Привет всем, кто не боится учиться! 👋
Как часто в обычной жизни мы слышим слово "работа"? Наверное, пару раз в день точно, причем, в довольно разнообразных смыслах. Работа как профессия (работа строителем), работа как результат деятельности (работа - то есть картина, доклад, изделие) А что скрывается под термином "работа" в физике? Давайте разбираться!
Но сначала подписывайтесь на мой телеграм-канал, там я выкладываю посты в другом формате, так что их легко можно использовать для своих работ😅
Вспомним любое утро понедельника: мы полны сил и энергии на новые рабочие свершения, но возвращаясь домой после работы мы чувствуем усталость. И это вполне закономерно, ведь на совершение работы уходит энергия. Перейдём к конкретике.
Вам нужно передвинуть шкаф из одного угла комнаты в другой. Для этого вы прикладываете к шкафу свою силу мышц и он сдвигается с места.
Для сравнения рассмотрим два случая:
1. Масса шкафа увеличилась (двигаем шкаф по-прежнему из одного угла комнаты в другой).
Если шкаф нагрузить, то двигать его будет тяжелее (вопрос - зачем было нагружать шкаф до его перемещения - мы игнорируем😄). Можно сделать вывод, что утяжеленный шкаф требует для своего перемещения большей работы из-за того, что к нему надо будет прикладывать большую силу.
2. Масса шкафа не изменилась, изменилось расстояние, на которое нужно его передвинуть.
Что будет, если нужно передвинуть шкаф не в пределах одной комнаты, а в пределах целой квартиры? Закономерно, что вы устанете от такой перестановки намного больше, потому что двигать шкаф нужно будет на большее расстояние. Опять же напрашивается вывод, что для перемещения шкафа на большие расстояния нужно совершать больше работы.
К данным рассуждениям можно применить физический термин работа силы. Из примеров выше видно, что величина работы зависит от силы и от перемещения. Поэтому естественно считать работу пропорциональной произведению силы на перемещение.
Однако работа в физике определяется несколько иначе.
Рассмотрим брусок, лежащий на горизонтальной поверхности. Приложим в нему постоянную горизонтальную силу F, равную 5 Н. Допустим, под действием данной силы брусок переместился на 1 м.
Если ту же силу F приложить к тому же бруску под углом 30° к горизонту, то путь, пройденный бруском, будет меньше. Пусть путь бруска в этот раз - 87 см.
Различия в пути бруска появляются из-за угла наклона вектора силы. То есть на движение бруска влияет не модуль силы F, а проекция силы F на горизонтальное направление (точнее на направление перемещения тела).
Таким образом, работу силы следует рассматривать как произведение проекции данной силы F на модуль перемещения тела:
Если угол между силой и перемещением обозначить через α, то проекцию силы F можно записать так:
Следовательно, работа силы равна:
📌 Работа силы равна произведению модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними.
Последняя формула справедлива в том случае, когда сила постоянна, а перемещение тела происходит вдоль прямой.
Единицей работы в Международной системе единиц (СИ) является джоуль (сокращенно: Дж).
Из определения работы следует, что она, в отличие от силы и перемещения, является не векторной, а скалярной величиной.
Работа может быть как положительной, так и отрицательной. Знак работы определяется знаком косинуса угла между силой и перемещением. Для острых углов работа будет положительной, для тупых углов работа будет отрицательной. Если угол между силой и перемещением равен 90°, то работа не совершается.
Например, если искусственный спутник Земли облетает планету по круговой орбите, работа силы тяготения равна нулю, так как угол между силой тяготения и перемещением спутника в каждый момент времени равен 90°.
Если же мы рассмотрим движение брошенного вертикально вверх камня, то сила тяжести будет совершать отрицательную работу (пока камень движется вверх), поскольку косинус 180° равен -1. Когда камень достигнет максимальной высоты и начнет движение вниз, работа силы тяжести будет положительной, потому что косинус 0° равен +1. Мы обязательно разберем работу силы тяжести (а так же силы упругости) подробнее, но это будет в следующий раз, а пока еще несколько слов о работе.
Важно упомянуть, что работа силы будет зависеть от системы отсчета. Если тело, к которому приложена сила, не перемещается в пространстве относительно данной системы отсчета (СО), то работа силы в данном случае будет равна нулю. Рассмотрим скольжение бруска по поверхности стола относительно СО - "стол".
Брусок скользит вправо, поэтому на него со стороны поверхности стола действует сила трения F1, направленная влево. Данная сила F1, приложенная к бруску, совершает работу в данной СО, поскольку брусок двигается относительно стола. В свою очередь на стол со стороны бруска действует сила трения F2, направленная вправо (F1=F2 по третьему закону Ньютона). А вот сила трения F2, приложенная к поверхности стола, работу в данной СО не совершает, поскольку точки поверхности стола, к которым приложена данная сила F2, не перемещаются.
Поэтому, когда мы говорим о работе, нужно указывать относительно какой системы отсчета она вычисляется.
Теперь давайте перейдем к другой величине, тесно связанной с работой - механической мощности.
📌 Механическая мощность - это физическая величина, характеризующая быстроту совершения работы.
Очень большую работу может совершить как крошечный электромоторчик, так и промышленный двигатель, разница будет лишь во времени, которое для этого потребуется. Однако на практике время выполнения работы - очень важный показатель, поэтому мощность широко используется как характеристика различной техники. Механическую мощность обозначают буквой N и вычисляют по формуле:
Иными словами, мощность численно равна отношению работы А к интервалу времени Δt, за который эта работа совершена.
Если в числителе расписать работу А по формуле, получим следующее:
Таким образом, мощность равна произведению модуля вектора силы на модуль вектора скорости и на косинус угла между направлениями этих векторов.
Стоить отметить, что данная формула применятся при равномерном движении.
За единицу мощности в системе СИ принят ватт (сокращенно: Вт).
🏁 Подведем итог 🏁
Работа силы равна произведению модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними. Работа может быть положительной, отрицательной или равной нулю, это зависит от взаимного расположения векторов силы и перемещения. Работа силы зависит от выбранной системы отсчета.
Механическая мощность - это физическая величина, характеризующая быстроту совершения работы. Мощность численно равна отношению работы А к интервалу времени Δt, за который эта работа совершена. Или мощность равна произведению модуля вектора силы на модуль вектора скорости и на косинус угла между направлениями этих векторов (при равномерном движении).
Если вы дочитали до конца, значит Вас действительно интересует физика! Поэтому подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить следующие статьи, а также ставьте палец вверх👍
Это мотивирует быстрее публиковать новые материалы!