Απόδοση μιας μηχανής – ισχύς

Κατά τη λειτουργία μιας μηχανής, αυτή απορροφά κάποια ποσότητα ενέργειας και τη μετασχηματίζει σε μια ή περισσότερες μορφές. Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας, το άθροισμα της παραγόμενης ενέργειας είναι ίσο με την ενέργεια που απορροφά η μηχανή. Στις περισσότερες περιπτώσεις μόνο η μία μορφή ενέργειας που παράγεται είναι χρήσιμη ( Eχρήσιμη ) ενώ οι υπόλοιπες αποβάλλονται στο περιβάλλον. Έτσι η χρήσιμη ενέργεια είναι πάντοτε μικρότερη από την προσφερόμενη. Για παράδειγμα, ένας ηλεκτρικός λαμπτήρας πυρακτώσεως καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια και την μετατρέπει σε φωτεινή ενέργεια κατά 5%  και σε θερμότητα κάτω του 95% η οποία αποβάλλεται στο περιβάλλον.

Ένα κριτήριο της ποιότητας της μηχανής είναι ο συντελεστής απόδοσης που ορίζεται ως το πηλίκο της χρήσιμης ενέργειας που παράγει η μηχανή σε ένα χρονικό διάστημα προς την προσφερόμενη ενέργεια στον ίδιο χρόνο.

n = Eχρήσιμη / Επροσφερόμενη

Ο συντελεστής απόδοσης είναι μικρότερος ή θεωρητικά ίσος με την μονάδα. Μπορεί να εκφραστεί σε ποσοστό % αν τον πολλαπλασιάσομε με 100.  Στο παράδειγμα του ηλεκτρικού λαμπτήρα πυρακτώσεως η απόδοση του είναι μόλις 5%.

Ισχύ – Έργο και Χρόνος

Ένα παιδί που ανεβαίνει μία σκάλα θα κουραστεί περισσότερο αν την ανεβεί τρέχοντας παρά όταν την ανέβει βάδην. Για να καταλάβουμε το γιατί, θα πρέπει να συνδέσουμε το έργο που παράγεται από μία δύναμη (εδώ  η δύναμη του βάρους) ή την ποσότητα μιας μορφής ενέργειας που μετατρέπεται σε άλλη, με το χρόνο που απαιτείται για την παραγωγή του έργου ή τη μετατροπή μιας μορφής ενέργειας σε άλλη (εδώ ο χρόνος ανόδου της σκάλας). Το φυσικό μέγεθος που συνδέει το παραγόμενο έργο με το χρονικό διάστημα μέσα στο οποίο παράγεται ονομάζεται ισχύ. Η ισχύς εκφράζει το ρυθμό παραγωγής έργου από μία δύναμη ή το ρυθμό μετασχηματισμού ενέργειας από μία  μηχανή ή συσκευή.

Η ισχύς ορίζεται ως το πηλίκο του έργου που παράγεται ή της ενέργειας που μετασχηματίζεται σε ένα χρονικό διάστημα προς αυτό το χρονικό διάστημα

Ή με χρήση συμβόλων

P = W/t = E/t

Καθώς το παιδί στο παράδειγμα μας, ανεβαίνει τρέχοντας, γι’ αυτό το λόγο η ισχύς του βάρους του είναι μεγάλη, γι’ αυτό κουράζεται περισσότερο.

Η ισχύς είναι μονόμετρο μέγεθος και στο Διεθνές Σύστημα  έχει μονάδα το 1Watt (W). Μια μηχανή έχει ισχύ 1 Watt όταν μετασχηματίζει ενέργεια ίση με 1 Joule σε ένα δευτερόλεπτο.

Επειδή το 1W είναι πολύ μικρή μονάδα ισχύος, χρησιμοποιούμε τα πολλαπλάσια του και συγκεκριμένα: 1KW=1000W=103W και 1MW=1.000.000W=106W. Στη μηχανολογία χρησιμοποιούμε ως μονάδα ισχύος τον ίππο που ορίζεται ως 1HP=745W.

Αν γνωρίζουμε την ισχύ μιας μηχανής και στην περίπτωση που παραμένει σταθερή, μπορούμε να υπολογίσουμε την ενέργεια που μετασχηματίζει σε ορισμένο χρόνο, από τη σχέση που προκύπτει από τον ορισμό:

P = E/t  ή   E = P‧t

Ισχύ και Κίνηση

Θεωρούμε ένα σώμα σε ένα οριζόντιο επίπεδο στο οποίο ασκείται οριζόντια δύναμη F (μπορεί να ασκούνται και άλλες δυνάμεις) με αποτέλεσμα να κινείται με οριζόντια ταχύτητα v. Αν το σώμα μετατοπιστεί κατά Δx το έργο της δύναμης F είναι:

WF = Fx

Η ισχύς της δύναμης, δηλαδή ο ρυθμός με τον οποίο η F παράγει έργο είναι

P = WF / t = F.Δx/ Δt = F.v

Επομένως η ισχύ μιας μηχανής δίνεται από τη σχέση  

PF = F.v

Αν η ταχύτητα και η δύναμη έχουν την ίδια φορά, η ισχύς της δύναμης είναι θετική και εκφράζει το ρυθμό με τον οποίο η δύναμη προσφέρει ενέργεια στο σώμα ενώ αν η ταχύτητα και η δύναμη έχουν αντίθετες φορές, τότε η ισχύς της δύναμης είναι αρνητική και εκφράζει τον ρυθμό με τον οποίο η δύναμη αφαιρεί ενέργεια από το σώμα.