物理学は、残念ながら将来の科学マニアの可能性を事前に怖がらせる言葉であることに加えて、オブジェクトの動き方. これには、銀河団全体から、想像するには小さすぎて適切に視覚化できない粒子まで、あらゆるものが含まれます。
そして、応用物理学の大部分（つまり、「単なる」理論化ではなく知識の活用に関係する物理科学の分野）は、より多くを得る方法を考え出している。作業少ないからエネルギー.
仕事、従業員と学生、そして一般の人々のほぼ毎日の義務であることに加えて よく費やされた努力の象徴は、物理学におけるいくつかの重要な形式的量の1つであり、次の単位があります。 エネルギー。 要するに、エネルギーがオブジェクトを動かすために使われるときはいつでも、仕事はそのオブジェクトで行われています。
日常の仕事の例としては、ホテルの宿泊客を床まで運ぶエレベーター、そりを丘の上に引き上げる子供、ピストンを駆動する燃焼エンジンのガスの膨張などがあります。 この概念を正しく理解するには、最初に「仕事」を物理科学で実行可能な概念にするエネルギー、運動、および物質に関するいくつかの基本を確認することが役立ちます。
仕事の定義
力が作用するオブジェクトの変位を生成するため、ある距離にわたって加えられた力の物理的な結果を処理します。 力が運動と同じ方向にあるとき、仕事は正の値を持ち、力が動いているときは負の値を持ちます 反対の方向（「ネガティブな仕事」が起こる可能性さえあるのはおそらく奇妙に思えますが、あなたはその方法を見るでしょう 一時的に）。 エネルギーを持っているどんなシステムでも仕事をすることができます。
オブジェクトが移動しない場合、そのオブジェクトに対する作業は行われません。 これは、大きな岩を自分で動かそうとするなど、タスクにどれだけの労力が費やされても当てはまります。 この場合、筋肉から熱が放散されるため、筋肉の収縮によるエネルギーが失われます。 したがって、このシナリオでは作業を行いませんが、少なくとも作業は開始されますでるある種の。
オブジェクトの変位に沿って方向付けられた力の成分のみが、オブジェクトに対して行われる作業に寄与します。 誰かが典型的な座標系の正のx軸に対応する方向に歩いていて、ベクトルがほとんど彼女の動きに垂直ですが、x方向をわずかに指しているだけで、力の比較的小さなx成分だけが問題に影響します。
階段を降りるとき、あなたは自分がさらに速く動くのを防ぐための仕事をしています（自由落下）、 しかし、あなたの動きはまだあなたの努力に反対する方向にあるので、これはネガティブな仕事の例です 符号。 重力とあなた自身によってあなたに行われた結合されたネットワークは正ですが、あなたの「働き」が直接反対しない場合よりも正の数は少なくなります。
仕事にはエネルギーの単位があります
システムの総エネルギーは、その内部エネルギーまたは熱エネルギーに機械エネルギーを加えたものです。 力学的エネルギーは運動エネルギーに分けることができます（運動エネルギー）および「蓄積された」エネルギー（位置エネルギー). すべてのシステムの総力学的エネルギーは、そのポテンシャルエネルギーと運動エネルギーの合計であり、それぞれがさまざまな形をとることができます。
運動エネルギーは、線形と回転の両方の空間を通る運動のエネルギーです。 質量の場合m距離を保っているh地上では、その位置エネルギーはmgh. 重力による加速度がどこにあるか、g、値は9.80 m / sです2 地球の表面近く。
物体が高さhで静止状態から解放され、地球に向かって下向きに落下することが許可されている場合（h = 0）、衝突時の運動エネルギーは（1/2）mです。v2= mgh、落下中にすべてのエネルギーがポテンシャルから運動エネルギーに変換されたため（摩擦または熱エネルギーの損失がないと仮定）。 常に、粒子の位置エネルギーとその運動エネルギーの合計は一定のままです。
- 力には次の単位があるためニュートン（kg・m / s2）SI（メートル法）システムでは、距離はメートル単位であり、仕事とエネルギーの単位は一般にkg・mです。2/ s2. このSI単位系は、ジュール.
