Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия - [145]

Мощность — это скорость передачи энергии:

МОЩНОСТЬ = ПЕРЕДАННАЯ ЭНЕРГИЯ / ВРЕМЯ = ΔE/Δt

Энергия проявляется во многих формах, и ее переходы с одного места на другое или из одной формы в другую имеют для нас огромное значение. Плата за энергию — важнейшая статья наших расходов, поэтому мы должны знать, каков переход энергии, и мерой этого служит произведение сила на расстояние в разнообразных единицах: джоулях, кГм и т. д. Чтобы осуществить такой переход, нам нужны машины: бензиновый двигатель, паровая турбина, электромотор, фейерверк, человеческое тело. Машины осуществляют нечто большее, нежели простой перенос энергии с одноного места на другое, как в случае системы блоков, гидравлических прессов, рычагов[196]. Но нам еще хочется знать, насколько быстро машина передает (или может передавать) энергию. Здоровый человек, например, каждую секунду переводит из химической формы в механическую около 7 кГм энергии, полученной в виде пищи, когда он поднимает грузы. Такая способность может поддерживаться в течение нескольких часов. Если же он попробует работать в 10 раз быстрее, т. е. будет превращать ежесекундно из химической формы в механическую 70 кГм энергии, то сможет работать так не более нескольких минут. Чем бы его ни кормили, человек вскоре так устанет, что уже не сможет продолжать работу. Если же он попытается работать еще быстрее (скажем, 700 кГм за секунду), то из этого просто ничего не выйдет, его мышцы откажутся выполнять работу с такой скоростью. Паровые машины, когда их заставляют работать слишком быстро, становятся более расточительными. Электромоторы, мало потребляющие на холостом ходу, очень эффективны при средней нагрузке и останавливаются с воем при перегрузке. Вообще каждая машина имеет предел скорости, с которой она может превращать энергию. Ниже этого предела обычно имеется область оптимальных рабочих скоростей, которая должна быть известна тем, кто эксплуатирует машину.

При постоянной работе любой «машины» (например, электромотора, электролампы или паровой машины) скорость превращения энергии говорит, как часто придется оплачивать счета за электроснабжение или топливо. На каждом электроприборе (лампах, кипятильниках и т. д.) проставлена скорость потребления энергии, т. е. сколько они потребляют энергии не вообще, а в секунду, и в соответствии с этим мы производим наш выбор. Эту скорость превращения энергии мы и называем мощностью[197].

Единицы мощности

Передачу энергии мы измеряем в ньютонах на метры (т. е. в джоулях), а время, необходимое для передачи, — в секундах; следовательно, мощность, или передачу энергии/время, — в ньютон∙м/сек, или дж/сек.

Один дж/сек — очень полезная единица, поэтому ей дано собственное имя — ватт (вт). Однако это лишь другое название. Никаким экспериментом нельзя доказать, что 1 вт равен 1 дж/сек, поскольку это верно по определению. В качестве более крупной единицы мы используем 1 киловатт (1 квт), который равен 1000 вт. Здоровый мужчина, взбегая по лестнице или влезая по веревке, может в течение нескольких секунд превращать химическую энергию в потенциальную энергию со скоростью 1 квт. Мощный электронагреватель, пока он включен, может превращать электрическую энергию в тепло со скоростью 1 квт. Если энергия измеряется в 1 кГм, то в качестве единицы мощности мы берем 1 кГм/сек. Измерения показали, что сильная лошадь, поднимающая грузы, способна в течение значительного времени превращать энергию своего питания в полезную механическую энергию со скоростью 75 кГм/сек. Эта скорость стала основой технической единицы мощности «1 лошадиная сила» (1 л. с), определяемой как 75 кГм/сек. Ее величина фиксирована, хотя лошади бывают разные и большинство из них не может работать в таком темпе.

Прогресс паровых машин от первого промышленного применения в 1700 г. и почти до современного вида, которого они достигли к 1800 г., в значительной степени обязан работам Джемса Уатта (Watt). Вот почему единица мощности названа его именем[198]. Уатт ввел в качестве единицы мощности лошадиную силу в те времена, когда лошади приводили в движение насосы, железнодорожные вагоны и другие механизмы. Как правило, эта единица неудобна, но ею пользуются до сих пор, за исключением того случая, когда предусмотрительный заказчик задает вопрос: «Если я куплю одну из ваших машин, сколько она заменит лошадей?».

Задача 1. Лошадиная сила (л. с.)

Лошадь, с которой экспериментировал Уатт, передвигаясь со скоростью 6 м/мин, тянула веревку, которая через блок шла к грузу весом 68 кГ, опущенному в шахту.

а) Покажите, что эти измерения приводят к уаттовской единице л. c., равной 75 кГм/сек.

в) При непрерывной работе эта единица переоценивает лошадиные возможности. Была ли в этой связи мощность одной из первых машин Уатта, равная 3 л. с, больше или меньше буквального номинала?

Ниже мы приводим список единиц энергии и соответствующие им единицы мощности:

_{Энергия… Мощность}

_{1 джоуль (дж)… 1 дж/сек = 1 вт}

_{1 килограммометр (кГм)… 1 кГм/сек}

_{1 киловат∙час (квт∙ч)… 1 л.с. = 75 кГм/сек; 1 квт = 1000 вт}

Задача 2

а) Покажите, что 1 дж ~ = ¹/₁₀