Motoren
Ze zitten in auto's, bouwkranen, machines, liften, fietsen, treinen enzovoorts: motoren. Motoren zijn gemaakt om arbeid te verrichten: ze oefenen een kracht uit gedurende een bepaalde afstand. Denk bijvoorbeeld aan de elektromotor van een lift (waarbij de motorkracht ervoor zorgt dat de lift naar boven beweegt) of de benzinemotor van een bromfiets (waarbij de motorkracht ervoor zorgt dat de bromfiets naar voren beweegt). De energie om de arbeid te kunnen verrichten wordt in deze voorbeelden gehaald uit elektriciteit of een brandstof.
De motor van een scooter oefent een voorwaartse kracht uit gedurende een afstand: er wordt arbeid verricht.
De motor van een hijskraan zorgt ervoor dat er een kracht naar boven werkt op het op te tillen voorwerp, om het naar een bepaalde hoogte te brengen: er wordt arbeid verricht.
Het rendement van een motor
Het rendement is het deel van de totale energie dat nuttig gebruikt wordt. Omdat je met de motor arbeid wil verrichten is de nuttige energie in deze situatie gelijk aan de arbeid die door de motor wordt verricht. Deze kun je dus berekenen met de formule W = F x s, waarin F de kracht is die de motor levert en s de afstand waarover hij dat doet. Bij een beweging met constante snelheid geldt de eerste wet van Newton: de kracht die de motor levert is dan gelijk aan de tegenwerkende kracht(en), zoals bijvoorbeeld de zwaartekracht of de wrijvingskracht.
Elektromotor
Bij een elektromotor is de totale (opgenomen) energie gelijk aan de elektrische energie. De elektrische energie kun je berekenen met E = P x t, met P het elektrisch vermogen in watt en t de tijd in seconden. Omdat er geldt dat P = U x I, met U de spanning in volt en I de stroomsterkte in ampère, kun je zeggen dat voor de elektrische energie geldt dat E = U x I x t.
Elektromotor.
Energiestroomdiagram van een elektromotor.
Brandstofmotor
Bij motoren die op een brandstof, zoals benzine of diesel, werken is de totale (opgenomen) energie gelijk aan de chemische energie die opgeslagen zit in de gebruikte brandstof. Hoe groot de chemische energie is is afhankelijk van de stookwaarde van de brandstof: het aantal joule dat vrijkomt wanneer je één liter van de brandstof verbrandt. Deze waarde is een stofeigenschap en kun je dus opzoeken in een tabel. Wanneer je de stookwaarde vermenigvuldigt met het aantal liter brandstof krijg je de hoeveelheid chemische energie die omgezet is.
Brandstofmotor in een auto.
Energiestroomdiagram van een brandstofmotor.
Vermogen en rendement
Vermogen is de energie die per seconde omgezet wordt. De eenheid van vermogen is watt (W), één watt is
één joule per seconde. Bij motoren is het nuttige vermogen dus de arbeid die per seconde verricht wordt.
Het rendement is het deel van de totale energie dat nuttig gebruikt wordt. Omdat het vermogen de energie per seconde is kun je het rendement ook berekenen door te kijken naar de vermogens. In het voorbeeld met de elektromotor is het totale vermogen dan het elektrische vermogen (P = U x I) en het nuttige vermogen de arbeid die elke seconde verricht wordt.
Nuttig vermogen en snelheid
Wanneer motoren arbeid verrichten is het nuttige vermogen gelijk aan de arbeid die elke seconde door de motor wordt verricht. Je kunt dan afleiden wat het verband is tussen dat nuttige vermogen en de snelheid v. Hierbij wordt gebruikt dat de snelheid de afstand is die per seconde wordt afgelegd:
Pnut = W / t = (Fmotor x s) / t = Fmotor x (s / t) = Fmotor x v
