Fizika papildus vārdam, kas diemžēl iepriekš atbaida potenciālos nākotnes zinātnes cienītājus, ir arī pētījums parkā objekti pārvietojas. Tas ietver visu, sākot no veselām galaktiku kopām līdz daļiņām, kas ir gandrīz pārāk mazas, lai iedomāties, vēl mazāk pareizi vizualizētu.
Liela daļa lietišķās fizikas (tas ir, fizikas zinātnes nozare, kas nodarbojas ar zināšanu izmantošanu, nevis "tikai" teoretizēšanu) ir izdomāt, kā iegūt vairākdarbsno mazākenerģija.
Darbs, turklāt gandrīz ikdienas pienākums darbiniekiem un studentiem, kā arī ģenerālim labi iztērēto pūļu apzīmētājs ir viens no vairākiem fizikā svarīgiem formāliem lielumiem, kam ir vienības enerģija. Īsāk sakot, ikreiz, kad objekta kustībai liek enerģiju, pie šī objekta tiek strādāts.
Ikdienā veiktie darbi ir lifti, kas viesnīcas viesus ved līdz viņu stāviem, bērns, kurš velk kamanas uz kalnu, vai gāzes izplešanās ar iekšdedzes dzinēju, kas vada virzuli. Lai pareizi izprastu šo jēdzienu, ir noderīgi pārskatīt dažus enerģijas, kustības un matērijas pamatus, kas, pirmkārt, padara "darbu" par dzīvotspējīgu fizikas zinātnes jēdzienu.
Darba definīcija
Strādājiet fiziskā spēka rezultātā, kas tiek pielietots noteiktā attālumā, jo spēks rada objekta pārvietojumu, uz kuru tas iedarbojas. Darbam ir pozitīva vērtība, ja spēks atrodas vienā virzienā ar kustību, un negatīva vērtība, kad tā atrodas pretējais virziens (tas "negatīvais darbs" pat var notikt, iespējams, šķiet dīvaini, bet jūs redzēsiet, kā īslaicīgi). Jebkura sistēma, kurai piemīt enerģija, spēj veikt darbu.
Kad objekts nepārvietojas, ar to netiek veikts darbs. Tas ir taisnība neatkarīgi no tā, cik daudz pūļu tiek veltīts kādam uzdevumam, piemēram, mēģināt pats pārvietot lielu laukakmeni. Šajā gadījumā enerģija no jūsu muskuļu kontrakcijām tiek zaudēta, kad siltums tiek izvadīts no šiem muskuļiem. Tātad, kaut arī jūs šajā scenārijā nedarbojat, vismaz jūs iekļūstat darbāārāveida.
Tikai tā spēka sastāvdaļa, kas vērsta saskaņā ar objekta pārvietojumu, veicina pie tā paveikto darbu. Ja kāds staigā virzienā, kas atbilst pozitīvajai x asij tipiskā koordinātu sistēmā, un piedzīvo spēku no kreisās puses, kura vektors irgandrīzperpendikulāra viņas kustībai, bet ļoti nedaudz vērsta x virzienā, tikai tas salīdzinoši mazais spēka faktoru x-komponents problēmai.
Ejot pa kāpnēm, jūs darāt darbu, lai neļautu sev pārvietoties vēl ātrāk (brīvi krītot), bet, tā kā jūsu kustība joprojām ir pretrunā ar jūsu centieniem, tas ir piemērs darbam ar negatīvu zīmi. Kopējais tīrais darbs, ko jums veic gravitācija un jūs pats, ir pozitīvs, bet mazāks pozitīvs skaitlis, nekā tas būtu bez jūsu "darba" tiešā opozīcijā.
Darbam ir enerģijas vienības
Sistēmas kopējā enerģija ir tās iekšējā vai siltuma enerģija, kā arī mehāniskā enerģija. Mehānisko enerģiju var sadalīt kustības enerģijā (kinētiskā enerģija) un "uzkrāto" enerģiju (potenciālā enerģija). Kopējā mehāniskā enerģija jebkurā sistēmā ir tās potenciālo un kinētisko enerģiju summa, no kurām katrai var būt dažādas formas.
