell över någtra ledares resistans.

En lång ledare är sämre än en kort.

En tjock ledare är bättre än en tunn.

Resistans, R

[math]\displaystyle{ R = \rho \frac{l}{A} }[/math]

där [math]\displaystyle{ \rho }[/math] är en materialkonstant, resistiviteten och [math]\displaystyle{ l }[/math] är ledarens längd och [math]\displaystyle{ A }[/math] dess tvärsnittsarea

Resistansen i en ledare är temperaturberoende

Mätningar av ström när spänningen varieras över en 20 W, 12 V glödlampa.
Mätningar av ström när spänningen varieras över en 20 W, 12 V glödlampa.

Resistansen ökar med ökande temperatur.

Grafen till höger visar hur strömmen ökar då spänningen ökas över en 20 W, 12 V glödlampa.

Mätresultaten finns i sin helhet här: Resistansen i en lampas glödtråd

Uppgift
bestäm hur varm lampan blev

Läs om temperaturkoefficienten och gör en uppskattning hur varm glödtråden blev i vårt försök.

http://sv.wikipedia.org/wiki/Temperaturkoefficient


Laboration - Temperaturen i en tråd

Ohms lag

Efter att vi nu har definierat storheterna ström, spänning och resistans kan vi ställa upp en ekvation för relationen mellan de tre storheterna. Detta förhållande kallas för Ohms lag.

Spänningen är lika med strömmen multiplicerat med resistansen. Resistans gånger ström lika med spänning.

Då gäller även att spänning delat med ström är lika med resistans.

Och att spänning delat med resistans är lika med ström.

Man kan skriva Ohms lag som i figuren till vänster. U=R*I. U står för spänningen. R är resistansen och I är strömmen.

Ohms lag

[math]\displaystyle{ U = R I }[/math]


Wikipedia skriver om Ohms_lag

Effekt

Effekt

[math]\displaystyle{ P = U I }[/math]

där U är spänningen och I är strömmen

Kombinerar man med Ohms lag så gäller även:

[math]\displaystyle{ P = U I = R I I = R I^2 }[/math]

och

[math]\displaystyle{ P = U I = U \frac{U}{R} = \frac{U^2}{R} }[/math]

Övningar

  1. Tag reda på vad enheten Amperetimmar innebär.
  2. vad är en kilowattimme.
  3. Gå in på den här sidan, http://sv.wikipedia.org/wiki/Wattimme, och lägg till information som förbättrar sidan.
Uppgift: Stoppa tjuven

Vilken lampa ska man välja för att stoppa tjuven?

Du tänker ha en lampa (inne i huset) som tänds med automatik på kvällarna när du inte är på ditt landställe. Avsikten är att lura tjuvarna att tro att det är någon där.

Men det finns olika lampor att välja på, dels gamla glödlampor och dels lågenergilampor (som lyser lika starkt).

1 Vilken sorts lampa ska du välja om:

  1. Du har underhållsuppvärmning på huset?
  2. Värmen är avstängd när du inte är där?

2 Hur mycket ström drar respektive lampa?

Facit: (klicka expandera till höger)

Om värmen är avstängd väljer vi naturligtvis lågenergilampan som förbrukar mindre energi eftersom den drar mindre ström.

Om vi däremot har huset uppvärmt kanske valet blir en konventionell glödlampa som är billigare i inköp. Den lampan har lägre verkningsgrad vilket innebär att en stor del av energin blir värme istället för ljus. Denna värme bidrar till uppvärmningen och blir därmed nyttig i alla fall.

Spänningen i vägguttaget är 230 V

Lågenergilampans ström: [math]\displaystyle{ I_l = \frac{P}{U} = \frac{14}{230} = 61 mA }[/math]
Konventionella lampans ström: [math]\displaystyle{ I_k = \frac{P}{U} = \frac{60}{230} = 260 mA }[/math]



Gaser

Värmeledning i vätskor

Hämtad från ”https://wikiskola.se/index.php?title=Fysiken_i_mekaniska,_pneumatiska,_hyrauliska_och_elektriska_system&oldid=47813”