A fizika amellett, hogy olyan szó, amely sajnos előre elriasztja a jövőbeni potenciális tudományos kedvelőket, ahogyan mozognak a tárgyak. Ez mindent magában foglal a galaxisok egész halmazaitól kezdve a részecskékig, amelyek elképzelésre szinte túl kicsiek, és még kevésbé megfelelő módon vizualizálódnak.
Az alkalmazott fizika óriási része (vagyis a fizikai tudomány azon ága, amelynek célja a tudás felhasználása, nem pedig csupán "elmélete") kitalálja, hogyan lehetne többet elérnimunkakevesebbbőlenergia.
Munka, amellett, hogy mindennapi kötelezettséget jelent az alkalmazottak és a hallgatók, valamint a tábornok számára A jól elköltött erőfeszítés jelzője a fizika számos létfontosságú formai mennyiségének egyike, amelynek egységei vannak energia. Röviden, valahányszor energiát használnak egy tárgy mozgatására, az adott tárgyon munka folyik.
Az elvégzendő munkák mindennapos példái közé tartoznak a liftek, amelyek a szálloda vendégeit emelik az emeletükre, egy gyerek, aki szánra húzza a dombot, vagy a dugattyút hajtó égésű motor motorjának bővülése. Ennek a fogalomnak a megfelelő megértése érdekében hasznos áttekinteni az energia, a mozgás és az anyag néhány alapját, amelyek a „munkát” elsősorban a fizikatudomány életképes fogalmává teszik.
A munka meghatározása
Dolgozzon egy bizonyos távolságra kifejtett erő fizikai eredményével, mivel az erő elmozdítja azt a tárgyat, amelyre hat. A munkának pozitív értéke van, ha az erő ugyanabban az irányban van, mint a mozgás, és negatív értékű, ha benne van az ellenkező irány (ez a "negatív munka" akár megtörténhet is, valószínűleg furcsának tűnik, de majd meglátja, hogyan pillanatnyilag). Bármely rendszer rendelkezik energiával, képes munkát végezni.
Ha egy objektum nem mozog, akkor nem dolgoznak rajta. Ez igaz, függetlenül attól, hogy mennyi erőfeszítést fektetnek egy feladatba, például megpróbálnak maguk megmozgatni egy nagy sziklát. Ebben az esetben az izomösszehúzódásokból származó energia elvész, amikor az ezekből az izmokból elvezet a hő. Tehát, bár ebben a forgatókönyvben nem dolgozik, legalább bejut egy munkábakifajta.
Csak a tárgy elmozdulásával összhangban irányított erő komponense járul hozzá a rajta végzett munkához. Ha valaki a pozitív x tengelynek megfelelő irányban halad egy tipikus koordináta-rendszeren, és bal oldalán olyan erőt tapasztal, amelynek vektoramajdnemmerőleges a mozgására, de nagyon kissé mutat az x irányba, csak az erőfaktorok viszonylag apró x-összetevője a problémába.
Amikor egy lépcsőn sétál le, akkor azon dolgozik, hogy megakadályozza magát abban, hogy még gyorsabban mozogjon (szabadon esés), de mivel a mozdulatod még mindig az erőfeszítéseivel ellentétes irányba mutat, ez a példa a negatív munkával jel. A gravitáció és önmagad által elvégzett együttes nettó munka pozitív, de kisebb pozitív szám, mint amennyi lenne a közvetlen ellenzéki "munkád" nélkül.
A munkának egységei vannak az energiának
A rendszer teljes energiája a belső vagy a hőenergia, valamint a mechanikai energia. A mechanikus energia mozgásenergiára osztható (kinetikus energia) és a „tárolt” energia (helyzeti energia). Bármely rendszer teljes mechanikai energiája a potenciális és a kinetikus energiák összege, amelyek mindegyike különböző formákat ölthet.
