ფიზიკა, გარდა იმისა, რომ ის სიტყვაა, რომელიც სამწუხაროდ წინასწარ აშინებს პოტენციურ მომავალ მეცნიერებს, მისი ძირითადი საფუძველიაროგორ მოძრაობენ საგნები. ეს მოიცავს ყველაფერს, გალაქტიკების მთელი მტევანიდან დაწყებული ნაწილაკებით, რომლებიც თითქმის ძალიან მცირეა წარმოსადგენია, გაცილებით ნაკლებად სათანადო ვიზუალიზაციისთვის.
გამოყენებითი ფიზიკის უზარმაზარი ნაწილი (ეს არის ფიზიკური მეცნიერების დარგი, რომელიც მიზნად ისახავს ცოდნის გამოყენებას და არა "მხოლოდ" თეორიის გამოყენებას) იმის გარკვევაში, თუ როგორ უნდა მიიღოთ მეტიმუშაობანაკლებიდანენერგია.
მუშაობა, გარდა იმისა, რომ თითქმის ყოველდღიური ვალდებულებაა თანამშრომლებისა და სტუდენტებისთვის, ისევე როგორც ზოგადი კარგად დახარჯული ძალისხმევის აღმნიშვნელი არის ფიზიკაში ერთ – ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ფორმალური სიდიდე, რომელსაც აქვს ერთეული ენერგია მოკლედ, ყოველთვის, როდესაც ენერგია გამოიყენება ობიექტის გადასაადგილებლად, ამ ობიექტზე მუშაობა მიმდინარეობს.
სამუშაოს შესრულების ყოველდღიურ მაგალითებში შედის ლიფტები, რომლებსაც სასტუმროს სტუმრები იატაკამდე აჰყავდათ, ბავშვი ბორცვს აზიდავდა ან წვის ძრავაში დგუში მართავდა გაზს. ამ კონცეფციის სწორად გასაგებად, სასარგებლოა გადახედოთ ენერგიის, მოძრაობისა და მატერიის შესახებ ზოგიერთ საფუძველს, რაც, პირველ რიგში, ფიზიკურ მეცნიერებაში ხდის ”მუშაობას” სიცოცხლისუნარიან ცნებას.
სამუშაოს განმარტება
იმუშავეთ გარკვეულ მანძილზე გამოყენებული ძალის ფიზიკური შედეგი, რადგან ძალა წარმოქმნის იმ ობიექტის გადაადგილებას, რომელზეც იგი მოქმედებს. მუშაობას აქვს დადებითი მნიშვნელობა, როდესაც ძალა იმავე მიმართულებით არის, როგორც მოძრაობა და უარყოფითი მნიშვნელობა, როდესაც ის არის საპირისპირო მიმართულება (რომ "უარყოფითი სამუშაო" შეიძლება მოხდეს, ალბათ უცნაურად გამოიყურება, მაგრამ როგორ ნახავთ მომენტალურად). ნებისმიერ სისტემას, რომელსაც აქვს ენერგია, შეუძლია სამუშაოს შესრულება.
როდესაც ობიექტი არ მოძრაობს, მასზე არანაირი სამუშაო არ კეთდება. ეს მართალია, რაც არ უნდა დიდი ძალისხმევა დაისვა ამოცანას, მაგალითად, ცდილობენ დიდი ლოდის გადატანა თავად. ამ შემთხვევაში, თქვენი კუნთების შეკუმშვის ენერგია იკარგება, რადგან ამ კუნთებიდან სითბო იფანტება. ასე რომ, მართალია, ამ სცენარში არ მუშაობთ, ყოველ შემთხვევაში, საქმეს შეუდგებითგარეთერთგვარი.
ობიექტის გადაადგილების შესაბამისად მიმართული ძალის მხოლოდ კომპონენტი უწყობს ხელს მასზე შესრულებულ სამუშაოს. თუ ვინმე მიდის ტიპიური საკოორდინაციო სისტემის დადებითი x ღერძის შესაბამისი მიმართულებით და განიცდის ძალას მარცხნიდან, რომლის ვექტორითითქმისმისი მოძრაობის პერპენდიკულარულია, მაგრამ ოდნავ მიუთითებს x- მიმართულებით, პრობლემას წარმოადგენს მხოლოდ ის შედარებით მცირე x- კომპონენტი.
