물리학은 안타깝게도 미래의 과학 버프를 미리 두려워하는 단어 일뿐만 아니라물체가 움직이는 방법. 여기에는 은하단 전체부터 상상하기에는 너무 작아서 제대로 시각화하지 못하는 입자까지 모든 것이 포함됩니다.
그리고 응용 물리학의 상당 부분 (즉, "단순한"이론화보다는 지식을 사용하는 것과 관련된 물리 과학 분야)는 더 많은 것을 얻는 방법을 알아 내고 있습니다.작업덜에서에너지.
일, 직원과 학생, 일반인에 대한 거의 매일의 의무 잘 쓰인 노력의 기표는 다음과 같은 단위를 가진 물리학에서 중요한 형식적 수량 중 하나입니다. 에너지. 요컨대, 물체를 움직이기 위해 에너지가 사용될 때마다 그 물체에 대한 작업이 이루어집니다.
매일 수행되는 작업의 예로는 호텔 투숙객을 바닥까지 태우는 엘리베이터, 언덕 위로 썰매를 당기는 어린이, 피스톤을 구동하는 연소 엔진의 가스 팽창 등이 있습니다. 이 개념을 제대로 이해하려면 처음부터 "일"을 물리 과학에서 실행 가능한 개념으로 만드는 에너지, 운동 및 물질에 대한 몇 가지 기본 사항을 검토하는 것이 좋습니다.
일의 정의
힘이 작용하는 물체의 변위를 생성하므로 일정 거리에 적용된 힘의 물리적 결과를 계산합니다. 힘이 동작과 같은 방향에있을 때 작업은 양의 값을 가지며, 움직임에있을 때 음의 값을가집니다. 반대 방향 ( "부정적인 일"이 일어날 수 있다는 것이 이상해 보일 수도 있지만, 즉시). 에너지를 소유 한 모든 시스템은 일을 할 수 있습니다.
물체가 움직이지 않으면 작업이 수행되지 않습니다. 이것은 큰 돌을 직접 옮기는 것과 같이 작업에 아무리 많은 노력을 기울여도 사실입니다. 이 경우 근육에서 열이 발산되면서 근육 수축의 에너지가 손실됩니다. 따라서이 시나리오에서는 작업을하지 않아도 최소한 작업에 들어갑니다.밖종류의.
물체의 변위와 일치하는 힘의 성분 만이 물체에 대한 작업에 기여합니다. 누군가가 일반적인 좌표계에서 양의 x 축에 해당하는 방향으로 걷고 있고 벡터가 다음과 같은 그녀의 왼쪽에서 힘을 경험하는 경우거의그녀의 움직임에 수직이지만 x 방향을 매우 약간 가리키며, 상대적으로 작은 힘의 x 구성 요소 만이 문제의 원인이됩니다.
계단을 내려갈 때 더 빨리 움직이지 않도록 (자유 낙하) 작업을하고 있습니다. 그러나 당신의 움직임은 여전히 당신의 노력에 반대되는 방향에 있기 때문에 이것은 부정적인 기호. 중력에 의해 당신과 당신 자신에게 행해지는 결합 된 그물 노동은 양수이지만, 직접 반대하는 당신의 "일"이 없을 때보 다 더 작은 양수입니다.
일에는 에너지 단위가 있습니다
시스템의 총 에너지는 내부 또는 열 에너지와 기계 에너지입니다. 기계적 에너지는 운동 에너지 (운동 에너지) 및 "저장된"에너지 (잠재력). 모든 시스템의 총 기계적 에너지는 잠재력과 운동 에너지의 합이며, 각각은 다양한 형태를 취할 수 있습니다.
운동 에너지는 선형 및 회전 모두 공간을 통한 운동 에너지입니다. 질량미디엄거리를두고있다h지상에서 위치 에너지는미디엄지h. 중력에 의한 가속도,지, 값은 9.80m / s입니다.2 지구 표면 근처.
물체가 높이 h에서 휴식에서 풀려 지구로 아래로 떨어질 수있는 경우 (h = 0), 충돌시 운동 에너지는 (1/2) m입니다.V2= mgh, 가을 동안 모든 에너지가 전위에서 운동 에너지로 변환되었으므로 (마찰 또는 열 에너지 손실이 없다고 가정). 항상 입자의 위치 에너지와 운동 에너지의 합은 일정하게 유지됩니다.
- 힘의 단위는뉴턴(kg⋅m / s2) SI (미터법) 시스템에서 거리는 미터, 일과 에너지는 일반적으로 kg · m 단위입니다.2/에스2. 이 SI 작업 단위는줄.
일을위한 공식
작업에 대한 표준 방정식은 다음과 같습니다.
W = F \ cdot d
어디디변위입니다. 힘과 변위는 모두 벡터 양이지만 그 곱은 스칼라 곱 (내적이라고도 함)입니다. 이 호기심은 힘과 속도와 같이 함께 곱해지는 다른 벡터 양에 해당되며, 곱하면 스칼라 수량 전력이 생성됩니다. 다른 물리적 상황에서 벡터의 곱은 외적이라고하는 벡터 양을 생성합니다.
시스템의 개별 힘에프1, F2, F3 ... 에프엔다음과 같은 크기로 작업하십시오.에프1디1, F2디2, 등등; 음수 값과 양수 값을 포함 할 수있는 이러한 개별 제품을 합하여 시스템의총 작업, 또는네트워크. 네트워크 W의 공식그물 순 힘에 의해 물체에 수행에프ne티 이다
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
어디θ운동 방향과 적용된 힘 사이의 각도입니다. 값에 대해 볼 수 있습니다.θ각도의 코사인이 0 인 경우 (예: 힘이 운동 방향에 수직 일 때) 네트워크 작업이 수행되지 않습니다. 또한 순 힘이 운동 방향과 반대로 작용할 때 코사인 함수는 음의 값을 제공하여 결과적으로 앞서 언급 한 "음의 일"을 생성합니다.
