Механическая работа: что это и как она используется? Формула работы Что такое полная работа в физике.

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы. Другими словами, работа - мера воздействия силы.

Определение 1

Работа А, совершаемая постоянной силой F → , - это физическая скалярная величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла α между векторами силы F → и перемещением s → .

Данное определение рассматривается на рисунке 1.

Формула работы записывается как,

A = F s cos α .

Работа – это скалярная величина. Единица измерения работы по системе СИ - Джоуль (Д ж) .

Джоуль равняется работе, совершаемой силой в 1 Н на перемещение 1 м по направлению действия силы.

Рисунок 1. Работа силы F → : A = F s cos α = F s s

При проекции F s → силы F → на направление перемещения s → сила не остается постоянной, а вычисление работы для малых перемещений Δ s i суммируется и производится по формуле:

A = ∑ ∆ A i = ∑ F s i ∆ s i .

Данная сумма работы вычисляется из предела (Δ s i → 0) , после чего переходит в интеграл.

Графическое изображение работы определяют из площади криволинейной фигуры, располагаемой под графиком F s (x) рисунка 2.

Рисунок 2. Графическое определение работы Δ A i = F s i Δ s i .

Примером силы, зависящей от координаты, считается сила упругости пружины, которая подчиняется закону Гука. Чтобы произвести растяжение пружины, необходимо приложить силу F → , модуль которой пропорционален удлинению пружины. Это видно на рисунке 3.

Рисунок 3. Растянутая пружина. Направление внешней силы F → совпадает с направлением перемещения s → . F s = k x , где k обозначает жесткость пружины.

F → у п р = - F →

Зависимость модуля внешней силы от координат x можно изобразить на графике с помощью прямой линии.

Рисунок 4. Зависимость модуля внешней силы от координаты при растяжении пружины.

Из выше указанного рисунка возможно нахождение работы над внешней силой правого свободного конца пружины, задействовав площадь треугольника. Формула примет вид

Данная формула применима для выражения работы, совершаемой внешней силой при сжатии пружины. Оба случая показывают, что сила упругости F → у п р равняется работе внешней силы F → , но с противоположным знаком.

Определение 2

Если на тело действует несколько сил, то их общая работа равняется сумме всех работ, совершаемых над телом. Когда тело движется поступательно, точки приложения сил перемещаются одинаково, то есть общая работа всех сил будет равна работе равнодействующей приложенных сил.

Мощность

Определение 3

Мощностью называют работу силы, совершаемую в единицу времени.

Запись физической величины мощности, обозначаемой N , принимает вид отношения работы А к промежутку времени t совершаемой работы, то есть:

Определение 4

Система С И использует в качестве единицы мощности ватт (В т) . 1 Ватт - это мощность, которую совершает работу в 1 Д ж за время 1 с.

Помимо Ватта, существуют и внесистемные единицы измерения мощности. Например, 1 лошадиная сила примерна равна 745 Ваттам.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Класс

Урок №27

Механическая работа. Мощность Единицы их измерения.

Изучение нового материала

Работа». Это слово нам знакомо с детства. Оно сопровождает нас в течение всей жизни; этим словом мы называем любой вид человеческой деятельности: физической, умственной или творческой. Мы знаем, что в течение жизни сердце выполняет работу. Эта работа сердца эквивалентна работе, которую нужно выполнить для подъема поезда на наивысшую гору Европы – Монблан (4810 м). Всё живое постоянно двигается, человек только в своей деятельности развивается и достигает своих результатов. Это важное понятие.

Но физика в это понятие вкладывает несколько иное содержание. В физике в первую очередь изучают механическую работу. И очень важный факт при выполнении работы – это ее скорость. Мы всегда хотим что-то сделать не только лучше, но и быстрее.

В настоящий момент я попрошу вас продемонстрировать выполнение какой-то работы на своих местах. Скажите, пожалуйста, что является необходимым условием выполнения работы?

Да, наличие прилагаемой силы и перемещения.

Механическая работа – это физическая величина, которая характеризует перемещение тела под действием силы.

Как любая другая физическая величина, механическая работа имеет единицы измерения и формулу для расчёта.

[A] = 1 Дж

Механическая работа равняется произведению силы и перемещения.

«Это интересно!» Единица измерения работы в СИ названа в честь английского ученого XIX века Дж. Джоуля. Дж. Джоуль (1818-1889) родился в Англии в семье владельца пивоваренного завода. Из-за слабого здоровья до 15 лет Джеймс не посещал школу. Но в 15 лет под руководством известного химика Джона Дальтона успешно освоил математику, физику и химию. После смерти отца, продав свою часть наследства, Джоуль приступил к самостоятельным научным исследованиям, вложив в это все свои деньги. На своем веку Джоуль провел тисячу опытов в отрасли механики, электромагнетизма и тепловых явлений, которые имели успех.

