Fizika yra ne tik žodis, kuris, deja, iš anksto atbaido potencialius būsimus mokslo mėgėjus, bet ir yra pagrindinėkaip juda daiktai. Tai apima viską, pradedant ištisomis galaktikų grupėmis, baigiant dalelėmis, kurios yra beveik per mažos įsivaizduoti, o dar mažiau - tinkamai vizualizuojamos.
Didžiulė taikomosios fizikos dalis (tai yra fizikos mokslo šaka, susijusi su žinių panaudojimu, o ne „tik“ teoretizavimu) yra išsiaiškinimas, kaip gauti daugiaudarbasiš mažiauenergijos.
Darbas, be to, beveik kasdienis darbuotojų ir studentų, taip pat generolo įsipareigojimas gerai išleistų pastangų žymeklis yra vienas iš daugybės fiziškai svarbių formalių dydžių, kurio vienetai yra energijos. Trumpai tariant, visada, kai energija naudojama objektui judėti, su tuo objektu dirbama.
Kasdien atliekamų darbų pavyzdžiai yra liftai, kuriais viešbučio svečiai pakeliami iki jų aukštų, vaikas, roges traukiantis į kalvą, arba dujų plėtimasis degimo variklyje, varančiame stūmoklį. Norint tinkamai suprasti šią sąvoką, naudinga apžvelgti kai kuriuos energijos, judesio ir materijos pagrindus, kurie „darbą“ visų pirma paverčia perspektyvia fizikos mokslo sąvoka.
Darbo apibrėžimas
Dirbkite tam tikru atstumu veikiamos jėgos fizinį rezultatą, nes jėga sukelia objekto, kurį veikia, poslinkį. Darbas turi teigiamą vertę, kai jėga yra ta pačia kryptimi kaip judesys, ir neigiamą vertę, kai ji yra priešinga kryptis (tas „neigiamas darbas“ netgi gali įvykti, tikriausiai atrodo keista, bet pamatysite, kaip trumpam). Bet kuri energiją turinti sistema gali dirbti.
Kai objektas nejuda, su juo nedirba. Tai tiesa, nesvarbu, kiek pastangų dedama į užduotį, pavyzdžiui, bandant pačiam pajudinti didelį riedulį. Šiuo atveju energija iš jūsų raumenų susitraukimų prarandama, kai šiluma išsisklaido iš tų raumenų. Taigi, nors pagal šį scenarijų nedirbate, bent jau įsitraukiate į darbąišėjorūšių.
Tik jėgos komponentas, nukreiptas pagal objekto poslinkį, prisideda prie jo atlikto darbo. Jei kas nors eina kryptimi, atitinkančia teigiamą x ašį tipinėje koordinačių sistemoje, ir patiria jėgą iš kairės, kurios vektorius yrabeveikstatmena jos judesiui, bet labai nežymiai nukreipta x kryptimi, tik tas palyginti nedidelis jėgos veiksnių x komponentas į problemą.
Eidami laiptais, jūs dirbate, kad netrukdytumėte dar greičiau judėti (laisvai kristi), bet kadangi jūsų judėjimas vis dar nukreiptas priešinga jūsų pastangoms kryptimi, tai yra darbo su neigiamu pavyzdys ženklas. Bendras gravitacijos ir jūsų paties atliktas grynasis darbas yra teigiamas, tačiau mažesnis teigiamas skaičius, nei būtų be jūsų „darbo“ tiesiogiai opozicijoje.
Darbas turi energijos vienetų
Bendra sistemos energija yra jos vidinė arba šiluminė energija plius jos mechaninė energija. Mechaninę energiją galima suskirstyti į judėjimo energiją (kinetinė energija) ir „sukaupta“ energija (potencinė energija). Bendra mechaninė energija bet kurioje sistemoje yra jos potencialų ir kinetinių energijų, kurių kiekviena gali būti įvairių formų, suma.
Kinetinė energija yra judėjimo erdvėje energija, tiek linijinė, tiek sukamoji. Jei mišiosmlaikomas atstumashvirš žemės, jo potenciali energija yramgh. Kai pagreitis dėl sunkio,g, vertė yra 9,80 m / s2 netoli Žemės paviršiaus.