일을 계산하는 방법
문제에서 다른 힘에 의해 수행 된 작업량을 더하여 전체 작업량을 계산할 수 있습니다. 모든 경우에 작업을 계산하려면 문제의 벡터에 대한 완전한 이해가 필요합니다. 사용할 기본 삼각법을 넣어야합니다.
- 노트 :실생활에서 힘이 중력 이외의 물체에 작용하면 일정하지 않을 것입니다. 이 예에서 언급 된 모든 힘 F는 일정한 힘으로 가정 할 수 있습니다. 힘이 다를 때 여기에 언급 된 관계는 유효하지만 관련 문제를 해결하려면 적분 미적분을 수행해야합니다.
예:수평 설원을 가로 질러 20kg의 어린이 썰매 조합을 당기는 개는 5 초 동안 휴식에서 5m / s의 속도로 가속합니다 (ㅏ= 1m / s2). 개는 어린이 썰매 조합에서 얼마나 많은 일을합니까? 마찰이 미미하다고 가정합니다.
먼저 개가 아이와 썰매에 적용한 총 힘을 계산합니다.에프= mㅏ= (20kg) (1m / s2) = 20N. 변위는 평균 속도 (v – v0) / 2 (= 5/2)에 시간 t (= 5 초)를 곱한 12.5m입니다. 따라서 총 작업량은 (20 N) (12.5 m) =250J.
- 대신 일 에너지 정리를 사용하여이 문제를 어떻게 해결 하시겠습니까?
비스듬히 힘을 발휘하기
힘이 0도에서 가해지지 않을 때 (즉, 물체에 비스듬한 경우), 간단한 삼각법을 사용하여 해당 물체에 대한 작업을 찾습니다. 입문 수준 문제에 대해 코사인과 사인을 사용하는 방법 만 알면됩니다.
예를 들어, 위의 상황에서 개가 절벽 가장자리에 서서 아이와 개 사이의 밧줄이 수평 설원과 45도 각도를 이루도록한다고 상상해보십시오. 개가이 새로운 각도에서 이전과 동일한 힘을 가하면 이 힘은 (cos 45 °) (20 N) = 14.1 N이고 썰매에서 수행되는 결과 작업은 (14.1 N) (12.5 m) =176.8 J. 아이의 새로운 가속도는 힘의 가치와 뉴턴의 법칙에 의해 주어집니다.에프= mㅏ: (14.1N) / 20kg) = 0.71m / s2.
일 에너지 정리
그것은일 에너지 정리그것은 공식적으로 작업에 에너지로 표현되는 "특권"을 부여합니다. 일-에너지 정리에 따르면 물체에 대한 순 일은 운동 에너지의 변화와 같습니다.
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
여기서 m은 물체의 질량이고V0과V초기 및 최종 속도입니다.
이 관계는 힘의 크기가 일, 힘 및 속도와 관련된 문제에서 매우 유용합니다. 또는 다른 변수를 알 수 없습니다. 그러나 당신이 가지고 있거나 계산할 수 있습니다. 해결책. 또한 일정한 속도로 수행되는 네트워크 작업이 없다는 사실을 강조합니다.
회전 작업
일 에너지 정리 또는 일 에너지 원리는 인식 가능하지만 고정 축을 중심으로 회전하는 물체에 대해 약간 다른 형태를 취합니다.
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
여기ω각속도 (초당 라디안 (또는 초당도))나는관성 모멘트 (또는 면적의 두 번째 모멘트)라고하는 선형 운동의 질량과 유사한 양입니다. 회전하는 물체의 모양에 따라 다르며 회전 축에도 따라 다릅니다. 계산은 직선 운동과 동일한 일반적인 방식으로 수행됩니다.
뉴턴의 운동 법칙은 무엇입니까?
과학 혁명의 주요 수학과 과학 정신 중 하나 인 Isaac Newton은 움직이는 물체의 행동을 지배하는 세 가지 법칙을 제안했습니다.
- 뉴턴의 제 1 운동 법칙움직이는 물체가 일정한속도불균형 한 외부인이 조치하지 않는 한 그 상태로 유지됩니다.힘. 이것의 중요한 결과관성의 법칙속도가 변하지 않는 한 가장 높은 속도를 유지하는 데 순 힘이 필요하지 않습니다.
- 뉴턴의 운동 제 2 법칙순 힘이 속도를 변화시키는 작용을하거나가속하다, 질량 :에프그물= mㅏ. 힘과 가속도는벡터 수량크기와 방향 (x, y 및 z 구성 요소 또는 각도 좌표)을 모두 가지고 있습니다. 질량은스칼라 량크기 만 소유합니다. 모든 형태의 에너지와 마찬가지로 일도 스칼라 양입니다.
- 뉴턴의 제 3 운동 법칙자연의 모든 힘에는 크기는 같지만 방향은 반대 인 힘이 존재한다고 말합니다. 즉, 모든에프힘이있다-에프동일한 시스템 내에서 시스템이 자신의 경계로 정의한 시스템이든 단순한 우주 전체이든 상관 없습니다.
뉴턴의 두 번째 법칙은 시스템의 총 에너지 (잠재적 더하기 운동) 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전달되지만 절대로 "파괴"되거나 생성되지 않습니다. 아무것도.