როდესაც კიბის საფეხურზე მიდიხართ, თქვენ აკეთებთ სამუშაოს, რათა თავიდან აიცილოთ უფრო სწრაფად მოძრაობა (თავისუფალი ვარდნა), მაგრამ იმის გამო, რომ თქვენი მოძრაობა კვლავ მიმართულია თქვენი ძალისხმევის საწინააღმდეგოდ, ეს არის ნეგატივთან მუშაობის მაგალითი ნიშანი. გრავიტაციისა და საკუთარი თავის მიერ შესრულებული კომბინირებული წმინდა სამუშაო პოზიტიურია, მაგრამ უფრო მცირე დადებითი რიცხვია, ვიდრე ეს იქნებოდა უშუალო წინააღმდეგობაში თქვენი "მუშაობის" გარეშე.
სამუშაოებს აქვს ენერგიის ერთეულები
სისტემის მთლიანი ენერგია არის მისი შინაგანი ან თერმული ენერგია პლუს მექანიკური ენერგია. მექანიკური ენერგია შეიძლება დაიყოს მოძრაობის ენერგიად (კინეტიკური ენერგია) და "შენახული" ენერგია (პოტენციური ენერგია). მთლიანი მექანიკური ენერგია ნებისმიერ სისტემაში არის მისი პოტენციური და კინეტიკური ენერგიების ჯამი, რომელთაგან თითოეულს შეუძლია სხვადასხვა ფორმის მიღება.
კინეტიკური ენერგია არის მოძრაობის ენერგია სივრცეში, როგორც ხაზოვანი, ასევე ბრუნვითი. თუ მასამდისტანცია ტარდებათმიწის ზემოთ მისი პოტენციური ენერგიაამგთ. სადაც სიმძიმის გამო აჩქარება,გ, აქვს ღირებულება 9,80 მ / წმ2 დედამიწის ზედაპირთან ახლოს.
თუ ობიექტი განთავისუფლებულია დანარჩენი საათის სიმაღლეზე და დაეშვება დედამიწაზე ქვემოთ (h = 0), მისი კინეტიკური ენერგია ზემოქმედებისას არის (1/2) მვ2= მგ, რადგან მთელი ენერგია პოტენციალიდან გადაკეთდა კინეტიკურიდან შემოდგომაზე (თუ არ ჩავთვლით ხახუნის ან სითბოს ენერგიას). ნებისმიერ დროს, ნაწილაკისა და მისი კინეტიკური ენერგიის პოტენციური ენერგიის ჯამი უცვლელი რჩება.
- რადგან ძალას აქვს ერთეულებინიუტონი(კგ / წმ)2) SI (მეტრულ) სისტემაში და მანძილი არის მეტრი, ზოგადად მუშაობასა და ენერგიას აქვს კგ / მ ერთეული2/ წმ2. სამუშაოების ეს SI ერთეული ცნობილია როგორცჯოული.
მუშაობის ფორმულა
სამუშაოს სტანდარტული განტოლებაა:
W = F \ cd დ
სადდარის გადაადგილება. მიუხედავად იმისა, რომ ძალა და გადაადგილება ორივე ვექტორული სიდიდეა, მათი პროდუქტი არის სკალარული პროდუქტი (მას ასევე უწოდებენ წერტილოვან პროდუქტს). ეს ცნობისმოყვარეობა ეხება სხვა ვექტორულ სიდიდეებს, რომლებიც გამრავლებულია ერთად, როგორიცაა ძალა და სიჩქარე, რომელთა გამრავლებით ხდება სკალარული რაოდენობის სიმძლავრე. სხვა ფიზიკურ სიტუაციებში ვექტორების გამრავლება აწარმოებს ვექტორულ რაოდენობას, რომელიც ცნობილია როგორც ჯვარედინი პროდუქტი.
ინდივიდუალური ძალები სისტემაშივ1, ფ2, ფ3 ... ვნგააკეთე მუშაობა ტოლი სიდიდეებითვ1დ1, ფ2დ2, და ასე შემდეგ; ამ ინდივიდუალურ პროდუქტებს, რომლებიც შეიძლება შეიცავდეს უარყოფით და ასევე პოზიტიურ მნიშვნელობებს, შეჯამება მოცემულია სისტემისთვისმთლიანი სამუშაოანწმინდა სამუშაო. ქსელის მუშაობის ფორმულა Wწმინდა ქსელზე გაკეთებულია წმინდა ძალითვნეტ არის
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
სადθარის კუთხე მოძრაობის მიმართულებასა და გამოყენებულ ძალას შორის. თქვენ ხედავთ, რომ მნიშვნელობებისთვისθრომლისთვისაც კუთხის კოსინუსია 0, მაგალითად, როდესაც ძალა არის მოძრაობის მიმართულების პერპენდიკულარული, არ კეთდება წმინდა სამუშაო. ასევე, როდესაც წმინდა ძალა მოქმედებს მოძრაობის მიმართულების საწინააღმდეგოდ, კოსინუსის ფუნქცია იძლევა ნეგატიურ მნიშვნელობას, შედეგად წარმოიქმნება ზემოხსენებული „უარყოფითი სამუშაო“.
