Ενέργεια και ισχύς

Τι «τρώει» η γραμμή παραγωγής;

Η γραμμή της εικονικής επιχείρησης της τάξης έχει πια μηχανήματα: ένα δράπανο, ένα ηλεκτρικό τριβείο για τη λείανση, και, στο σχέδιο για του χρόνου, έναν μικρό ιμάντα που θα μεταφέρει τις μολυβοθήκες από σταθμό σε σταθμό. Όλα παίρνουν ρεύμα από την πρίζα. Πόσο; Πόσο από αυτό γίνεται πραγματικά δουλειά; Και πώς ένα μοτέρ που γυρίζει πολύ γρήγορα κινεί έναν ιμάντα που πρέπει να πηγαίνει αργά;

Στη Φυσική μαθαίνεις τι είναι η ενέργεια. Εδώ μας ενδιαφέρει κάτι πιο πρακτικό: πώς τη χρησιμοποιεί ένα τεχνολογικό σύστημα, και πόση χάνει στον δρόμο.

Η μηχανή ως μετατροπέας

Κάθε μηχανή παίρνει ενέργεια σε μία μορφή και τη δίνει σε άλλη:

Η ενέργεια δεν χάνεται από τον κόσμο· καταλήγει όμως σε μορφή που δεν τη θέλουμε, συνήθως ως θερμότητα. Γι' αυτό ένα τριβείο ζεσταίνεται όταν δουλεύει πολλή ώρα. Ό,τι βγαίνει χρήσιμο λέγεται ωφέλιμη ενέργεια· τα υπόλοιπα είναι απώλειες.

Ισχύς και ενέργεια: δύο διαφορετικά νούμερα

Πάνω σε κάθε συσκευή υπάρχει ένα ταμπελάκι με ένα νούμερο σε W (βατ). Αυτό είναι η ισχύς: πόσο γρήγορα παίρνει ενέργεια η συσκευή, κάθε δευτερόλεπτο που δουλεύει. Ένα τριβείο 250 W «τραβά» περισσότερο από ένα φορτιστή κινητού 20 W, αλλά μόνο όσο είναι αναμμένο.

Η ενέργεια που καταναλώνεται εξαρτάται και από τον χρόνο:

ενέργεια (kWh) = ισχύς (kW) × χρόνος (ώρες)

Η κιλοβατώρα (kWh) είναι η μονάδα που βλέπεις στον λογαριασμό του ρεύματος. Ένα μηχάνημα 1 kW (1.000 W) που δουλεύει 1 ώρα καταναλώνει 1 kWh. Ένα μηχάνημα 250 W, δηλαδή 0,25 kW, θέλει 4 ώρες για να φτάσει την ίδια κιλοβατώρα.

Απόδοση

Απόδοση μιας μηχανής είναι το ποσοστό της ενέργειας που παίρνει και το δίνει ωφέλιμα:

απόδοση = ωφέλιμη ενέργεια ÷ ενέργεια που μπαίνει × 100%

Το ίδιο ισχύει και με τις ισχείς: ωφέλιμη ισχύς ÷ ισχύς που μπαίνει. Καμία μηχανή δεν φτάνει το 100%. Οι διαφορές όμως είναι τεράστιες:

• Ένα συμβατικό αυτοκίνητο με βενζίνη χρησιμοποιεί για να κινηθεί μόνο 12% ως 30% της ενέργειας του καυσίμου. Ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο φτάνει στους τροχούς πάνω από το 77% της ηλεκτρικής ενέργειας που πήρε από το δίκτυο (Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, fueleconomy.gov).
• Μια λάμπα LED καταναλώνει τουλάχιστον 75% λιγότερη ενέργεια από μια παλιά λάμπα πυρακτώσεως για το ίδιο φως, και κρατά έως 25 φορές περισσότερο (Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ).

Γιατί έχει τόση σημασία η απόδοση των ηλεκτρικών κινητήρων; Γιατί κινούν σχεδόν τα πάντα: αντλίες, ανεμιστήρες, ψυγεία, κλιματιστικά, ιμάντες, ανελκυστήρες. Σύμφωνα με τον Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας (IEA), τα συστήματα με ηλεκτρικούς κινητήρες κατανάλωσαν το 2023 περίπου το μισό (53%) της ηλεκτρικής ενέργειας του πλανήτη. Λίγες μονάδες απόδοσης παραπάνω σε κάθε κινητήρα είναι, μαζί, πολλοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής λιγότεροι.

Μετάδοση της κίνησης: τα γρανάζια

Ένα μικρό ηλεκτρικό μοτέρ γυρίζει πολύ γρήγορα, χιλιάδες στροφές το λεπτό, αλλά με μικρή ροπή: μπορεί να γυρίσει έναν ελαφρύ δίσκο, όχι να τραβήξει έναν ιμάντα φορτωμένο με ξύλα. Ο ιμάντας θέλει το ανάποδο: λίγες στροφές, πολλή ροπή. Το σύστημα που κάνει τη μετατροπή είναι η μετάδοση κίνησης, και ο πιο απλός τρόπος είναι ένα ζεύγος οδοντωτών τροχών (γραναζιών).

• Ο κινητήριος τροχός είναι αυτός που γυρίζει το μοτέρ. Ο κινούμενος είναι αυτός που κινεί το φορτίο.
• Όταν ο κινούμενος έχει περισσότερα δόντια, γυρίζει πιο αργά, αλλά με μεγαλύτερη ροπή.
• Ο λόγος μετάδοσης είναι: δόντια κινούμενου ÷ δόντια κινητήριου. Οι στροφές εξόδου είναι οι στροφές εισόδου διαιρεμένες με τον λόγο.
• Δύο γρανάζια που εμπλέκονται γυρίζουν αντίθετα.

Τα γρανάζια δεν φτιάχνουν ενέργεια. Αν κερδίσεις ροπή, χάνεις στροφές, και στην πράξη χάνεις και λίγη ενέργεια στις τριβές των δοντιών.

Από το μοτέρ στον ιμάντα

Το μοτέρ γυρίζει τον κινητήριο τροχό με 120 στροφές το λεπτό. Ο ιμάντας της γραμμής θέλει περίπου 30. Άλλαξε τα δόντια μέχρι να το πετύχεις. Μετά δοκίμασε το ανάποδο: τι γίνεται αν ο κινούμενος έχει λιγότερα δόντια;

Σταμάτα

Κινητήριος τροχός (δόντια)12

Κινούμενος τροχός (δόντια)24

Λόγος μετάδοσης

1 : 2

Στροφές εισόδου (ανά λεπτό)

120

Στροφές εξόδου (ανά λεπτό)

60

πιο αργά, με μεγαλύτερη ροπή
Φορά: αντίθετη από τον κινητήριο

Ας το κάνουμε μαζί

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση