力、トルク、仕事、出力



力学

公開日:2017/9/26 , 最終更新日:2020/5/18         

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■力 [N,kgf]

質量m[kg]と力F[N]と加速度a[m/s2]はニュートンの法則より以下となります。


ここで出てくる力の単位はN(ニュートン)といい、質量1kgの物を1m/s2の加速度で進めることが出来る力を1Nと定義します。 そのためNを以下の様に表現する場合もあります。



重力加速度は、地球上で自由落下させた時に生じる加速度の事で、9.8[m/s2]となります。 従って重力によって質量1kgの物にかかる下向きの力は9.8Nとなります。重力によって質量にかかる力を荷重といい、1kgの物にかかる力を1kgf(キログラム重)と定義し以下の関係が成り立ちます。



なお、月など重力が異なる場合にはこの関係が成り立たなくなります。また、kgは質量の単位に対して、kgfは力の単位なので紛らわしいという事もあって一般的にはNを使うようです。 国際単位系としてもNです。ただ直感的に力の大きさを測るにはkgfのほうが解りやすい気がします。

■トルク [Nm]

下記の様に、ある点の回転方向にかかる力をトルク(またはモーメント)と言い、1m離れた点から垂直に1Nの力を与えた時のトルクを1Nm(ニュートンメートル)と定義し、 トルクをT[Nm]、距離をr[m]、力をF[N]とした場合に以下の関係が成り立ちます。



■仕事率、出力、パワー [PS , J/s , kW]

仕事率、出力、電力、パワーは同じで、単位時間当たりの仕事です。1W = 1J/sとなります。

<エンジン , モーター>
1分間に回転数[rpm] * 2π[rad]だけ回るので、仕事(トルク*回った距離)に対して時間で割ったものが出力(仕事率)となり、以下で表すことができます。


kWとPSの関係は以下となります。


<電力>
以下のとおり。詳細はこちらを参照。


<定格出力とは>
定格出力とは、所定時間連続で出力できる最大出力値のことです。エンジンの場合は出力特性の示す最大値の箇所で、交流電力の場合は実効値の箇所を示します。

■仕事 [Nm , J , kWh]

力(N)に移動距離(m)をかけたものが仕事なので単位はNm、また、1Nm = 1J (=0.239cal) となります。また、1Jは1Wの出力を1秒与えたという定義です。 なお上記で説明したトルクも同じ単位ですが、両者は異なります。回転運動体の仕事は、力に対して回転距離[rad]をかけたものになります。

電気の分野ではkWhが仕事(電力量)となり、1kWの電力を1時間消費した時の電力量を1kWhと定義し、以下の式で表すことができます。



<単位>
1J =1Ws = 0.239[cal]
1kWh = 3.6 × 106[J]

■仕事とエネルギーの違い

仕事とエネルギーはどちらも同じ単位のジュール[J]ですが、両者は異なるもので、エネルギーは仕事をできる能力です。 例えば、100Jのエネルギーを持った物体が10Jの仕事をしたら、物体に残るエネルギーは90Jとなります。また逆もしかりで、90Jのエネルギーを持つ物体に更に10Jの仕事をしたら、物体のエネルギーは100Jになります。









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