Fysiikka on sen lisäksi, että se on sana, joka valitettavasti pelottaa mahdolliset tulevaisuuden tiedeharrastajat etukäteen.kuinka esineet liikkuvat. Tämä sisältää kaiken kokonaisista galaksiryhmistä melkein liian pieniin hiukkasiin kuvitellakseen, vielä vähemmän oikein visualisoituna.
Ja valtava osa sovelletusta fysiikasta (ts. Fysiikan tiede, joka keskittyy tiedon hyödyntämiseen pikemminkin kuin "vain" teoriointiin) on miettiä, kuinka saada enemmäntyövähemmänenergiaa.
Työn lisäksi melkein päivittäinen velvollisuus työntekijöille ja opiskelijoille sekä kenraali hyvin käytettyjen ponnistelujen merkitsijä on yksi fysiikan tärkeistä muodollisista määristä, jonka yksiköt ovat energiaa. Lyhyesti sanottuna, aina kun energiaa käytetään objektin liikkumiseen, kyseiselle esineelle tehdään työtä.
Päivittäisiä esimerkkejä tehdystä työstä ovat hissit, jotka kuljettavat hotellivieraita heidän kerroksiinsa, lapsi, joka vetää kelkka mäkeä ylös tai kaasun laajentaminen polttomoottorissa, joka ajaa mäntää. Tämän käsitteen ymmärtämiseksi on hyödyllistä tarkastella joitain energian, liikkeen ja aineen perusteita, jotka tekevät "työstä" ensinnäkin elinkelpoisen käsitteen fysiikassa.
Työn määritelmä
Työskentele jonkin matkan kohdalla kohdistetun voiman fyysinen tulos, koska voima tuottaa esineen, johon se vaikuttaa, siirtymän. Työllä on positiivinen arvo, kun voima on samassa suunnassa kuin liike, ja negatiivinen arvo, kun se on päinvastainen suunta (tuo "negatiivinen työ" voi jopa tapahtua näyttää todennäköisesti oudolta, mutta näet kuinka hetkellisesti). Jokainen järjestelmä, jolla on energiaa, kykenee tekemään työtä.
Kun esine ei liiku, sitä ei tehdä. Tämä on totta riippumatta siitä, kuinka paljon vaivaa tehtävään pannaan, kuten yrittää itse liikuttaa suurta kiveä. Tällöin lihastesi supistuksista tuleva energia menetetään, kun lämpö haihtuu näistä lihaksista. Joten vaikka et tekisi työtä tässä skenaariossa, ainakin pääset työhönuloseräänlaisia.
Vain voiman komponentti, joka on suunnattu kohteen siirtymän suuntaan, vaikuttaa siihen tehtyyn työhön. Jos joku kävelee positiivista x-akselia vastaavassa suunnassa tyypillisessä koordinaatistossa ja kokee vasemmalta voiman, jonka vektori onmelkeinkohtisuorassa hänen liikkeeseensa, mutta osoittaa hyvin vähän x-suuntaan, vain se suhteellisen pieni voimakertoimien x-komponentti ongelmaan.
Kun kävelet portaita pitkin, teet työtä estääkseen itseäsi liikkumasta vielä nopeammin (vapaapudotus), mutta koska liike on edelleen suuntaan, joka vastustaa ponnistelujasi, tämä on esimerkki negatiivisesta työstä merkki. Painovoiman ja sinun itsesi tekemä yhdistetty nettotyö on positiivista, mutta pienempi positiivinen luku kuin se olisi ilman "työskentelyäsi" suorassa vastustuksessa.
Työllä on energiayksiköitä
Järjestelmän kokonaisenergia on sen sisäinen tai lämpöenergia sekä sen mekaaninen energia. Mekaaninen energia voidaan jakaa liikkeen energiaan (kineettinen energia) ja "varastoitu" energia (Mahdollinen energia). Mekaanisen kokonaisenergian määrä missä tahansa järjestelmässä on sen potentiaalisten ja kineettisten energioiden summa, joista kullakin voi olla erilainen muoto.
