Механическая работа: что это и как она используется? Механическая работа.

Прежде чем раскрывать тему «В чём измеряется работа», необходимо сделать небольшое отступление. Всё в этом мире подчиняется законам физики. Каждый процесс или явление можно объяснить на основе тех или иных законов физики. Для каждой измеряемой величины существует единица, в которой её принято измерять. Единицы измерения являются неизменными и имеют единое значение во всём мире.

Причиной этого является следующее. В тысяча девятьсот шестидесятом году на одиннадцатой генеральной конференции по мерам и весам была принята система измерений, которая признана во всём мире. Эта система получила наименование Le Système International d’Unités, SI (СИ система интернационал). Эта система стала базовой для определений принятых во всём мире единиц измерения и их соотношения.

Физические термины и терминология

В физике единица измерения работы силы называется Дж (Джоуль), в честь английского учёного физика Джеймса Джоуля, сделавшего большой вклад в развитие раздела термодинамики в физике. Один Джоуль равен работе, совершаемой силой в один Н (Ньютон), при перемещении её приложения на один М (метр) в направлении действия силы. Один Н (Ньютон) равен силе, массой в один кг (килограмм), при ускорении в один м/с2 (метр в секунду) в направлении силы.

К сведению. В физике всё взаимосвязано, выполнение любой работы связано с выполнением дополнительных действий. В качестве примера можно взять бытовой вентилятор. При включении вентилятора в сеть лопасти вентилятора начинают вращаться. Вращающиеся лопасти воздействуют на поток воздуха, придавая ему направленное движение. Это является результатом работы. Но для выполнения работы необходимо воздействие других сторонних сил, без которых выполнение действия невозможно. К ним относятся сила электрического тока, мощность, напряжение и многие другие взаимосвязанные значения.

Электрический ток, по своей сути, – это упорядоченное движение электронов в проводнике в единицу времени. В основе электрического тока лежит положительно или отрицательно заряжённые частицы. Они носят название электрических зарядов. Обозначается буквами C, q, Кл (Кулон), названо в честь французского учёного и изобретателя Шарля Кулона. В системе СИ является единицей измерения количества заряженных электронов. 1 Кл равен объёму заряженных частиц, протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Под единицей времени подразумевается одна секунда. Формула электрического заряда представлена ниже на рисунке.

Сила электрического тока обозначается буквой А (ампер). Ампер – это единица в физике, характеризующая измерение работы силы, которая затрачивается для перемещения зарядов по проводнику. По своей сути, электрический ток – это упорядоченное движение электронов в проводнике под воздействием электромагнитного поля. Под проводником подразумевается материал или расплав солей (электролит), имеющий небольшую сопротивляемость прохождению электронов. На силу электрического тока влияют две физические величины: напряжение и сопротивление. Они будут рассмотрены ниже. Сила тока всегда прямо пропорциональна по напряжению и обратно пропорциональна по сопротивлению.

Как было сказано выше, электрический ток – это упорядоченное движение электронов в проводнике. Но есть один нюанс: для их движения нужно определённое воздействие. Это воздействие создаётся путём создания разности потенциалов. Электрический заряд может быть положительным или отрицательным. Положительные заряды всегда стремятся к отрицательным зарядам. Это необходимо для равновесия системы. Разница между количеством положительно и отрицательно заряжённых частиц называется электрическим напряжением.

Мощность – это количество энергии, затрачиваемое на выполнение работы в один Дж (Джоуль) за промежуток времени в одну секунду. Единицей измерения в физике обозначается как Вт (Ватт), в системе СИ W (Watt). Так как рассматривается мощность электрическая, то здесь она является значением затраченной электрической энергии на выполнение определённого действия в промежуток времени.

1. Из курса физики 7 класса вы знаете, что если на тело действует сила и оно перемещается в направлении действия силы, то сила совершает механическую работу A , равную произведению модуля силы и модуля перемещения:

A =Fs .

Единица работы в СИ -джоуль (1 Дж ).

[A ] = [F ][s ] = 1 H 1 м = 1 Н м = 1 Дж.

За единицу работы принимают такую работу, которую совершает сила 1 Н на пути 1 м.

Из формулы следует, что механическая работа не совершается, если сила равна нулю (тело покоится или движется равномерно и прямолинейно) или перемещение равно нулю.

Предположим, что вектор силы, действующей на тело, составляет некоторый угол a с вектором перемещения (рис. 65). Так как в вертикальном направлении тело не перемещается, то проекция силы F y на ось Y работу не совершает, а проекция силы F x на ось X совершает работу, которая равна A = F x s x .

Поскольку F x = F cos a, а s x = s , то

Таким образом,

работа постоянной силы равна произведению модулей векторов силы и перемещения и косинуса угла между этими векторами.