Kinētiskā enerģija ir kustības enerģija telpā, gan lineāra, gan rotācijas. Ja masamtiek turēta distancehvirs zemes, tā potenciālā enerģija irmgh. Ja paātrinājums gravitācijas dēļ,g, tā vērtība ir 9,80 m / s2 netālu no Zemes virsmas.
Ja objektu atbrīvo no atpūtas augstumā h un ļauj tam nokrist uz Zemi (h = 0), tā kinētiskā enerģija trieciena laikā ir (1/2) mv2= mgh, jo visa enerģija kritiena laikā ir pārveidota no potenciālās uz kinētisko (pieņemot, ka nav berzes vai siltuma enerģijas zudumu). Visu laiku daļiņas potenciālās enerģijas un tās kinētiskās enerģijas summa paliek nemainīga.
- Jo spēkam ir vienībasņūtoni(kg⋅m / s2) SI (metriskajā) sistēmā un attālums ir metros, darbam un enerģijai kopumā ir kg⋅m vienības2/ s2. Šī SI darba vienība ir pazīstama kāDžouls.
Darba formula
Standarta darba vienādojums ir:
W = F \ cdot d
kurdir pārvietošanās. Lai gan spēks un pārvietojums ir abi vektoru lielumi, to produkts ir skalārais reizinājums (saukts arī par punktveida produktu). Šī zinātkāre attiecas uz citiem vektoru lielumiem, kas tiek reizināti kopā, piemēram, par spēku un ātrumu, kuru reizināšanas rezultātā tiek panākta skalārā daudzuma jauda. Citās fiziskās situācijās vektoru pavairošana rada vektora daudzumu, kas pazīstams kā šķērsprodukts.
Individuālie spēki sistēmāF1, F2, F3 ... Fndarīt darbu ar lielumu, kas vienāds arF1d1, F2d2, un tā tālāk; šos atsevišķos produktus, kas var ietvert gan negatīvas, gan pozitīvas vērtības, var summēt, lai iegūtu sistēmas vērtībukopējais darbsvaitīkla darbs. Tīkla W formulatīkls izdarīts uz objektu ar tīru spēkuFnet ir
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
kurθir leņķis starp kustības virzienu un pielietoto spēku. To var redzēt, ja vērtības irθkam leņķa kosinuss ir 0, piemēram, ja spēks ir perpendikulārs kustības virzienam, neto darbs netiek veikts. Arī tad, kad tīrais spēks darbojas pretēji kustības virzienam, kosinusa funkcija dod negatīvu vērtību, kā rezultātā rodas iepriekšminētais "negatīvais darbs".
Kā aprēķināt darbu
Jūs varat aprēķināt kopējo darbu, summējot dažādu spēku paveikto problēmu daudzumu problēmā. Visos gadījumos darba aprēķināšanai nepieciešama pilnīga problēmas vektoru izpratne, ne tikai skaitļi, kas tiem pievienoti. Jums būs jāizmanto pamata trigonometrija.
- Piezīme:Reālajā dzīvē, kad spēks uz objektu darbojas ne tikai gravitācijas dēļ, diez vai tas būs nemainīgs. Jebkuru spēku F, kuru redzat pieminētu šajos piemēros, var uzskatīt par pastāvīgu spēku. Kad spēki mainās, šeit norādītās attiecības paliek spēkā, taču, lai atrisinātu saistītās problēmas, jums būs jāveic integrāls aprēķins.
Piemērs:Suns, kurš velk 20 kg smagu bērnu kamanu kombināciju pāri horizontālam sniega laukam, 5 sekunžu laikā paātrinās no atpūtas līdz ātrumam 5 m / s (a= 1 m / s2). Cik daudz suns strādā pie bērna un ragavas kombinācijas? Pieņemsim, ka berze ir nenozīmīga.
Pirmkārt, jūs aprēķināt kopējo spēku, ko suns pielicis bērnam un ragavām:F= ma= (20 kg) (1 m / s2) = 20 N. Pārvietojums ir vidējais ātrums (v - v0) / 2 (= 5/2) reizināts ar laiku t (= 5 s), kas ir 12,5 m. Tādējādi kopējais darbs ir (20 N) (12,5 m) =250 J.
- Kā jūs atrisinātu šo problēmu, tā vietā izmantojot darba enerģijas teorēmu?