A kinetikus energia a téren keresztüli mozgás energiája, mind lineáris, mind rotációs. Ha misétmtávolságot tartanakha föld felett potenciális energiájamgh. Ahol a gravitáció miatti gyorsulás,gértéke 9,80 m / s2 a Föld felszíne közelében.
Ha a tárgyat h magasságban elengedjük a nyugalomból, és hagyjuk lefelé esni a Föld felé (h = 0), akkor kinetikus energiája ütközéskor (1/2) mv2= mgh, mivel az esés során az összes energia potenciálból kinetikussá alakult át (feltételezve, hogy nincsenek súrlódási vagy hőenergia-veszteségek). A részecske potenciális energiájának és mozgási energiájának összege állandó marad.
- Mivel az erő egységeinewtonok(kg⋅m / s2) az SI (metrikus) rendszerben, és a távolság méterben van, a munka és az energia általában kg⋅m egységekkel rendelkezik2/ s2. Ez az SI munkaegység az úgynevezettJoule.
A munka képlete
A munka standard egyenlete:
W = F \ cdot d
holdaz elmozdulás. Noha az erő és az elmozdulás egyaránt vektormennyiség, szorzatuk skaláris szorzat (más néven pont szorzat). Ez a kíváncsiság igaz más vektormennyiségekre, amelyeket együttesen szorozunk, mint például az erő és a sebesség, amelyek szorzása skaláris mennyiségi teljesítményt eredményez. Más fizikai helyzetekben a vektorok szorzása vektormennyiséget eredményez, amelyet keresztterméknek nevezünk.
Az egyes erők egy rendszerbenF1, F2, F3 ... Fnegyenlő nagyságrendű munkát végezF1d1, F2d2, stb; ezeket az egyedi termékeket, amelyek negatív és pozitív értékeket is tartalmazhatnak, összegezhetjük, hogy megadjuk a rendszer eredményeitteljes munka, vagynettó munka. A W nettó munka képleteháló objektumon nettó erővel végezzükFnet van
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
holθa mozgás iránya és az alkalmazott erő közötti szög. Láthatja, hogy aθamelynél a szög koszinusa 0, például amikor az erő merőleges a mozgás irányára, akkor nem végeznek nettó munkát. Továbbá, amikor a nettó erő a mozgás irányával ellentétesen hat, a koszinusz-függvény negatív értéket ad, ennek eredményeként a fent említett "negatív munkát" eredményezi.
Hogyan számoljuk ki a munkát
Kiszámíthatja a teljes munkát úgy, hogy összeadja a probléma különböző erői által elvégzett munka mennyiségét. A munka kiszámításához minden esetben a probléma vektorainak teljes megértése szükséges, nem csupán a hozzájuk tartozó számok. Használnia kell az alap trigonometriát.
- Jegyzet:A való életben, amikor egy erő a tárgyra a gravitáció mellett hat, nem valószínű, hogy állandó lesz. Bármely F erőt, amelyet ezekben a példákban megemlít, állandó erőnek lehet feltételezni. Ha az erők változnak, az itt felsorolt összefüggések érvényesek maradnak, de a kapcsolódó problémák megoldásához integrálszámítást kell végrehajtania.
Példa:Egy 20 kg-os gyermek-szán kombinációt vízszintes hómezőn húzó kutya nyugalmi állapotából 5 m / s sebességre gyorsul 5 másodperc alatt (a= 1 m / s2). Mennyi munkát végez a kutya a gyerek-szán kombináción? Tegyük fel, hogy a súrlódás elhanyagolható.
Először kiszámítja a kutya által a gyermekre és a szánra gyakorolt teljes erőt:F= ma= (20 kg) (1 m / s2) = 20 N. Az elmozdulás átlagos sebesség (v - v0) / 2 (= 5/2) szorozva a t idővel (= 5 s), amely 12,5 m. Így a teljes munka (20 N) (12,5 m) =250 J.
- Hogyan oldaná meg ezt a problémát a munka-energia tétel alkalmazásával?