2. Проанализируем полученную формулу работы.

Если угол a = 0°, то cos 0° = 1 и A = Fs . Совершенная работа положительна и ее значение максимально, если направление силы совпадает с направлением перемещения.

Если угол a = 90°, то cos 90° = 0 и A = 0. Сила не совершает работу, если она перпендикулярна направлению перемещения тела. Так, работа силы тяжести равна нулю при движении тела по горизонтальной плоскости. Нулю равна работа силы, сообщающей телу центростремительное ускорение при его равномерном движении по окружности, так как эта силав любой точке траектории перпендикулярна направлению движения тела.

Если угол a = 180°, то cos 180° = –1 и A = –Fs . Данный случай имеет место тогда, когда сила и перемещение направлены в противоположные стороны. Соответственно совершенная работа отрицательна и ее значение максимально. Отрицательную работу совершает, например, сила трения скольжения, поскольку она направлена в сторону, противоположную направлению перемещения тела.

Если угол a между векторами силы и перемещения острый, то работа положительна; если угол a тупой, то работа отрицательна.

3. Получим формулу для расчета работы силы тяжести. Пусть тело массой m свободно падает на землю из точки A , находящейся на высоте h относительно поверхности Земли, и через некоторое время оказывается в точке B (рис. 66, а ). Работа силы тяжести при этом равна

A = Fs = mgh .

В данном случае направление движения тела совпадает с направлением действу.щей на него силы, поэтому работа силы тяжести при свободном падении положительна.

Если тело движется вертикально вверх из точки B в точку A (рис. 66, б ), то его перемещение направлено в сторону, противоположную силе тяжести, и работа силы тяжести отрицательна:

A = –mgh

4. Работу силы можно вычислить, используя график зависимости силы от перемещения.

Предположим, под действием постоянной силы тяжести тело совершает перемещение. Графиком зависимости модуля силы тяжести F тяж от модуля перемещения тела s является прямая, параллельная оси абсцисс (рис. 67). Найдем площадь выделенного прямоугольника. Она равна произведению двух его сторон: S = F тяж h = mgh . С другой стороны, этой же величине равна работа силы тяжестиA = mgh .

Таким образом, работа численно равна площади прямоугольника, ограниченного графиком, координатными осями и перпендикуляром, восставленным к оси абсцисс в точке h .

Рассмотрим теперь случай, когда сила, действующая на тело, прямо пропорциональна перемещению. Такой силой, как известно, является сила упругости. Ее модуль равен F упр = k Dl , где Dl - удлинение тела.

Предположим, пружину, левый конец которой закреплен, сжали (рис. 68, а ). При этом ее правый конец сместился на Dl 1 .В пружине возник сила упругости F упр 1 , направленная вправо.

Если теперь предоставить пружину самой себе, то ее правый конец переместится вправо (рис. 68, б ), удлинение пружины будет равно Dl 2 , а сила упругости F упр 2 .

Вычислим работу силы упругости при перемещении конца пружины из точкис координатой Dl 1 в точку с координатой Dl 2 . Используем для этого график зависимости F упр (Dl ) (рис. 69). Работа силы упругости численно равна площади трапеции ABCD . Площадь трапеции равна произведению полусуммы оснований и высоты, т. е. S = AD . В трапеции ABCD основания AB = F упр 2 = k Dl 2 , CD = F упр 1 = k Dl 1 , а высота AD = Dl 1 – Dl 2 . Подставим в формулу площади трапеции эти величины:

S = (Dl 1 – Dl 2) =– .

Таким образом, мы получили, что работа силы упругости равна:

A =– .

5 * . Предположим, что тело массой m перемещается из точки A в точку B (рис. 70), двигаясь сначала без трения по наклонной плоскости из точки A в точку C , а затем без трения по горизонтальной плоскости из точки C в точку B . Работа силы тяжести на участке CB равна нулю, поскольку сила тяжести перпендикулярна перемещению. При движении по наклонной плоскости работа силы тяжести равна:

A AC = F тяж l sin a. Так как l sin a = h , то A AC = Ft тяж h = mgh .

Работа силы тяжести при движении тела по траектории ACB равна A ACB = A AC + A CB = mgh + 0.

Таким образом, A ACB = mgh .

Полученный результат показывает, что работа силы тяжести не зависит от формы траектории. Она зависит только от начального и конечного положений тела.

Предположим теперь, что тело движется по замкнутой траектории ABCA (см. рис. 70). При перемещении тела из точки A в точку B по траектории ACB работа силы тяжести равна A ACB = mgh . При перемещении тела из точки B в точку A сила тяжести совершает отрицательную работу, которая равна A BA = –mgh . Тогда работа силы тяжести на замкнутой траектории A = A ACB + A BA = 0.

