Fizika je poleg tega, da je beseda, ki na žalost vnaprej prestraši potencialne ljubitelje znanosti, v svojem bistvu tudi študijakako se premikajo predmeti. Sem spada vse od celotnih kopic galaksij do delcev, ki so skoraj premajhni, da bi si jih lahko predstavljali, še manj pa pravilno vizualizirali.
In velik del uporabne fizike (to je veja fizikalne znanosti, ki se ukvarja z uporabo znanja namesto s "zgolj teoretiziranjem") ugotavlja, kako doseči večdelood manjenergija.
Delo, poleg tega pa je skoraj vsakodnevna obveznost za zaposlene in študente, pa tudi splošno označevalec dobro porabljenega truda, je ena izmed številnih vitalnih formalnih količin v fiziki, ki ima enote energija. Skratka, kadarkoli se energija porabi za premikanje predmeta, se na tem predmetu dela.
Vsakodnevni primeri opravljenega dela vključujejo dvigala, ki goste hotela pripeljejo do tal, otrok, ki vleče sani v hrib, ali razširitev plina v motorju z notranjim zgorevanjem, ki poganja bat. Če želite pravilno razumeti ta koncept, je koristno pregledati nekaj osnov o energiji, gibanju in snovi, zaradi katerih je "delo" sploh izvedljiv koncept v fizikalni znanosti.
Opredelitev dela
Delajte na fizični rezultat sile, ki deluje na določeni razdalji, saj sila povzroči premik predmeta, na katerega deluje. Delo ima pozitivno vrednost, kadar je sila v isti smeri kot gibanje, in negativno vrednost, ko je v njej nasprotno smer (da se lahko celo zgodi "negativno delo", se verjetno zdi nenavadno, a boste videli, kako za trenutek). Vsak sistem, ki ima energijo, je sposoben opravljati delo.
Ko se objekt ne premakne, se na njem ne dela. To velja ne glede na to, koliko truda je vloženega v nalogo, na primer, če poskušate sami premakniti velik balvan. V tem primeru se energija iz krčenja mišic izgubi, ko se toplota odvaja iz teh mišic. Torej, čeprav v tem scenariju ne delate, vsaj v delo vstopitevenvrste.
K delu, opravljenemu na njem, prispeva le komponenta sile, usmerjene v skladu s premikom predmeta. Če nekdo hodi v smeri, ki ustreza pozitivni osi x na tipičnem koordinatnem sistemu in doživi silo z njene leve, katere vektor jeskorajpravokotno na njeno gibanje, vendar kaže zelo malo v smeri x, le tista sorazmerno majhna komponenta x dejavnikov sile v problem.
Ko se spustite po stopnicah, delate, da si preprečite še hitrejše premikanje (prosti padec), ker pa je vaše gibanje še vedno v smeri, ki nasprotuje vašim prizadevanjem, je to primer dela z negativnim znak. Skupno neto delo, ki ste ga opravili z gravitacijo in s seboj, je pozitivno, vendar manjše pozitivno število, kot bi bilo brez vašega "dela" v neposrednem nasprotju.
Delo ima enote energije
Skupna energija sistema je njegova notranja ali toplotna energija in njegova mehanska energija. Mehansko energijo lahko razdelimo na energijo gibanja (kinetična energija) in "shranjena" energija (potencialna energija). Skupna mehanska energija v katerem koli sistemu je vsota njegove potencialne in kinetične energije, od katerih ima vsaka lahko različne oblike.
Kinetična energija je energija gibanja skozi vesolje, tako linearna kot rotacijska. Če mašamje na daljavohnad tlemi je njegova potencialna energijamgh. Kjer je pospešek zaradi gravitacije,g, ima vrednost 9,80 m / s2 blizu Zemljinega površja.
Če se objekt sprosti iz mirovanja na višini h in pusti, da pade navzdol na Zemljo (h = 0), je njegova kinetična energija pri udarcu (1/2) mv2= mgh, saj je bila vsa energija med padcem pretvorjena iz potencialne v kinetično (ob predpostavki, da ni izgub zaradi trenja ali toplotne energije). Ves čas ostane vsota potencialne energije delca in njegove kinetične energije konstantna.
- Ker ima sila enotenjutnov(kg⋅m / s2) v sistemu SI (metrični) in razdalja je v metrih, delo in energija na splošno imajo enote kg⋅m2/ s2. Ta enota dela SI je znana kotJoule.
Formula za delo
Standardna enačba za delo je:
W = F \ cdot d
kjedje premik. Čeprav sta sila in premik vektorski količini, je njihov produkt skalarni produkt (imenovan tudi pikčast produkt). Ta radovednost velja za druge vektorske količine, ki se pomnožijo skupaj, kot sta sila in hitrost, katerih množenje povzroči skalarno količinsko moč. V drugih fizičnih situacijah množenje vektorjev povzroči vektorsko količino, znano kot navzkrižni produkt.
Posamezne sile v sistemuF1, F2, F3 ... Fndelaj z velikostmi, enakimiF1d1, F2d2, in tako naprej; te posamezne izdelke, ki lahko vključujejo negativne in pozitivne vrednosti, lahko seštejemo, da dobimo sistemskeskupno delo, alineto delo. Formula za neto delo Wmreža narejeno na predmet z neto siloFnet je
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
kjeθje kot med smerjo gibanja in uporabljeno silo. To lahko vidite za vrednostiθpri katerem je kosinus kota 0, na primer kadar je sila pravokotna na smer gibanja, ni opravljeno nobeno delo. Tudi ko neto sila deluje nasproti smeri gibanja, daje kosinusna funkcija negativno vrednost, kar ima za posledico prej omenjeno "negativno delo".