Strādājiet pie spēka leņķī
Ja spēks netiek piemērots 0 grādos (t.i., ja tas atrodas leņķī pret objektu), izmantojiet vienkāršu trigonometriju, lai atrastu ar šo objektu veikto darbu. Jums tikai jāzina, kā izmantot kosinusu un sinusu ievada līmeņa problēmām.
Piemēram, iedomājieties, kā suns iepriekšminētajā situācijā stāv uz klints malas, tā ka virve starp bērnu un suni veido 45 grādu leņķi ar horizontālo sniega lauku. Ja suns šajā jaunajā leņķī pieliek tādu pašu spēku kā iepriekš, jūs redzat, ka šis spēks tiek dots (cos 45 °) (20 N) = 14,1 N, un ka rezultāts, kas paveikts ar ragavām, ir (14,1 N) (12,5 m) =176,8 J. Jauno bērna paātrinājumu piešķir spēka vērtība un Ņūtona likums,F= ma: (14,1 N) / 20 kg) = 0,71 m / s2.
Darba-enerģijas teorēma
Tas irdarba-enerģijas teorēmakas formāli piešķir darbam "privilēģiju" izteikties enerģijas izteiksmē. Saskaņā ar darba enerģijas teorēmu neto darbs, kas veikts ar objektu, ir vienāds ar kinētiskās enerģijas izmaiņām:
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
kur m ir objekta masa unv0unvir tā sākotnējie un pēdējie ātrumi.
Šīs attiecības ir ļoti noderīgas problēmās, kas saistītas ar darbu, spēku un ātrumu, ja spēka lielums vai kāds cits mainīgais nav zināms, bet jums ir vai varat aprēķināt pārējo nepieciešamo, lai virzītos uz a risinājums. Tas arī uzsver faktu, ka neto darbs netiek veikts nemainīgā ātrumā.
Rotācijas darbs
Darba-enerģijas teorēma vai darba-enerģijas princips objektiem, kas rotē ap fiksētu asi, iegūst atpazīstamu, bet nedaudz atšķirīgu formu:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
Šeitωir leņķiskais ātrums radiānos sekundē (vai grādos sekundē) unEsir lielums, kas ir analogs masai lineārā kustībā, ko sauc par inerces momentu (vai otro laukuma momentu). Tas ir raksturīgs rotējošā objekta formai un ir atkarīgs arī no rotācijas ass. Aprēķini tiek veikti tāpat kā lineārai kustībai.
Kādi ir Ņūtona kustības likumi?
Īzaks Ņūtons, viens no vadošajiem Zinātniskās revolūcijas matemātiskajiem un zinātniskajiem prātiem, ierosināja trīs likumus, kas regulē kustīgu objektu uzvedību.
- Ņūtona pirmais kustības likumsnosaka, ka objekts kustībā ar nemainīguātrumspaliks tādā stāvoklī, ja vien to nedarīs nelīdzsvarots ārējsspēks. Svarīgas sekas taminerces likumsir tas, ka tīrais spēks nav vajadzīgs, lai uzturētu pat vislielāko ātrumu, ja ātrums nemainās.
- Ņūtona otrais kustības likumsnorāda, ka tīrie spēki darbojas, lai mainītu ātrumu vaipaātrināt, masas:Ftīkls= ma. Spēks un paātrinājums irvektoru daudzumiun tiem ir gan lielums, gan virziens (x-, y- un z-komponenti vai leņķa koordinātas); masa ir askalārais daudzumsun tam ir tikai lielums. Darbs, tāpat kā visas enerģijas formas, ir skalārs lielums.
- Ņūtona trešais kustības likumspaziņo, ka katram dabas spēkam ir spēks, kura lielums ir vienāds, bet virzienā pretējs. Tas ir, katramFpastāv spēks-Fvienas un tās pašas sistēmas ietvaros neatkarīgi no tā, vai sistēma ir tāda, kuru esat definējis ar savām robežām, vai vienkārši tā ir kosmoss kopumā.
Ņūtona otrais likums ir tieši saistīts ar enerģijas saglabāšanas likumu, kas apgalvo, ka kopējā enerģijas enerģija sistēmā (potenciāls plus kinētiskais) paliek nemainīgs, enerģija tiek pārnesta no vienas formas uz otru, bet nekad netiek "iznīcināta" vai ražota neko.