Fysik er, ud over at være et ord, der desværre skræmmer potentielle fremtidige videnskabsmænd på forhånd, kernen i studiet afhvordan genstande bevæger sig. Dette inkluderer alt fra hele klynger af galakser til partikler, der næsten er for små til at forestille sig, langt mindre korrekt visualiseret.
Og en stor del af anvendt fysik (det vil sige den gren af fysisk videnskab, der beskæftiger sig med at bruge viden i stedet for "blot" teoretisering), er at finde ud af, hvordan man får merearbejdeud af mindreenergi.
Arbejde ud over at være en næsten daglig forpligtelse for medarbejdere og studerende såvel som en generel betegnelse for godt brugt indsats er en af et antal vitale formelle størrelser i fysik, der har enheder af energi. Kort sagt, når der bruges energi til at få et objekt til at bevæge sig, arbejdes der på det objekt.
Daglige eksempler på arbejde, der udføres, omfatter elevatorer, der fører hotelgæster op på deres etager, et barn, der trækker en slæde op ad en bakke eller udvidelsen af gas i en forbrændingsmotor, der driver et stempel. For korrekt at forstå dette koncept er det nyttigt at gennemgå nogle af de grundlæggende om energi, bevægelse og stof, der gør "arbejde" til et levedygtigt koncept inden for naturvidenskab i første omgang.
Definitionen af arbejde
Arbejd det fysiske resultat af en kraft, der påføres over en vis afstand, da kraften frembringer en forskydning af det objekt, som det virker på. Arbejde har en positiv værdi, når kraften er i samme retning som bevægelsen, og en negativ værdi, når den er i den modsatte retning (at "negativt arbejde" endda kan ske, virker sandsynligvis mærkeligt, men du vil se hvordan et øjeblik). Ethvert system, der har energi, er i stand til at udføre arbejde.
Når et objekt ikke bevæger sig, arbejdes der ikke med det. Dette gælder uanset hvor meget der lægges på en opgave, som at prøve at flytte en stor kampesten selv. I dette tilfælde går energien fra dine muskelsammentrækninger tabt, når varmen spredes fra disse muskler. Så selvom du ikke arbejder i dette scenarie, kommer du i det mindste i et værkudaf slags.
Kun komponenten af en kraft, der er rettet i tråd med objektets forskydning, bidrager til arbejdet på den. Hvis nogen går i en retning svarende til den positive x-akse på et typisk koordinatsystem og oplever en kraft fra sin venstre side, hvis vektor ernæstenvinkelret på hendes bevægelse, men peger meget let i x-retningen, kun den forholdsvis lille x-komponent af kraftfaktorerne ind i problemet.
Når du går ned ad en trappe, laver du arbejde for at forhindre dig selv i at bevæge dig endnu hurtigere (frit faldende), men fordi din bevægelse stadig er i den retning, der modsætter din indsats, er dette et eksempel på arbejde med et negativt skilt. Det kombinerede nettoarbejde udført af dig ved hjælp af tyngdekraften og dig selv er positivt, men et mindre positivt tal end det ville være uden dit "arbejde" i direkte modstand.
Arbejde har enheder af energi
Et systems samlede energi er dets interne eller termiske energi plus dets mekaniske energi. Mekanisk energi kan opdeles i bevægelsesenergi (kinetisk energi) og "lagret" energi (potentiel energi). Den samlede mekaniske energi i ethvert system er summen af dets potentielle og kinetiske energi, som hver kan tage forskellige former.
Kinetisk energi er bevægelsesenergi gennem rummet, både lineær og roterende. Hvis en massemholdes en afstandhover jorden er dens potentielle energimgh. Hvor accelerationen på grund af tyngdekraften,g, har værdien 9,80 m / s2 nær jordens overflade.
Hvis objektet frigøres fra hvile i højden h og får lov til at falde nedad til Jorden (h = 0), er dets kinetiske energi ved stød (1/2) mv2= mgh, da al energien er blevet konverteret fra potentiale til kinetisk i løbet af efteråret (forudsat at der ikke er friktions- eller varmeenergitab). Summen af partikelens potentielle energi og dens kinetiske energi forbliver konstant.
- Fordi kraft har enheder pånewtoner(kg⋅m / s2) i SI (metrisk) system og afstand er i meter, arbejde og energi har generelt enheder på kg unitsm2/ s2. Denne SI-enhed er kendt somJoule.
Formlen til arbejde
Standardligningen for arbejde er:
W = F \ cdot d
hvorder forskydning. Selvom kraft og forskydning begge er vektormængder, er deres produkt et skalarprodukt (også kaldet et punktprodukt). Denne nysgerrighed gælder for andre vektormængder, der ganges sammen, såsom kraft og hastighed, hvis multiplikation resulterer i den skalære mængdekraft. I andre fysiske situationer frembringer multiplikationen af vektorer en vektormængde, kendt som et krydsprodukt.
De enkelte kræfter i et systemF1, F2, F3 ... Fnarbejde med størrelser lig medF1d1, F2d2, og så videre; disse individuelle produkter, som kan omfatte negative såvel som positive værdier, kan summeres for at give systemetssamlet arbejde, ellernetto arbejde. Formlen for nettoværket Wnet udført på et objekt med en nettokraftFnet er
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
hvorθer vinklen mellem bevægelsesretningen og den påførte kraft. Du kan se det for værdier påθfor hvilken vinkelens cosinus er 0, såsom når kraften er vinkelret på bevægelsesretningen, udføres der ikke noget nettoarbejde. Når nettokraften også virker modsat bevægelsesretningen, giver cosinusfunktionen en negativ værdi, hvilket producerer det førnævnte "negative arbejde" som et resultat.