Kako izračunati delo
Skupno delo lahko izračunate tako, da seštejejo količino dela, ki so ga v problemu opravile različne sile. V vseh primerih izračunavanje dela zahteva popolno razumevanje vektorjev v problemu, ne le številk, ki jim pripadajo. Za uporabo boste morali uporabiti osnovno trigonometrijo.
- Opomba:Ko v resničnem življenju na objekt poleg gravitacije deluje sila, verjetno ni konstantna. Katero koli silo F, ki jo vidite v teh primerih, lahko štejemo za konstantno silo. Ko se sile razlikujejo, ostanejo tukaj omenjeni odnosi veljavni, vendar boste morali za reševanje s tem povezanih postopkov izvesti celostno računanje.
Primer:Pes, ki vleče 20-kilogramsko kombinacijo otroških sank po vodoravnem snežišču, v 5 sekundah pospeši od mirovanja do hitrosti 5 m / s (a= 1 m / s2). Koliko dela pes na kombinaciji otrok-sanke? Predpostavimo, da je trenje zanemarljivo.
Najprej izračunate skupno silo, ki jo pes uporabi na otroka in sani:F= ma= (20 kg) (1 m / s2) = 20 N. Premik je povprečna hitrost (v - v0) / 2 (= 5/2) pomnoženo s časom t (= 5 s), kar je 12,5 m. Tako je skupno delo (20 N) (12,5 m) =250 J.
- Kako bi rešili to težavo z uporabo izreka delovne energije?
Delajte za silo pod kotom
Kadar sila ne deluje pri 0 stopinjah (tj. Če je pod kotom na objekt), uporabite preprosto trigonometrijo, da najdete delo, opravljeno na tem predmetu. Vedeti morate le, kako uporabiti kosinus in sinus za uvodne težave.
Na primer, predstavljajte si psa v zgornji situaciji, ki stoji na robu pečine, tako da vrv med otrokom in psom naredi kot 45 stopinj z vodoravnim snežiščem. Če pes pri tem novem kotu uporabi enako silo kot prej, boste ugotovili, da ima vodoravna komponenta ta sila je podana (cos 45 °) (20 N) = 14,1 N in da je posledično delo na sani (14,1 N) (12,5 m) =176,8 J. Novo pospeševanje otroka dajeta vrednost sile in Newtonov zakon,F= ma: (14,1 N) / 20 kg) = 0,71 m / s2.
Teorem o delu in energiji
Jeizrek o delu in energijiki formalno omogoča delo "privilegij", da se izrazi v smislu energije. Po izreku o delovni energiji je neto delo, opravljeno na objektu, enako spremembi kinetične energije:
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
kjer je m masa predmeta inv0invso njene začetne in končne hitrosti.
To razmerje je zelo priročno pri težavah, ki vključujejo delo, silo in hitrost, kjer je velikost sile ali katera druga spremenljivka ni znana, preostanek tega, kar potrebujete za nadaljevanje, pa imate ali lahko izračunate rešitev. Poudarja tudi dejstvo, da se neto dela ne izvaja s konstantno hitrostjo.
Rotacijsko delo
Izrek o delovni energiji ali princip delovne energije ima za predmete, ki se vrtijo okoli fiksne osi, prepoznavno, a nekoliko drugačno obliko:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
Tukajωje kotna hitrost v radianih na sekundo (ali stopinj na sekundo) injazje količina, ki je analogna masi v linearnem gibanju, ki se imenuje vztrajnostni moment (ali drugi moment površine). To je značilno za obliko vrtečega se predmeta in je odvisno tudi od osi vrtenja. Izračuni se izvajajo na enak splošen način kot za linearno gibanje.
Kakšni so Newtonovi zakoni gibanja?
Isaac Newton, eden vodilnih matematičnih in znanstvenih umov znanstvene revolucije, je predlagal tri zakone, ki urejajo vedenje premikajočih se predmetov.
- Newtonov prvi zakon gibanjanavaja, da je objekt v gibanju s konstantohitrostostanejo v tem stanju, razen če nanje deluje neuravnotežena zunanjasila. Pomembna posledica tegavztrajnostni zakonje, da čista sila ni potrebna za vzdrževanje niti najvišje hitrosti, če se hitrost ne spremeni.
- Newtonov drugi zakon gibanjanavaja, da neto sile delujejo za spreminjanje hitrosti, ozpospeši, mase:Fmreža= ma. Sila in pospešek stavektorske količinein imajo tako velikost kot smer (x-, y- in z-komponente ali kotne koordinate); masa je askalarna količinain ima samo velikost. Delo je tako kot vse oblike energije skalarna količina.
- Newtonov tretji zakon gibanjanavaja, da za vsako silo v naravi obstaja sila, enaka po velikosti, a nasprotna po smeri. Se pravi za vsakegaFobstaja sila-Fznotraj istega sistema, ne glede na to, ali gre za sistem, ki ste ga določili s svojimi mejami, ali je preprosto kozmos kot celota.
Newtonov drugi zakon se neposredno nanaša na zakon o ohranjanju energije, ki trdi, da je celotna energija v sistemu (potencialna plus kinetična) ostaja nespremenjena, pri čemer se energija prenaša iz ene oblike v drugo, vendar se nikoli ne "uniči" ali proizvede iz nje nič.