Нулю равна и работа силы упругости на замкнутой траектории. Действительно, предположим, что недеформированную вначале пружину растянули и ее длина увеличилась на Dl . Сила упругости при этом совершила работу A 1 = . При возвращении в состояние равновесия сила упругости совершает работу A 2 = . Суммарная работа силы упругости при растяжении пружины и ее возвращении в недеформированное состояние равна нулю.

6. Работа силы тяжести и силы упругости на замкнутой траектории равна нулю.

Силы, работа которых на любой замкнутой траектории равна нулю (или не зависит от формы траектории), называют консервативными.

Силы, работа которых зависит от формы траектории, называют неконсервативными.

Неконсервативной является сила трения. Например, тело перемещается из точки 1 в точку 2 сначала по прямой 12 (рис. 71), а затем по ломаной линии 132 . На каждом участке траектории сила трения одинакова. В первом случае работа силы трения

A 12 = –F тр l 1 ,

а во втором -

A 132 = A 13 + A 32 , A 132 = –F тр l 2 – F тр l 3 .

Отсюда A 12 A 132 .

7. Из курса физики 7 класса вы знаете, что важной характеристикой устройств, которые совершают работу, является мощность .

Мощностью называют физическую величину, равную отношению работы к промежутку времени, за который она совершена:

Мощность характеризует быстроту выполнения работы.

Единица мощности в СИ - ватт (1 Вт ).

[N ] === 1 Вт.

За единицу мощности принимают такую мощность, при которой работа 1 Дж совершается за 1 с.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют работой? Какова единица работы?

2. В каком случае сила совершает отрицательную работу; положительную работу?

3. По какой формуле вычисляют работу силы тяжести; силы упругости?

5. Какие силы называют консервативными; неконсервативными?

6 * . Докажите, что работа силы тяжести и силы упругости не зависит от формы траектории.

7. Что называют мощностью? Какова единица мощности?

Задание 18

1. Мальчика массой 20 кг везут равномерно на санках, прикладывая силу 20 Н. Веревка, за которую тянут санки, составляет угол 30° с горизонтом. Чему равна работа силы упругости, возникающей в веревке, если санки переместились на 100 м?

2. Спортсмен массой 65 кг прыгает в воду с вышки, находящейся на высоте 3 м над поверхностью воды. Какую работу совершает сила тяжести, действующая на спортсмена, при его движении до поверхности воды?

3. Под действием силы упругости длина деформированной пружины жесткостью 200 Н/м уменьшилась на 4 см. Чему равна работа силы упругости?

4 * . Докажите, что работа переменной силы численно равна площади фигуры, ограниченной графиком зависимости силы от координаты и координатными осями.

5. Чему равна сила тяги двигателя автомобиля, если при постоянной скорости 108 км/ч он развивает мощность 55 кВт?

Если на тело действует сила, то эта сила совершает работу по перемещению этого тела. Прежде чем дать определение работе при криволинейном движении мате­риальной точки, рассмотрим частные случаи:

В этом случае механиче­ская работа A равна:

A = F s cos =
,

или A = Fcos × s = F S × s ,

где F S – проекция силы на перемеще­ние. В данном случае F s = const , и геометрический смысл работы A – это площадь прямо­угольника, построенного в координатах F S , , s .

Построим график проекции силы на направление перемещения F S как функции перемещения s. Полное перемещение представим как сумму n малых перемещений
. Для ма­лого i -ого перемещения
работа равна

или площади заштрихованной трапеции на рисунке.

.

Величина, стоящая под интегралом будет представлять элементарную работу по бесконечно малому перемещению
:

­– элементарная работа.

–работа при криволинейном движении.

Пример 1: Работа силы тяжести
при криволинейном движении материальной точки.

Далее как постоянную величину можно вынести за знак интеграла, а интеграл согласно рисунку будет представлять полное перемещение . .

Если обозначить высоту точки 1 от поверхности Земли через , а высоту точки 2 через , то

Мы видим, что в данном случае работа определяется положением материальной точки в начальный и конечный момент времени и не зависит от формы траектории или пути. Работа силы тяжести по замкнутому пути равна нулю:
.

Силы, работа которых на замкнутом пути равна нулю, называется консервативными .

Пример 2 : Работа силы трения.

Это пример неконсервативной силы. Чтобы показать это достаточно рассмотреть элементарную работу силы трения:

,

т.е. работа силы трения всегда отрицательная величина и на замкнутом пути не может быть равной нулю. Работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью . Если за время
совершается работа
, то мощность равна

–механическая мощность .

Взяв
в виде

,

получим для мощности выражение:

.

В СИ единицей работы является джоуль:
= 1 Дж = 1 Н1 м, а единицей мощности является ватт: 1 Вт = 1 Дж/с.