Теперь обратимся к такому примеру выполнения работы. Нужно вскопать участок. Как выполнить эту работу быстрее – лопатой или трактором? Будет ли одинаковой выполненная работа?

Да, работа одинакова; но будет потрачено разное время: трактором эта работа будет выполнена быстрее.

На 10 этаж мы поднимемся быстрее лифтом, чем по ступенькам. Подъемный кран поднимает тяжелый кирпич на высоту сооружаемого дома за несколько минут, в то время как рабочие потратили бы на выполнение той же работы целый день. Тот механизм, который выполняет работу быстрее, считается мощнее.

Мощность – это физическая величина, которая характеризует скорость выполнения работы.

Мощность равна отношению механической работы ко времени, за которое эта работа выполнена.

Единица измерения мощности названа в честь английского ученого – Джеймса Ватта. Его называли «Архимедом» XVIII века. Но существует внесистемная единица измерения мощности – лошадиная сила. Дело в том, что на рассвете машиностроения потенциальному потребителю было более привычно и более понятно объяснение, что мощность данного механизма равняется 20 лошадиным силам, то есть механизм способен заменить собой 20 лошадей.

«Это интересно!» Средняя мощность взрослого человека при достаточно длительной работе составляет примерно 35 – 75 Вт. Но за достаточно короткое время человек может развивать мощность большую, чем лошадь. Например, спортсмены, которые толкают штангу массой больше 200 кг на высоту 1,8 м за 1с, развивают мощность приблизительно 3500 Вт.

С помощью расчётов в своих тетрадях можно проверитьэтот факт.

А мощность насекомого в полёте равна примерно 0,00001 Вт.

Закрепление нового материала.

Решение задачи

Какую мощность развивает штангист, если штангу массой 125 кг он поднимает на высоту 70 см за 0,3 с?

Дано: СИ Решение

т=125кг

h=70см 0,7м N= но A=FS и F=mg, а S=h.

t=0,3с Значит, N=

N-? N= 2916,7 Вт

[N] = = = =Вт

Ответ: 2916,7 Вт.

Домашнее задание

8-а: выучить параграфы 17 и 19 (пункт 3); ответить письменно на вопросы.

8-б: выучить параграфы 41 и 47; ответить письменно на вопросы.

Вопросы

1. Приведите примеры, когда на тело действует сила, однако работу она не выполняет.

2. Два одинаковых по массе груза были доставлены на автобусах в пригородный поселок Донецка и в центр Донецка. Была ли одинаковой работа выполненная в первом и во втором случаях? Почему?

3. Почему в ХХ и ХХI веках стали строить быстрее, чем когда-то?

4. Два мальчика разной массы наперегонки выбежали на третий этаж дома, показав при этом одинаковое время. Развивали ли одинаковую мощность они при этом?

Чтобы иметь возможность охарактеризовать энергетические характеристики движения, было введено понятие механической работы. И именно ей в её разных проявлениях посвящена статья. Для понимания тема одновременно и лёгкая, и довольно сложная. Автор искренне старался сделать её более понятной и доступной для понимания, и остаётся только надеяться, что цель достигнута.

Что называют механической работой?

Что же так называют? Если над телом работает какая-то сила, и в результате действия оной тело перемещается, то это и называется механической работой. При подходе с точки зрения научной философии здесь можно выделить несколько дополнительных аспектов, но в статье будет тема раскрыта с точки зрения физики. Механическая работа - это не сложно, если хорошо вдуматься в написанные здесь слова. Но слово "механическая" обычно не пишется, и всё сокращается до слова «работа». Но не каждая работа является механической. Вот сидит человек и думает. Работает ли он? Мысленно да! Но механическая ли это работа? Нет. А если человек идёт? Если тело перемещается под действием силы, то это механическая работа. Всё просто. Иными словами, сила, действующая на тело, совершает (механическую) работу. И ещё: именно работой можно охарактеризовать результат действия определённой силы. Так ечли человек идёт, то определённые силы (трения, тяжести и т.д.) совершают над человеком механическую работу, и в результате их действия человек меняет точку своего нахождения, другими словами перемещается.