Dolgozzon az Erő szögben
Ha az erő 0 fokon nincs kifejtve (azaz ha szögben van az objektummal szemben), akkor egyszerű trigonometria segítségével keresse meg az adott objektumon végzett munkát. Csak azt kell tudni, hogyan kell használni a koszinust és a szinuszot bevezető szintű problémákhoz.
Képzeljük el például, hogy a fenti helyzetben lévő kutya egy szikla szélén áll, úgy, hogy a gyermek és a kutya közötti kötél 45 fokos szöget zár be a vízszintes hómezővel. Ha a kutya ugyanolyan erőt fejt ki, mint korábban, ebben az új szögben, akkor azt tapasztalja, hogy a ez az erő megadva (cos 45 °) (20 N) = 14,1 N, és a kapott eredmény a szánon (14,1 N) (12,5 m) =176,8 J. A gyermek új gyorsulását az erő értéke és Newton törvénye adja,F= ma: (14,1 N) / 20 kg) = 0,71 m / s2.
A munka-energia tétel
Ez amunka-energia tételamely formálisan megadja a munkának azt a "kiváltságot", hogy energiában kifejezzék. A munka-energia tétel szerint az objektumon elvégzett nettó munka megegyezik a kinetikus energia változásával:
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
ahol m az objektum tömege ésv0ésva kezdeti és a végsebessége.
Ez a kapcsolat nagyon jól jön olyan munkával, erővel és sebességgel kapcsolatos problémákra, ahol az erő nagysága vagy valamilyen más változó ismeretlen, de a maradékot megadhatja vagy kiszámíthatja, amire az a felé kell haladnia megoldás. Hangsúlyozza azt a tényt is, hogy nem végeznek nettó munkát állandó sebességgel.
Rotációs munka
A munka-energia tétel vagy a munka-energia elv felismerhető, de kissé eltérő formát ölt a rögzített tengely körül forgó tárgyak esetében:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
Ittωszögsebesség radián / másodperc (vagy fok / másodperc) éséna lineáris mozgás tömegével analóg mennyiség, amelyet tehetetlenségi pillanatnak (vagy a terület második pillanatának) nevezünk. Ez a forgó tárgy alakjára jellemző, és a forgástengelytől is függ. A számításokat ugyanúgy végezzük, mint a lineáris mozgásnál.
Mik a Newton mozgástörvényei?
Isaac Newton, a tudományos forradalom egyik vezető matematikai és tudományos elméje három törvényt javasolt a mozgó tárgyak viselkedésére.
- Newton első mozgástörvényekijelenti, hogy egy tárgy állandóan mozgásban vansebességabban az állapotban marad, hacsak egy kiegyensúlyozatlan külső nem cselekszik rajtaKényszerítés. Ennek fontos következményetehetetlenségi törvényA nettó erő nem szükséges a legnagyobb sebesség fenntartásához, feltéve, hogy a sebesség nem változik.
- Newton második mozgástörvényekimondja, hogy a nettó erők megváltoztatják a sebességét, vagyfelgyorsul, misék:Fháló= ma. Az erő és a gyorsulásvektormennyiségekés mind nagyságuk, mind irányuk (x-, y- és z-komponensek vagy szögkoordináták); tömeg egyskalár mennyiségés csak nagyságrendű. A munka, mint az energia minden formája, skaláris mennyiség.
- Newton harmadik mozgástörvényekimondja, hogy a természetben minden erőnél létezik egy ugyanolyan nagyságú, de ellentétes erő. Vagyis mindenkinekFlétezik erő-Fugyanazon a rendszeren belül, függetlenül attól, hogy a rendszert a saját határaival definiálta-e, vagy egyszerűen csak a kozmosz egésze.
Newton második törvénye közvetlenül kapcsolódik az energiamegmaradás törvényéhez, amely azt állítja, hogy a rendszer teljes energiája (potenciál plusz kinetikus) állandó marad, az energia egyik formából a másikba kerül, de soha nem "pusztul el" és nem termelődik ki belőle semmi.