Kineettinen energia on avaruuden kautta tapahtuvan liikkeen energia, sekä lineaarinen että pyörivä. Jos massampidetään matkaahmaanpinnan yläpuolella sen potentiaalinen energia onmgh. Jos painovoiman aiheuttama kiihtyvyys,g, arvo on 9,80 m / s2 lähellä maapalloa.
Jos esine vapautetaan lepotilasta korkeudessa h ja sen annetaan pudota alaspäin maahan (h = 0), sen kineettinen energia törmäyksessä on (1/2) mv2= mgh, koska koko energia on muunnettu potentiaalista kineettiseksi putoamisen aikana (olettaen, ettei kitka- tai lämpöenergian häviöitä ole). Hiukkasen potentiaalienergian ja kineettisen energian summa pysyy jatkuvasti vakiona.
- Koska voimalla on yksiköitänewtonit(kg⋅m / s2) SI (metrinen) -järjestelmässä ja etäisyys metreinä, työn ja energian yksikkö on yleensä kg⋅m2/ s2. Tämä SI-yksikkö tunnetaan nimelläJoule.
Työn kaava
Työn vakioyhtälö on:
W = F \ cdot d
missädon siirtymä. Vaikka voima ja siirtymä ovat molemmat vektorimääriä, niiden tuote on skalaarinen tulo (kutsutaan myös pistetuloksi). Tämä uteliaisuus pätee muihin vektorikertoimiin, jotka kerrotaan yhdessä, kuten voimaan ja nopeuteen, joiden kertominen johtaa skalaariseen suuruusvoimaan. Muissa fyysisissä tilanteissa vektorien kertolasku tuottaa vektorimäärän, joka tunnetaan ristituotteena.
Yksittäiset voimat järjestelmässäF1, F2, F3 ... Fntehdä työtä suuruudeltaan yhtä suuri kuinF1d1, F2d2, ja niin edelleen; nämä yksittäiset tuotteet, joihin voi sisältyä sekä negatiivisia että positiivisia arvoja, voidaan yhteenveto antaa järjestelmän arvotkoko työtainettotyö. Nettotyön kaava Wnetto tehdään esineelle nettovoimallaFnet On
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
missäθon liikesuunnan ja kohdistetun voiman välinen kulma. Voit nähdä sen arvojenθjolle kulman kosini on 0, esimerkiksi kun voima on kohtisuorassa liikkeen suuntaan, verkkotyötä ei tehdä. Lisäksi, kun nettovoima toimii vastakkain liikesuuntaan, kosinifunktio antaa negatiivisen arvon, mikä tuottaa edellä mainitun "negatiivisen työn" seurauksena.
Kuinka laskea työ
Voit laskea kokonaistyön laskemalla yhteen ongelman eri voimien tekemän työn määrän. Kaikissa tapauksissa työn laskeminen edellyttää täydellistä ymmärrystä ongelman vektoreista, ei pelkästään niihin liittyvistä numeroista. Sinun on otettava käyttöön trigonometria.
- merkintä:Todellisessa elämässä, kun voima vaikuttaa esineeseen painovoiman lisäksi, se ei todennäköisesti ole vakio. Mikä tahansa näissä esimerkeissä mainittu voima F, jonka näet, voidaan olettaa olevan vakio voima. Kun voimat vaihtelevat, tässä mainitut suhteet pysyvät voimassa, mutta sinun on suoritettava kiinteä laskenta siihen liittyvien ongelmien ratkaisemiseksi.
Esimerkki:Koira, joka vetää 20 kg: n lasten kelkkayhdistelmän vaakasuoran lumikentän yli, kiihtyy lepotilasta nopeuteen 5 m / s 5 sekunnin kuluessa (a= 1 m / s2). Kuinka paljon työtä koira tekee lapsen ja kelkan yhdistelmässä? Oletetaan, että kitka on merkityksetön.
Ensin lasketaan koiran lapselle ja kelkille kohdistama kokonaisvoima:F= ma= (20 kg) (1 m / s2) = 20 N. Siirtymä on keskinopeutta (v - v0) / 2 (= 5/2) kerrottuna ajalla t (= 5 s), joka on 12,5 m. Siten kokonaistyö on (20 N) (12,5 m) =250 J.
- Kuinka ratkaisisit tämän ongelman käyttämällä sen sijaan työ-energia-teoreemaa?