Механическая энергия.

Энергия является общей количественной мерой движения взаимодействия всех видов материи. Энергия не исчезает и не возникает из нечего: она лишь может переходить из одной формы в другую. Понятие энергии связывает воедино все явления в природе. В соответствии с различными формами движения материи рассматривают разные виды энергии – механическую, внутреннюю, электромагнитную, ядерную и др.

Понятия энергии и работы тесно связаны друг с другом. Известно, что работа совершается за счет запаса энергии и, наоборот, совершая работу, можно увеличить запас энергии в каком-либо устройстве. Другими словами работа – это количественная мера изменения энергии:

.

Энергия также как и работа в СИ измеряется в джоулях: [E ]=1 Дж.

Механическая энергия бывает двух видов – кинетическая и потенциальная.

Кинетическая энергия (или энергия движения) определяется массами и скоростями рассматриваемых тел. Рассмотрим материальную точку, движущуюся под действием силы . Работа этой силы увеличивает кинетическую энергию материальной точки
. Вычислим в этом случае малое приращение (дифференциал) кинетической энергии:

При вычислении
использован второй закон Ньютона
, а также
- модуль скорости материальной точки. Тогда
можно представить в виде:

-

- кинетическая энергия движущейся материальной точки .

Умножив и разделив это выражение на
, и учитывая, что
, получим

-

- связь между импульсом и кинетической энергией движущейся материальной точки .

Потенциальная энергия (или энергия положения тел) определяется действием на тело консервативных сил и зависит только от положения тела.

Мы видели, что работу силы тяжести
при криволинейном движении материальной точки
можно представить в виде разности значений функции
, взятых в точке 1 и в точке 2 :

.

Оказывается, что всегда, когда силы консервативны, работу этих сил на пути 1
2 можно представить в виде:

.

Функция , которая зависит только от положения тела – называется потенциальной энергией .

Тогда для элементарной работы получим

–работа равна убыли потенциальной энергии .

Иначе можно сказать, что работа совершается за счёт запаса потенциальной энергии.

Величину , равную сумме кинетической и потенциальной энергий частицы, называют полной механической энергией тела:

–полная механическая энергия тела .

В заключении заметим, что используя второй закон Ньютона
, дифференциал кинетической энергии
можно представить в виде:

.

Дифференциал потенциальной энергии
, как указывали выше, равен:

.

Таким образом, если сила – консервативная сила и отсутствуют другие внешние силы, то , т.е. в этом случае полная механическая энергия тела сохраняется.

При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, такая система называетсязамкнутой .

Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса. Он является следствием из второго и третьегозаконов Ньютона.

Рассмотрим какие-либо два взаимодействующих тела, входящих в состав замкнутой системы. Силы взаимодействия между этими телами обозначим через и По третьему закону Ньютона Если эти тела взаимодействуют в течение времени t, то импульсы сил взаимодействия одинаковы по модулю и направлены в противоположные стороны: Применим к этим телам второй закон Ньютона:

где и – импульсы тел в начальный момент времени, и – импульсы тел в конце взаимодействия. Из этих соотношений следует:

Это равенство означает, что в результате взаимодействия двух тел их суммарный импульс не изменился. Рассматривая теперь всевозможные парные взаимодействия тел, входящих в замкнутую систему, можно сделать вывод, что внутренние силы замкнутой системы не могут изменить ее суммарный импульс, то есть векторную сумму импульсов всех тел, входящих в эту систему.

Механическая работа и мощность

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы.

Работой A, совершаемой постоянной силой называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла α между векторами силы и перемещения (рис. 1.1.9):

Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж).

Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 Н на перемещении 1 м в направлении действия силы.

Если проекция силы на направление перемещения не остается постоянной, работу следует вычислять для малых перемещений и суммировать результаты:

Примером силы, модуль которой зависит от координаты, может служить упругая сила пружины, подчиняющаяся закону Гука . Для того, чтобы растянуть пружину, к ней нужно приложить внешнюю силу модуль которой пропорционален удлинению пружины (рис. 1.1.11).

Зависимость модуля внешней силы от координаты x изображается на графике прямой линией (рис. 1.1.12).

По площади треугольника на рис. 1.18.4 можно определить работу, совершенную внешней силой, приложенной к правому свободному концу пружины:

Этой же формулой выражается работа, совершенная внешней силой при сжатии пружины. В обоих случаях работа упругой силы равна по модулю работе внешней силы и противоположна ей по знаку.

Если к телу приложено несколько сил, то общая работа всех сил равна алгебраической сумме работ, совершаемых отдельными силами, и равна работе равнодействующей приложенных сил.

Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью . Мощность N – физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа.

Главная » Упражнения » Механическая работа: что это и как она используется? Механическая работа.