Работа как физическая величина равняется силе, что действует на тело, множимой на путь, который совершило тело под влиянием этой силы и в направлении, указываемом ею. Можно сказать, что механическая работа была сделана, если одновременно было соблюдено 2 условия: сила действовала на тело, и оно переместилось в направление её действия. Но она не совершалась или не совершается, если сила действовала, а тело не поменяло свое местонахождение в системе координат. Вот небольшие примеры, когда механическая работа не совершается:

1. Так человек может навалиться на огромный валун с целью сдвинуть его, но сил не хватает. Сила действует на камень, а он не перемещается, и работа не происходит.
2. Тело движется в системе координат, а сила равняется нулю или они все компенсировались. Такое можно наблюдать во время движения по инерции.
3. Когда направление, в котором двигается тело, перпендикулярно действию силы. Когда поезд двигается по горизонтальной линии, то сила тяжести свою работу не совершает.

Зависимо от определённых условий механическая работа бывает отрицательной и положительной. Так, если направления и силы, и движения тела одинаковы, то происходит положительная работа. Примером положительной работы является действие силы тяжести на падающую каплю воды. Но если сила и направление движения противоположны, то значит происходит отрицательная механическая работа. Примером уже такого варианта является поднимающийся вверх воздушный шарик и сила тяжести, которая совершает отрицательную работу. Когда тело поддаётся влиянию нескольких сил, такая работа называется "работой результирующей силы".

Особенности практического применения (кинетическая энергия)

Переходим от теории к практической части. Отдельно следует поговорить о механической работе и её использовании в физике. Как многие наверняка вспомнили, вся энергия тела делится на кинетическую и потенциальную. Когда объект находится в положении равновесия и никуда не движется, его потенциальная энергия равняется общей энергии, а кинетическая равняется нулю. Когда начинается движение, потенциальная энергия начинает уменьшаться, кинетическая расти, но в сумме они равняются общей энергии объекта. Для материальной точки кинетическую энергию определяют как работу силы, которая ускорила точку от нуля до значения Н, а в формульном виде кинетика тела равна ½*М*Н, где М - масса. Чтобы узнать кинетическую энергию объекта, который состоит из множества частиц, необходимо найти сумму всей кинетической энергии частиц, и это будет кинетическая энергия тела.

Особенности практического применения (потенциальная энергия)

В случае, когда все действующие на тело силы консервативны, и потенциальная энергия равняется общей, то работа не совершается. Этот постулат известен как закон сохранения механической энергии. Механическая энергия в замкнутой системе является постоянной во временном интервале. Закон сохранения широко используют для решения задач из классической механики.

Особенности практического применения (термодинамика)

В термодинамике работа, которую совершает газ при расширении, рассчитывают по интегралу умножения давления на объем. Такой подход применим не только в тех случаях, когда есть точная функция объема, но и ко всем процессам, что могут быть отображены в плоскости давление/объем. Также применяется знание о механической работе не только к газам, но и ко всему, что может оказать давление.

Особенности практического применения на практике (теоретическая механика)

В теоретической механике все вышеописанные свойства и формулы рассматриваются более детально, в частности это проекции. Она даёт и свое определение для различных формул механической работы (пример определения для интеграла Риммера): предел, до которого стремится сумма всех сил элементарных работ, когда мелкость разбиения стремится к нулевому значению, называется работой силы вдоль кривой. Наверное, сложно? Но ничего, с теоретической механикой всё. Да уже и вся механическая работа, физика и другие сложности закончились. Дальше будут только примеры и заключение.

Единицы измерения механической работы

Для измерения работы в СИ используются джоули, а СГС использует эрг:

1. 1 Дж = 1 кг·м²/с² = 1 Н·м
2. 1 эрг = 1 г·см²/с² = 1 дин·см
3. 1 эрг = 10 −7 Дж

Примеры механической работы

Для того чтобы разобраться окончательно с таким понятием как механическая работа, следует изучить несколько отдельных примеров, которые позволят рассмотреть её с множества, но далеко не всех сторон:

1. Когда человек поднимает руками камень, то происходит механическая работа с помощью мускульной силы рук;
2. Когда по рельсам едет поезд, его тянет сила тяги тягача (электровоза, тепловоза и т.д.);
3. Если взять ружье и выстрелить из него, то благодаря силе давления, которую создадут пороховые газы, будет сделана работа: пуля перемещена вдоль ствола ружья одновременно с увеличением скорости самой пули;
4. Механическая работа есть и тогда, когда сила трения действует на тело, заставляя его уменьшить скорость своего движения;
5. Вышеописанный пример с шарами, когда они поднимаются в противоположную сторону относительно направления силы тяжести, тоже является примером механической работы, но кроме силы тяжести действует ещё и сила Архимеда, когда вверх поднимается всё, что легче воздуха.

