Fizika, osim što je riječ koja unaprijed nažalost plaši potencijalne ljubitelje znanosti, u svojoj je srži i studijakako se predmeti kreću. To uključuje sve, od cijelih nakupina galaksija do čestica gotovo premalih da bi se mogle zamisliti, a još manje pravilno vizualizirati.
I ogroman dio primijenjene fizike (odnosno grane fizičke znanosti koja se bavi stavljanjem znanja u upotrebu, a ne "pukim" teoretiziranjem) smišlja kako dobiti višeraditiod manjeenergije.
Posao, pored svakodnevne obveze za zaposlenike i studente, kao i općenito označitelj dobro utrošenog napora jedna je od niza vitalnih formalnih veličina u fizici koja ima jedinice energije. Ukratko, kad god se energija koristi za pokretanje predmeta, radi se na tom objektu.
Primjeri svakodnevnog posla uključuju dizala koja goste hotela dovode na pod, dijete koje vuče saonice uz brdo ili širenje plina u motoru sa unutrašnjim izgaranjem koji vozi klip. Da biste pravilno razumjeli ovaj koncept, korisno je pregledati neke od osnova o energiji, kretanju i materiji koje prije svega čine "rad" održivim konceptom u fizičkoj znanosti.
Definicija rada
Djelujte na fizički rezultat sile koja se primjenjuje na određenoj udaljenosti, jer sila stvara pomak predmeta na koji djeluje. Rad ima pozitivnu vrijednost kada je sila u istom smjeru kao i gibanje, a negativnu vrijednost kad je u suprotan smjer (taj se "negativni rad" čak može dogoditi vjerojatno se čini čudnim, ali vidjet ćete kako na trenutak). Svaki sustav koji posjeduje energiju sposoban je za rad.
Kad se objekt ne pomiče, na njemu se ne radi. To je točno bez obzira na to koliko se truda ulaže u zadatak, poput pokušaja da sami pomaknete veliku gromadu. U tom se slučaju energija iz kontrakcija mišića gubi kako se toplina odvodi iz tih mišića. Dakle, iako u ovom scenariju ne radite, barem radite na posluvanvrsta.
Samo komponenta sile usmjerena u skladu s pomakom predmeta doprinosi radu na njemu. Ako netko hoda u smjeru koji odgovara pozitivnoj osi x na tipičnom koordinatnom sustavu i iskusi silu s njezine lijeve strane čiji je vektorskorookomita na njezino kretanje, ali vrlo malo usmjerava u smjeru x, samo ona razmjerno mala X-komponenta čimbenika sile u problem.
Kada siđete niz stepenice, radite na tome da se spriječite da se krećete još brže (slobodno padajući), ali budući da je vaš pokret i dalje u smjeru u kojem se suprotstavljate vašim naporima, ovo je primjer rada s negativom znak. Kombinirani neto rad na vama gravitacijom i vama samima pozitivan je, ali manji pozitivan broj nego što bi bio bez vašeg "rada" u izravnoj suprotnosti.
Rad ima jedinice energije
Ukupna energija sustava je njegova unutarnja ili toplinska energija plus njegova mehanička energija. Mehaničku energiju možemo podijeliti na energiju kretanja (kinetička energija) i "pohranjena" energija (potencijalna energija). Ukupna mehanička energija u bilo kojem sustavu zbroj je njegove potencijalne i kinetičke energije, od kojih svaka može imati različite oblike.
Kinetička energija je energija kretanja kroz prostor, linearna i rotacijska. Ako misamdrži se na distancihiznad tla, njegova potencijalna energija jemgh. Gdje je ubrzanje zbog gravitacije,g, ima vrijednost 9,80 m / s2 u blizini Zemljine površine.
Ako se objekt oslobodi odmora na visini h i pusti da padne prema dolje na Zemlju (h = 0), njegova kinetička energija pri udaru iznosi (1/2) mv2= mgh, jer je tijekom pada sva energija pretvorena iz potencijalne u kinetičku (pod pretpostavkom da nema gubitaka trenja ili toplinske energije). U svakom trenutku zbroj potencijalne energije čestice i njene kinetičke energije ostaje konstantan.
- Budući da sila ima jedinicenjutni(kg⋅m / s2) u SI (metrički) sustav, a udaljenost je u metrima, rad i energija općenito imaju jedinice kg⋅m2/ s2. Ova SI jedinica rada poznata je kaoDžul.
Formula za rad
Standardna jednadžba za rad je:
W = F \ cdot d
gdjedje pomak. Iako su sila i pomicanje vektorske veličine, njihov je proizvod skalarni proizvod (koji se naziva i točkasti proizvod). Ova je znatiželja istinita za druge vektorske veličine koje se množe zajedno, poput sile i brzine, čije umnožavanje rezultira skalarnom količinskom snagom. U drugim fizičkim situacijama množenjem vektora nastaje vektorska veličina, poznata kao unakrsni proizvod.
Pojedinačne sile u sustavuF1, F2, F3 ... Fnradite s veličinama jednakimF1d1, F2d2, i tako dalje; ovi pojedinačni proizvodi, koji mogu sadržavati negativne kao i pozitivne vrijednosti, mogu se zbrojiti dajući sustavuukupan rad, ilineto rad. Formula za neto rad Wneto učinjeno na objektu neto silomFnet je
W_ {mreža} = F_ {mreža} \ cdot d = F_ {mreža} d \ cos {\ theta}
gdjeθje kut između smjera kretanja i primijenjene sile. To možete vidjeti za vrijednosti odθza koji je kosinus kuta 0, kao npr. kada je sila okomita na smjer kretanja, ne radi se neto rad. Također, kada neto sila djeluje suprotno od smjera kretanja, kosinusna funkcija daje negativnu vrijednost, što rezultira gore spomenutim "negativnim radom".