როგორ გამოვთვალოთ სამუშაო
შეგიძლიათ გამოთვალოთ მთლიანი სამუშაო, დაამატოთ სხვადასხვა ძალების მიერ შესრულებული სამუშაოს მოცულობა პრობლემასთან დაკავშირებით. ყველა შემთხვევაში, სამუშაოს გაანგარიშება მოითხოვს პრობლემის ვექტორების სრულყოფილად გააზრებას და არა მხოლოდ მათ რიცხვთან დაკავშირებულ ციფრებს. თქვენ უნდა გამოიყენოთ ძირითადი ტრიგონომეტრია გამოსაყენებლად.
- Შენიშვნა:რეალურ ცხოვრებაში, როდესაც ძალა ობიექტის მიმართ მოქმედებს სიმძიმის გარდა, ნაკლებად სავარაუდოა, რომ ეს იყოს მუდმივი. ნებისმიერი ძალა F, რომელსაც ხედავთ აღნიშნულ მაგალითებში, შეიძლება ჩავთვალოთ, რომ ეს არის მუდმივი ძალა. როდესაც ძალები განსხვავდება, აქ მითითებული ურთიერთობები ძალაში რჩება, მაგრამ თქვენ მოგიწევთ ინტეგრალური გამოთვლის შესრულება ასოცირებული პრობლემების გადასაჭრელად.
მაგალითი:ძაღლი, რომელიც ჰორიზონტალურ თოვლის ველს 20 კილოგრამიანი ბავშვის სასწავლებლის კომბინაციას უბიძგებს, 5 წამის განმავლობაში დანარჩენიდან 5 მ / წმ სიჩქარით აჩქარებს (ა= 1 მ / წმ2). რამდენს ასრულებს ძაღლი ბავშვის სასრიალო კომბინაციაზე? ჩათვალეთ, რომ ხახუნი უმნიშვნელოა.
პირველი, თქვენ გამოითვალეთ ძაღლის მიერ ბავშვის მიმართ გამოყენებული მთლიანი ძალა და სასწავლებელი:ვ= მა= (20 კგ) (1 მ / წმ)2) = 20 ნ გადაადგილება საშუალო სიჩქარეა (v - v.)0) / 2 (= 5/2) გამრავლებული დროის t (= 5 წმ), რაც არის 12,5 მ. ამრიგად, მთლიანი სამუშაოა (20 N) (12.5 მ) =250 ჯ.
- როგორ გადაწყვეტდით ამ პრობლემას ნაცვლად სამუშაო-ენერგიის თეორემის გამოყენებით?
მუშაობა ძალისთვის კუთხეში
როდესაც ძალა არ არის გამოყენებული 0 გრადუსზე (ანუ, თუ ის ობიექტის კუთხესთან არის დაკავშირებული), გამოიყენეთ მარტივი ტრიგონომეტრია, რომ იპოვოთ ამ ობიექტზე შესრულებული სამუშაო. თქვენ მხოლოდ უნდა იცოდეთ როგორ გამოიყენოთ კოსინუსი და სინუსი შესავალი დონის პრობლემებისათვის.
მაგალითად, წარმოიდგინეთ, რომ ზემოთ აღნიშნულ სიტუაციაში ძაღლი კლდის პირას დგას, ისე რომ თოკი ბავშვსა და ძაღლს შორის 45 გრადუსიანი კუთხე გახდეს ჰორიზონტალური თოვლის ველთან. თუ ძაღლი იგივე ძალას მიმართავს, როგორც ადრე ამ ახალ კუთხეს, თქვენ აღმოაჩენთ, რომ ჰორიზონტალური კომპონენტია მოცემულია ეს ძალა (cos 45 °) (20 N) = 14.1 N, და რომ სამუშაოზე შესრულებული სამუშაო არის (14.1 N) (12.5 მ) =176.8 ჯ. ბავშვის ახალ აჩქარებას იძლევა ძალის მნიშვნელობა და ნიუტონის კანონი,ვ= მა: (14,1 N) / 20 კგ) = 0,71 მ / წმ2.