Sådan beregnes arbejde
Du kan beregne det samlede arbejde ved at tilføje mængden af arbejde udført af forskellige kræfter i et problem. I alle tilfælde kræver beregning af arbejde en fuldstændig forståelse af vektorerne i problemet, ikke kun de numre, der følger med dem. Du bliver nødt til at bruge grundlæggende trigonometri til at bruge.
- Bemærk:I det virkelige liv, når en kraft virker på en genstand udover tyngdekraften, er det usandsynligt, at den er konstant. Enhver kraft F du ser nævnt i disse eksempler kan antages at være en konstant kraft. Når kræfterne varierer, forbliver forholdene, der er nævnt her, gyldige, men du bliver nødt til at udføre integreret beregning for at løse de tilknyttede problemer.
Eksempel:En hund, der trækker en 20-kg-slæde-kombination over en vandret snefelt, accelererer fra hvile til en hastighed på 5 m / s i løbet af 5 sekunder (-en= 1 m / s2). Hvor meget arbejde udfører hunden på børneslædekombinationen? Antag, at friktion er ubetydelig.
Først beregner du den samlede kraft, som hunden anvender på barnet og slæden:F= m-en= (20 kg) (1 m / s2) = 20 N. Forskydning er gennemsnitlig hastighed (v - v0) / 2 (= 5/2) ganget med tiden t (= 5 s), hvilket er 12,5 m. Således er det samlede arbejde (20 N) (12,5 m) =250 J.
- Hvordan ville du løse dette problem ved hjælp af arbejdsenergisætningen i stedet?
Arbejd for kraft i en vinkel
Når der ikke påføres kraft ved 0 grader (dvs. hvis den er i en vinkel med objektet), skal du bruge simpel trigonometri til at finde det arbejde, der er udført på det objekt. Du behøver kun at vide, hvordan man bruger cosinus og sinus til introduktionsniveau-problemer.
Forestil dig for eksempel hunden i ovenstående situation, der står på kanten af en klippe, så rebet mellem barnet og hunden gør en vinkel på 45 grader med det vandrette snefelt. Hvis hunden anvender den samme kraft som før i denne nye vinkel, finder du, at den vandrette komponent af denne kraft er givet (cos 45 °) (20 N) = 14,1 N, og at det resulterende arbejde udført på slæden er (14,1 N) (12,5 m) =176,8 J. Den nye acceleration af barnet er givet af værdien af kraften og Newtons lov,F= m-en: (14,1 N) / 20 kg) = 0,71 m / s2.
The Work-Energy Theorem
Det ersætning mellem arbejde og energider formelt giver arbejdet "privilegiet" til at blive udtrykt i form af energi. I henhold til arbejdsenergisætningen er nettoarbejdet på et objekt lig med ændringen i kinetisk energi:
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
hvor m er genstandens masse ogv0ogver dens indledende og endelige hastigheder.
Dette forhold er meget nyttigt i problemer, der involverer arbejde, kraft og hastighed, hvor kraftens størrelse eller en anden variabel er ukendt, men du har eller kan beregne resten af, hvad du har brug for for at gå videre mod a opløsning. Det understreger også, at der ikke udføres nettoarbejde med konstant hastighed.
Rotationsarbejde
Arbejdsenergisætningen eller arbejdsenergiprincippet får en genkendelig, men lidt anden form for objekter, der roterer omkring en fast akse:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
Herωer vinkelhastighed i radianer pr. sekund (eller grader pr. sekund) ogjeger en mængde analog med masse i lineær bevægelse kaldet inertimomentet (eller det andet arealmoment). Det er specifikt for formen på det roterende objekt og afhænger også af rotationsaksen. Beregninger udføres på samme generelle måde som for lineær bevægelse.
Hvad er Newtons bevægelseslove?
Isaac Newton, en af de førende matematiske og videnskabelige sind i den videnskabelige revolution, foreslog tre love, der regulerer opførslen af objekter i bevægelse.
- Newtons første bevægelseslovangiver, at et objekt i bevægelse med konstanthastighedvil forblive i den tilstand, medmindre det handles af en ubalanceret eksternkraft. En vigtig konsekvens af dettelov om inertier, at nettokraft ikke kræves for at opretholde selv den højeste hastighed, forudsat at hastigheden ikke ændres.
- Newtons anden bevægelseslovangiver, at nettokræfter virker for at ændre hastigheden på, ellerfremskynde, masser:Fnet= m-en. Kraft og acceleration ervektormængderog har både størrelse og retning (x-, y- og z-komponenter eller vinkelkoordinater); masse er enskalær mængdeog har kun størrelse. Arbejde er, som alle former for energi, en skalar mængde.
- Newtons tredje bevægelseslovangiver, at der for hver kraft i naturen findes en kraft, der er lige stor, men modsat i retning. Det er for enhverFder findes en kraft-Finden for det samme system, uanset om systemet er et, du har defineret med dine egne grænser eller simpelthen er kosmos som en helhed.
Newtons anden lov vedrører direkte loven om bevarelse af energi, som hævder, at den samlede energi i et system (potentiale plus kinetisk) forbliver konstant, hvor energi overføres fra en form til en anden, men aldrig "ødelægges" eller produceres ud af ikke noget.