Jei objektas išleidžiamas iš poilsio aukštyje h ir leidžiama nukristi žemyn į Žemę (h = 0), jo kinetinė energija smūgio metu yra (1/2) mv2= mgh, nes kritimo metu visa energija iš potencialo buvo paversta kinetine (darant prielaidą, kad nėra trinties ar šilumos energijos nuostolių). Visais laikais dalelės potencialios energijos ir jos kinetinės energijos suma išlieka pastovi.
- Nes jėga turi vienetusniutonai(kg⋅m / s2) SI (metrinėje) sistemoje, o atstumas yra metrais, darbas ir energija apskritai turi kg⋅m vienetus2/ s2. Šis SI darbo vienetas yra žinomas kaipDžoulis.
Darbo formulė
Standartinė darbo lygtis yra:
W = F \ ddot d
kurdyra poslinkis. Nors jėga ir poslinkis yra abu vektoriniai dydžiai, jų sandauga yra skaliarinė sandauga (dar vadinama taškiniu sandaugu). Šis smalsumas pasakytina apie kitus vektorinius dydžius, kurie yra dauginami kartu, pvz., Jėgą ir greitį, kuriuos padauginus gaunama skaliarinė kiekio galia. Kitose fizinėse situacijose dauginant vektorius gaunamas vektoriaus kiekis, žinomas kaip kryžminis produktas.
Individualios jėgos sistemojeF1, F2, F3 ... Fnatlikti darbą, kurio dydis lygusF1d1, F2d2, ir taip toliau; šiuos atskirus produktus, kurie gali apimti ne tik neigiamą, bet ir teigiamą vertę, galima susumuoti, kad gautumėte sistemos vertęviso darboarbagrynasis darbas. Grynojo darbo W formulėneto padaryta objektui grynąja jėgaFnet yra
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
kurθyra kampas tarp judėjimo krypties ir pritaikytos jėgos. Tai galite pamatyti vertėmsθkuriai kampo kosinusas yra 0, pvz., kai jėga yra statmena judėjimo krypčiai, grynasis darbas neatliekamas. Be to, kai grynoji jėga veikia priešingai judėjimo krypčiai, kosinuso funkcija suteikia neigiamą vertę, dėl to atsiranda minėtas „neigiamas darbas“.
Kaip apskaičiuoti darbą
Visą darbą galite apskaičiuoti susumavę įvairių jėgų atliktą darbo kiekį problemoje. Visais atvejais, norint apskaičiuoti darbą, reikia visiškai suprasti problemos vektorius, o ne tik su jais susijusius skaičius. Turėsite naudoti pagrindinę trigonometriją.
- Pastaba:Realiame gyvenime, kai jėga veikia daiktą be gravitacijos, vargu ar ji bus pastovi. Bet kokia jėga F, kurią matote paminėta šiuose pavyzdžiuose, gali būti laikoma nuolatine jėga. Kai jėgos skiriasi, čia nurodyti santykiai lieka galioti, tačiau norint išspręsti susijusias problemas, reikės atlikti vientisą skaičiavimą.
Pavyzdys:Šuo, tempiantis 20 kg svorio vaikų rogių kombinaciją per horizontalų sniego lauką, per 5 sekundes nuo poilsio pagreitėja iki 5 m / s greičio (a= 1 m / s2). Kiek šuo dirba vaiko ir rogių kombinacijoje? Tarkime, kad trintis yra nereikšminga.
Pirmiausia apskaičiuojate bendrą šuns vaikui ir rogutėms jėgą:F= ma= (20 kg) (1 m / s2) = 20 N. Poslinkis yra vidutinis greitis (v - v0) / 2 (= 5/2) padauginus iš laiko t (= 5 s), kuris yra 12,5 m. Taigi bendras darbas yra (20 N) (12,5 m) =250 J.
- Kaip jūs išspręstumėte šią problemą naudodami darbo-energijos teoremą?
Darbas jėgai kampu
Kai jėga netaikoma 0 laipsnių kampu (t. Y. Jei ji yra kampu prieš objektą), naudokite paprastą trigonometriją, kad rastumėte su tuo objektu atliktą darbą. Jums reikia tik žinoti, kaip naudoti kosinusą ir sinusą įžanginio lygio problemoms spręsti.