Työskentele voimaa kulmassa
Kun voimaa ei kohdisteta 0 astetta (ts. Jos se on kulmassa esineeseen nähden), etsi yksikköön tehty työ yksinkertaisen trigonometrian avulla. Sinun tarvitsee vain osata käyttää kosinia ja siniä johdantotason ongelmiin.
Kuvittele esimerkiksi, että yllä olevassa tilanteessa oleva koira seisoo kallion reunalla, niin että lapsen ja koiran välinen köysi tekee 45 asteen kulman vaakasuoran lumikentän kanssa. Jos koira käyttää samaa voimaa kuin aiemmin tässä uudessa kulmassa, huomaat, että tämä voima annetaan (cos 45 °) (20 N) = 14,1 N ja että tuloksena kelkalla tehty työ on (14,1 N) (12,5 m) =176,8 J. Lapsen uuden kiihtyvyyden antaa voiman arvo ja Newtonin laki,F= ma: (14,1 N) / 20 kg) = 0,71 m / s2.
Työ-energia-lause
Se ontyö-energia-lausejoka muodollisesti antaa työlle "etuoikeuden" ilmaista energiana. Työ-energiateoreeman mukaan esineelle tehty nettotyö on yhtä suuri kuin kineettisen energian muutos:
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
missä m on kohteen massa jav0javovat sen alku- ja loppunopeudet.
Tämä suhde on erittäin kätevä ongelmissa, joihin liittyy työ, voima ja nopeus, kun voiman suuruus tai jotakin muuta muuttujaa ei tunneta, mutta sinulla on tai voit laskea loput siitä, mitä sinun on edettävä kohti a ratkaisu. Se korostaa myös sitä, että verkkotyötä ei tehdä tasaisella nopeudella.
Kierto työ
Työ-energia-lause tai työ-energia-periaate saa tunnistettavan, mutta hieman erilaisen muodon kiinteän akselin ympäri pyöriville esineille:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
Tässäωon kulmanopeus radiaaneina sekunnissa (tai astetta sekunnissa) jaMinäon määrä, joka on analoginen lineaarisen liikkeen massalle, jota kutsutaan hitausmomentiksi (tai pinta-alan toiseksi hetkeksi). Se on ominaista pyörivän kohteen muodolle ja riippuu myös pyörimisakselista. Laskelmat tehdään samalla tavoin kuin lineaariselle liikkeelle.
Mitkä ovat Newtonin liikelakit?
Isaac Newton, yksi tieteellisen vallankumouksen johtavista matemaattisista ja tieteellisistä mielistä, ehdotti kolmea lakia, jotka säätelivät liikkuvien esineiden käyttäytymistä.
- Newtonin ensimmäinen liikelakitoteaa, että objekti liikkuu jatkuvastinopeuspysyvät siinä tilassa, ellei epätasapainoinen ulkopuolinen toimipakottaa. Tärkeä seuraus tästäinertian lakion, että nettovoimaa ei vaadita suurimman nopeuden ylläpitämiseen edellyttäen, että nopeus ei muutu.
- Newtonin toinen liikelakitoteaa, että nettovoimat vaikuttavat muuttamaan nopeutta taikiihdyttää, massat:Fnetto= ma. Voima ja kiihtyvyys ovatvektorimäärätja niillä on sekä suuruus että suunta (x-, y- ja z-komponentit tai kulmakoordinaatit); massa on askalaarinen määräja sillä on vain suuruus. Työ, kuten kaikki energiamuodot, on skalaarinen määrä.
- Newtonin kolmas liikelakitoteaa, että jokaiselle luonteeltaan olevalle voimalle on olemassa voima, joka on yhtä suuri, mutta päinvastainen. Eli jokaiselleFon olemassa voima-Fsamassa järjestelmässä riippumatta siitä, onko järjestelmä määrittämäsi omilla rajoillasi vai onko se yksinkertaisesti kosmos kokonaisuutena.
Newtonin toinen laki liittyy suoraan energiansäästölakiin, joka väittää, että järjestelmän kokonaisenergia (potentiaali plus kineettinen) pysyy vakiona energian siirtyessä muodosta toiseen, mutta sitä ei koskaan "tuhota" tai tuoteta siitä ei mitään.