Что такое мощность?

Напоследок хочется затронуть тему мощности. Работу силы, которая совершается в одну единицу времени, и называют мощностью. По сути мощность - это такая физическая величина, которая является отображением отношения работы к определённому промежутку времени, во время которого эта работа и совершалась: М=Р/В, где М - мощность, Р - работа, В - время. Единицу мощности в СИ обозначают в 1 Вт. Ватт равняется мощности, которая совершает работу в один джоуль за одну секунду: 1 Вт=1Дж\1с.

Вы знаете, что такое работа? Вне всякого сомнения. Что такое работа, знает каждый человек, при условии, что он рожден и живет на планете Земля. А что такое механическая работа?

Это понятие тоже известно большинству людей на планете, хотя некоторые отдельные личности и имеют довольно смутное представление об этом процессе. Но речь сейчас не о них. Еще меньшее число людей имеют представление, что такое механическая работа с точки зрения физики. В физике механическая работа - это не труд человека ради пропитания, это физическая величина, которая может быть совершенно никак не связана ни с человеком, ни с другим каким-нибудь живым существом. Как так? Сейчас разберемся.

Механическая работа в физике

Приведем два примера. В первом примере воды реки, столкнувшись с пропастью, шумно падают вниз в виде водопада. Второй пример - это человек, который держит на вытянутых руках тяжелый предмет, например, удерживает надломившуюся крышу над крыльцом дачного домика от падения, пока его жена и дети судорожно ищут, чем ее подпереть. В каком случае совершается механическая работа?

Определение механической работы

Практически все, не задумываясь, ответят: во втором. И будут неправы. Дело обстоит как раз наоборот. В физике механическая работа описывается следующими определениями: механическая работа совершается тогда, когда на тело действует сила, и оно движется. Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и пройденному пути.

Формула механической работы

Определяется механическая работа формулой:

где A - работа,
F - сила,
s - пройденный путь.

Так что, несмотря на весь героизм уставшего держателя крыши, проделанная им работа равна нулю, а вот вода, падая под действием силы тяжести с высокого утеса, совершает самую, что ни на есть, механическую работу. То есть, если мы будем толкать тяжелый шкаф безуспешно, то проделанная нами работа с точки зрения физики будет равна нулю, несмотря на то, что мы прикладываем много сил. А вот если мы сдвинем шкаф на некоторое расстояние, то тогда мы проделаем работу, равную произведению приложенной силы на расстояние, на которое мы передвинули тело.

Единица работы - 1 Дж. Это работа, совершенная силой в 1 ньютон, по передвижению тела на расстояние в 1 м. Если направление приложенной силы совпадает с направлением движения тела, то данная сила совершает положительную работу. Пример - это когда мы толкаем какое-либо тело, и оно двигается. А в случае, когда сила приложена в противоположную движению тела сторону, например, сила трения , то данная сила совершает отрицательную работу. Если же приложенная сила никак не влияет на движение тела, то сила, совершаемая этой работой, равна нулю.

Механическая работа – это скалярная физическая величина, которая характеризует изменение положения тела под действием силы и равна произведению модуля силы на модуль перемещения (путь).

A = Fs

За единицу измерения работы в СИ принят 1 джоуль .

[А] = 1Н×1м = 1 Дж

Анализ формулы механической работы:

1. Работа силы положительная
А > 0 , если направление силы и направление перемещения совпадают;

Пример: кот падает с крыши. Направление движение кота совпадает с направлением действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести положительная .

2. Работа силы отрицательна
А < 0 , если направление силы и направление перемещения направлены в противоположные стороны;

Пример: кота подбросили вверх. Направление движение кота противоположно направлению действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести отрицательная .

3. Работа силы равна нулю
А = 0 , если
1. под действием силы тело не перемещается, т.е когда s = 0
2. величина силы равна нулю, т.е. F = 0
3. угол между направлениями перемещения и силой равен 90°.

Пример: кот просто идёт по дорожке. Направление движения кота перпендикулярно направлению действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести равна нулю .

Если построить график зависимости значения силы от перемещения (пути), пройдённого телом, то этот график будет представлять собой отрезок прямой, параллельной оси перемещения (пути).

Из рисунка видно, что заштрихованная область под графиком представляет собой прямоугольник со сторонами F и s. Площадь данного прямоугольника равна F s.
Геометрический смысл механической работы заключается в том, что работа силы численно равна площади фигуры под графиком зависимости силы от перемещения тела.