Pavyzdžiui, įsivaizduokite šunį, esantį aukščiau, stovintį ant uolos krašto, kad virvė tarp vaiko ir šuns padarytų 45 laipsnių kampą su horizontaliu sniego lauku. Jei šuo šiuo nauju kampu taiko tą pačią jėgą kaip ir anksčiau, pastebėsite, kad horizontalusis komponentas ši jėga suteikiama (cos 45 °) (20 N) = 14,1 N ir kad rezultatas, atliktas su rogėmis, yra (14,1 N) (12,5 m) =176,8 J. Naują vaiko pagreitį suteikia jėgos vertė ir Niutono dėsnis,F= ma: (14,1 N) / 20 kg) = 0,71 m / s2.
Darbo ir energijos teorema
Tai yradarbo ir energijos teoremakuris formaliai suteikia darbui „privilegiją“ būti išreikštu energija. Remiantis darbo ir energijos teorema, grynasis objektu atliktas darbas yra lygus kinetinės energijos pokyčiui:
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
kur m yra objekto masė irv0irvyra jo pradinis ir galutinis greičiai.
Šis santykis yra labai naudingas problemoms, susijusioms su darbu, jėga ir greičiu, kai jėgos dydis ar kuris nors kitas kintamasis nežinomas, bet jūs turite arba galite apskaičiuoti likusią dalį, ko jums reikia norint pereiti prie a sprendimas. Tai taip pat pabrėžia faktą, kad neto darbas nėra atliekamas pastoviu greičiu.
Rotacinis darbas
Darbo-energijos teorema arba darbo-energijos principas įgyja atpažįstamą, bet šiek tiek kitokią aplink fiksuotą ašį besisukančių objektų formą:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
Čiaωyra kampinis greitis radianais per sekundę (arba laipsniais per sekundę) irAšyra masė, analogiška tiesinio judėjimo masei, vadinama inercijos momentu (arba antruoju ploto momentu). Tai būdinga besisukančio objekto formai ir taip pat priklauso nuo sukimosi ašies. Skaičiavimai atliekami taip pat, kaip ir tiesinio judėjimo atveju.
Kokie yra Newtono judesio dėsniai?
Isaacas Newtonas, vienas iš pagrindinių mokslinės revoliucijos matematinių ir mokslinių protų, pasiūlė tris dėsnius, reguliuojančius judančių objektų elgesį.
- Pirmasis Niutono judėjimo dėsnisteigia, kad objektas, judantis pastoviaigreitisišliks tokioje būsenoje, nebent veiks nesubalansuotas išorės atstovasjėga. Svarbi to pasekmėinercijos dėsnisyra ta, kad net ir didžiausiam greičiui palaikyti nereikia grynosios jėgos, jei greitis nesikeičia.
- Antrasis Niutono judėjimo dėsnisteigia, kad grynosios jėgos veikia keisdami greitį arbapagreitinti, mišios:Fneto= ma. Jėga ir pagreitis yravektoriniai dydžiaiir turi tiek dydį, tiek kryptį (x-, y- ir z-komponentai arba kampinės koordinatės); masė yra askaliarinis dydisir turi tik dydį. Darbas, kaip ir visos energijos formos, yra skaliarinis dydis.
- Trečiasis Niutono judėjimo dėsnisteigia, kad kiekvienai gamtoje esančiai jėgai yra jėga, kuri yra vienodo dydžio, bet priešinga. Tai yra kiekvienamFegzistuoja jėga-Ftoje pačioje sistemoje, nesvarbu, ar sistema yra ta, kurią jūs apibrėžėte savo ribomis, ar paprasčiausiai yra visas kosmosas.
Antrasis Niutono dėsnis yra tiesiogiai susijęs su energijos išsaugojimo dėsniu, kuris teigia, kad visa sistemos energija (potencialas) plius kinetinis) išlieka pastovus, energija perduodama iš vienos formos į kitą, tačiau niekada nėra „sunaikinta“ ar pagaminta iš jos nieko.