仕事の公式
仕事の標準的な方程式は次のとおりです。
W = F \ cdot d
どこd変位です。 力と変位は両方ともベクトル量ですが、それらの積はスカラー積（ドット積とも呼ばれます）です。 この好奇心は、力や速度など、一緒に乗算される他のベクトル量にも当てはまります。これらの乗算により、スカラー量の累乗が得られます。 他の物理的な状況では、ベクトルの乗算は、外積として知られるベクトル量を生成します。
システム内の個々の力F1、F2、F3 ... Fn等しい大きさで動作しますF1d1、F2d2、 等々; これらの個々の製品は、負の値と正の値を含む可能性があり、合計してシステムの総仕事量、または通信網. ネットワークの公式Wネット 正味の力によってオブジェクトに対して実行されますFnet です
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
どこθは、運動方向と加えられた力の間の角度です。 あなたはの値のためにそれを見ることができますθ力が運動方向に垂直である場合など、角度の余弦が0の場合、ネットワークは実行されません。 また、正味の力が運動の方向と反対に作用すると、余弦関数は負の値を与え、結果として前述の「負の仕事」を生み出します。
仕事の計算方法
問題内のさまざまな力によって実行された作業量を合計することにより、合計作業量を計算できます。 すべての場合において、仕事を計算するには、問題に付随する数だけでなく、問題のベクトルを完全に理解する必要があります。 使用するには、基本的な三角法を適用する必要があります。
- 注意：実生活では、重力以外の力が物体に作用する場合、それが一定である可能性は低いです。 これらの例で言及されている力Fは、一定の力であると見なすことができます。 力が変化しても、ここに記載されている関係は引き続き有効ですが、関連する問題を解決するには、積分計算を実行する必要があります。
例：水平の雪原を横切って20kgの子供用そりの組み合わせを引っ張る犬は、5秒間で静止状態から5 m / sの速度まで加速します（a= 1 m / s2). 犬は子供そりの組み合わせでどのくらいの仕事をしますか？ 摩擦はごくわずかであると仮定します。
まず、犬が子供とそりに加える力の合計を計算します。F= ma=（20 kg）（1 m / s2）= 20N。 変位は平均速度（v – v0）/ 2（= 5/2）に時間t（= 5 s）を掛けたもの、つまり12.5mです。 したがって、総仕事量は（20 N）（12.5 m）=250 J.
- 代わりに仕事エネルギー定理を使用してこの問題をどのように解決しますか？
ある角度で力のために働く
力が0度で適用されていない場合（つまり、オブジェクトに対してある角度にある場合）、単純な三角法を使用して、そのオブジェクトで行われた作業を見つけます。 入門レベルの問題にコサインとサインを使用する方法を知っているだけで済みます。
たとえば、上記の状況で犬が崖の端に立っていると想像してください。その結果、子供と犬の間のロープは、水平の雪原に対して45度の角度をなします。 犬がこの新しい角度で以前と同じ力を加えると、の水平成分が この力は（cos45°）（20N）= 14.1 Nで与えられ、スレッドで行われる結果の仕事は（14.1 N）（12.5 m）=176.8 J. 子供の新しい加速は、力の値とニュートンの法則によって与えられます。F= ma：（14.1 N）/ 20 kg）= 0.71 m / s2.
仕事エネルギー定理
それは仕事エネルギーの定理それは、エネルギーの観点から表現されるという「特権」を仕事に正式に付与します。 仕事エネルギーの定理によれば、オブジェクトに対して行われるネットワークは、運動エネルギーの変化に等しくなります。
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
ここで、mはオブジェクトの質量であり、v0そしてvその初期速度と最終速度です。
この関係は、力の大きさが仕事、力、速度に関係する問題で非常に役立ちます。 または他の変数が不明ですが、あなたはあなたがに向かって進むために必要な残りのものを持っているか、計算することができます 解決。 また、一定の速度でネットワークが実行されないという事実も強調しています。
回転仕事
仕事エネルギー定理、または仕事エネルギー定理は、認識可能ですが、固定軸を中心に回転するオブジェクトに対してわずかに異なる形式を取ります。
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
ここにωはラジアン/秒（または度/秒）単位の角速度であり、私は、慣性モーメント（または断面二次モーメント）と呼ばれる線形運動の質量に類似した量です。 これは回転するオブジェクトの形状に固有であり、回転軸にも依存します。 計算は、線形運動の場合と同じ一般的な方法で行われます。
ニュートンの運動の法則とは何ですか？
科学革命の主要な数学的および科学的精神の1つであるアイザックニュートンは、動く物体の振る舞いを支配する3つの法則を提案しました。
- ニュートンの最初の運動の法則一定の動きをしている物体速度不均衡な外部の影響を受けない限り、その状態のままになります力. これの重要な結果慣性の法則つまり、速度が変化しない限り、最高速度を維持するために正味の力は必要ありません。
- ニュートンの第2運動法則正味の力が速度を変えるように作用する、または加速する、質量：Fネット= ma. 力と加速度はベクトル量大きさと方向の両方（x、y、z成分、または角度座標）があります。 質量はスカラー量大きさだけを持っています。 仕事は、あらゆる形態のエネルギーと同様に、スカラー量です。
- ニュートンの第3運動法則自然界のすべての力に対して、大きさは等しいが方向が反対の力が存在すると述べています。 つまり、すべてのF力があります-F同じシステム内で、システムが独自の境界で定義したシステムであるか、単に全体としての宇宙であるかは関係ありません。
ニュートンの第2法則は、エネルギー保存の法則に直接関係しており、システム内の総エネルギー（ポテンシャル プラス運動エネルギー）は一定のままで、エネルギーはある形式から別の形式に転送されますが、「破壊」されたり、から生成されたりすることはありません。 何も。