Kako izračunati rad
Možete izračunati ukupan rad zbrajanjem količine posla koju različite snage rade u problemu. U svim slučajevima izračunavanje rada zahtijeva potpuno razumijevanje vektora u problemu, a ne samo brojeve koji idu uz njih. Morat ćete upotrijebiti osnovnu trigonometriju.
- Bilješka:U stvarnom životu, kada sila djeluje na objekt osim gravitacije, malo je vjerojatno da će biti stalna. Bilo koja sila F koju vidite spomenutu u ovim primjerima može se pretpostaviti kao konstantna sila. Kada se sile razlikuju, ovdje navedeni odnosi ostaju na snazi, ali morat ćete izvršiti integralni račun da biste riješili povezane probleme.
Primjer:Pas koji vuče kombinaciju dječjih zaprega od 20 kg preko vodoravnog snježnog polja ubrzava od odmora do brzine 5 m / s tijekom 5 sekundia= 1 m / s2). Koliko pas radi na kombinaciji dijete-sanjke? Pretpostavimo da je trenje zanemarivo.
Prvo izračunajte ukupnu silu koju pas primjenjuje na dijete i saonice:F= ma= (20 kg) (1 m / s2) = 20 N. Pomak je prosječna brzina (v - v0) / 2 (= 5/2) pomnoženo s vremenom t (= 5 s), što je 12,5 m. Dakle, ukupni rad je (20 N) (12,5 m) =250 J.
- Kako biste riješili ovaj problem koristeći teorem o radnoj energiji?
Radite za silu pod kutom
Kada se sila ne primjenjuje na 0 stupnjeva (tj. Ako je pod kutom prema objektu), upotrijebite jednostavnu trigonometriju da biste pronašli rad na tom objektu. Trebate znati koristiti kosinus i sinus samo za uvodne probleme.
Na primjer, zamislite psa u gore navedenoj situaciji kako stoji na rubu litice, tako da konop između djeteta i psa napravi kut od 45 stupnjeva s vodoravnim snježnim poljem. Ako pas primjenjuje istu silu kao prije u ovom novom kutu, ustanovit ćete da je vodoravna komponenta ta je sila dana (cos 45 °) (20 N) = 14,1 N, a rezultirajući rad na saonicama je (14,1 N) (12,5 m) =176,8 J. Novo ubrzanje djeteta dobiva vrijednost sile i Newtonov zakon,F= ma: (14,1 N) / 20 kg) = 0,71 m / s2.
Teorem o radu i energiji
To jeradno-energetski teoremkoji formalno daje "privilegiju" da se izražava u energetskom smislu. Prema teoremu o radnoj energiji, neto rad na objektu jednak je promjeni kinetičke energije:
W_ {mreža} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
gdje je m masa predmeta iv0ivsu njegove početne i konačne brzine.
Ovaj odnos vrlo dobro dolazi u problemima koji uključuju rad, silu i brzinu gdje je veličina sile ili je neka druga varijabla nepoznata, ali imate ili možete izračunati ostatak onoga što trebate da biste nastavili prema riješenje. Također naglašava činjenicu da se mrežni radovi ne rade konstantnom brzinom.
Rotacijski rad
Teorem o radnoj energiji ili princip radne energije poprima prepoznatljiv, ali malo drugačiji oblik za objekte koji se okreću oko fiksne osi:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
Ovdjeωje kutna brzina u radijanima u sekundi (ili stupnjevima u sekundi) iJaje veličina analogna masi u linearnom kretanju koja se naziva moment inercije (ili drugi trenutak površine). Specifičan je za oblik predmeta koji se okreće, a ovisi i o osi rotacije. Proračuni se rade na isti opći način kao i za linearno gibanje.
Koji su Newtonovi zakoni kretanja?
Isaac Newton, jedan od vodećih matematičkih i znanstvenih umova Znanstvene revolucije, predložio je tri zakona koja reguliraju ponašanje pokretnih predmeta.
- Newtonov prvi zakon gibanjanavodi da objekt u pokretu s konstantombrzinaostat će u tom stanju ukoliko na njih ne djeluje neuravnotežena vanjska stranasila. Važna posljedica ovogazakon tromostijest da neto sila nije potrebna da bi se održala i najveća brzina pod uvjetom da se brzina ne promijeni.
- Newtonov drugi zakon gibanjanavodi da neto sile djeluju na promjenu brzine iliubrzati, mase:Fneto= ma. Sila i ubrzanje suvektorske veličinei imaju i veličinu i smjer (x-, y- i z-komponente ili kutne koordinate); masa je askalarna veličinai posjeduje samo veličinu. Rad je, kao i svi oblici energije, skalarna veličina.
- Newtonov treći zakon gibanjanavodi da za svaku silu u prirodi postoji sila jednake veličine, ali suprotne smjeru. Odnosno za svakogaFpostoji sila-Funutar istog sustava, bez obzira je li sustav onaj koji ste definirali vlastitim granicama ili je to jednostavno kozmos u cjelini.
Newtonov drugi zakon izravno se odnosi na zakon očuvanja energije koji tvrdi da ukupna energija u sustavu (potencijal plus kinetički) ostaje konstantan, s energijom koja se prenosi iz jednog oblika u drugi, ali nikada se ne "uništava" ili ne proizvodi iz ništa.