სამუშაო ენერგიის თეორემა
ეს არისსამუშაო-ენერგიის თეორემარომელიც ოფიციალურად აძლევს გრანტებს ენერგიის პირობებში გამოხატვის "პრივილეგიას". სამუშაო ენერგიის თეორემის თანახმად, ობიექტზე შესრულებული წმინდა სამუშაო უდრის კინეტიკური ენერგიის ცვლილებას:
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
სადაც m არის ობიექტის მასა დავ0დავმისი საწყისი და საბოლოო სიჩქარეებია.
ეს ურთიერთობა ძალიან მოსახერხებელია პრობლემებში, რომლებიც მოიცავს მუშაობას, ძალას და სიჩქარეს, სადაც ძალის სიდიდეა ან სხვა ცვლადი უცნობია, მაგრამ თქვენ გაქვთ ან შეგიძლიათ გამოთვალოთ დანარჩენი, რისი გაკეთებაც გჭირდებათ a გამოსავალი ეს ასევე ხაზს უსვამს იმ ფაქტს, რომ წმინდა სამუშაო არ ხდება მუდმივი სიჩქარით.
მბრუნავი სამუშაოები
სამუშაო ენერგიის თეორემა ან სამუშაო ენერგიის პრინციპი იღებს ცნობადი, მაგრამ ოდნავ განსხვავებულ ფორმას ფიქსირებული ღერძის გარშემო მბრუნავი ობიექტებისთვის:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
Აქωარის კუთხის სიჩქარე რადიანში წამში (ან გრადუსი წამში) დამეარის წრფივი მოძრაობის მასის ანალოგიური რაოდენობა, რომელსაც ინერციის მომენტი ეწოდება (ან ფართობის მეორე მომენტი). იგი სპეციფიკურია მბრუნავი ობიექტის ფორმისთვის და დამოკიდებულია როტაციის ღერძზეც. გამოთვლები ხორციელდება იმავე ზოგადი გზით, როგორც წრფივი მოძრაობისთვის.
რა არის ნიუტონის მოძრაობის კანონები?
ისააკ ნიუტონმა, სამეცნიერო რევოლუციის ერთ-ერთმა წამყვანმა მათემატიკურმა და სამეცნიერო გონებამ შემოგვთავაზა სამი კანონი, რომელიც არეგულირებდა მოძრავი საგნების ქცევას.
- ნიუტონის პირველი მოძრაობის კანონიაცხადებს, რომ ობიექტი მოძრაობს მუდმივითსიჩქარედარჩება ამ მდგომარეობაში, თუ მასზე არ მოქმედებს დაუბალანსებელი გარეგანიძალა. ამის მნიშვნელოვანი შედეგიინერციის კანონიარის ის, რომ წმინდა ძალა არ არის საჭირო უმაღლესი სიჩქარის შენარჩუნებაც, იმ პირობით, რომ სიჩქარე არ შეიცვლება.
- ნიუტონის მეორე მოძრაობის კანონიაცხადებს, რომ წმინდა ძალები მოქმედებენ სიჩქარის შესაცვლელად, ანდაჩქარება, მასები:ვწმინდა= მა. ძალა და აჩქარება არისვექტორული სიდიდეებიდა აქვთ ორივე სიდიდე და მიმართულება (x-, y- და z- კომპონენტები, ან კუთხოვანი კოორდინატები); მასა არისსკალარული რაოდენობადა მხოლოდ სიდიდეს ფლობს. სამუშაო, ისევე როგორც ენერგიის ყველა ფორმა, არის სკალარული სიდიდე.
- ნიუტონის მოძრაობის მესამე კანონიაცხადებს, რომ ბუნებაში არსებული თითოეული ძალისთვის არსებობს სიდიდის ტოლი, მაგრამ მიმართულების საწინააღმდეგო ძალა. ანუ ყველასთვისვარსებობს ძალა-ფიგივე სისტემის ფარგლებში, არის თუ არა ეს სისტემა, რომელიც თქვენ განსაზღვრეთ თქვენი საკუთარი საზღვრებით, ან უბრალოდ კოსმოსია მთლიანობაში.
ნიუტონის მეორე კანონი პირდაპირ ეხება ენერგიის დაზოგვის კანონს, რომელიც ამტკიცებს, რომ მთლიანი ენერგია სისტემაში (პოტენციური პლუს კინეტიკური) რჩება მუდმივი, ენერგია გადადის ერთი ფორმიდან მეორეში, მაგრამ არასდროს "განადგურდება" ან არ გამომუშავდება არაფერი