Физика, поред тога што је реч која нажалост унапред плаши потенцијалне љубитеље науке, у својој основи је и студијакако се предмети крећу. То укључује све, од читавих јата галаксија до честица готово премалих да би се могле замислити, а још мање правилно приказати.
И огроман део примењене физике (односно гране физичке науке која се бави стављањем знања у употребу, а не „пуким“ теоретизовањем) смишља како да добије вишерадитиод мањегенергије.
Посао, поред свакодневне обавезе за запослене и студенте, као и опште означитељ добро утрошеног напора једна је од низа виталних формалних величина у физици која има јединице енергије. Укратко, кад год се енергија користи за покретање објекта, ради се на том објекту.
Примери свакодневног посла укључују лифтове који госте хотела доводе до њихових спратова, дете које вуче саонице уз брдо или ширење плина у мотору са унутрашњим сагоревањем који вози клип. Да бисте правилно разумели овај концепт, корисно је прегледати неке од основа о енергији, кретању и материји које чине „рад“ прво одрживим концептом у физичкој науци.
Дефиниција посла
Урадите физички резултат силе примењене на одређеној удаљености, јер сила производи померање предмета на који делује. Рад има позитивну вредност када је сила у истом смеру као кретање и негативну вредност када је у супротан смер (тај „негативан рад“ се чак може догодити вероватно делује чудно, али видећете како тренутно). Сваки систем који поседује енергију способан је за рад.
Када се објекат не помери, на њему се не ради. То је тачно без обзира на то колико се труда улаже у задатак, попут покушаја да сами померите велику громаду. У овом случају, енергија из контракција мишића губи се када се топлота расипа из тих мишића. Дакле, иако не радите посао у овом сценарију, барем у њега уђетенапољенека врста.
Само компонента силе усмерена у складу са померањем предмета доприноси раду на њему. Ако неко хода у правцу који одговара позитивној оси к на типичном координатном систему и искуси силу с њене леве стране чији је векторскороокомито на њено кретање, али врло мало показује у правцу к, само што је та сразмерно мала Кс компонента фактора силе у проблему.
Када се спустите низ степенице, радите на томе да спречите да се крећете још брже (слободно падајући), али зато што је ваш покрет и даље у смеру који се супротставља вашим напорима, ово је пример рада са негативом знак. Комбиновани нето рад на вама гравитацијом и вама самима је позитиван, али мањи позитиван број него што би био без вашег „рада“ у директној опозицији.
Рад има јединице енергије
Укупна енергија система је његова унутрашња или топлотна енергија плус његова механичка енергија. Механичка енергија се може поделити на енергију кретања (кинетичке енергије) и „ускладиштене“ енергије (потенцијална енергија). Укупна механичка енергија у било ком систему је збир његове потенцијалне и кинетичке енергије, од којих свака може имати различите облике.
Кинетичка енергија је енергија кретања кроз простор, линеарна и ротациона. Ако мисамсе држи на дистанцихизнад земље, његова потенцијална енергија јемгх. Где убрзање услед гравитације,г, има вредност 9,80 м / с2 близу Земљине површине.
Ако се објекат ослободи одмора на висини х и пусти да падне доле на Земљу (х = 0), његова кинетичка енергија при удару износи (1/2) мв2= мгх, пошто је током пада сва енергија претворена из потенцијалне у кинетичку (под претпоставком да нема губитака трења или топлотне енергије). Све време збир потенцијалне енергије честице и њене кинетичке енергије остаје константан.
- Јер сила има јединицењутни(кг⋅м / с2) у СИ (метричком) систему и растојање је у метрима, рад и енергија уопште имају јединице кг⋅м2/ с2. Ова СИ јединица рада позната је каоЈоуле.
Формула за рад
Стандардна једначина за рад је:
В = Ф \ цдот д
гдедје расељавање. Иако су сила и померање векторске величине, њихов производ је скаларни производ (такође назван тачкасти производ). Ова радозналост важи за друге векторске величине које се множе заједно, попут силе и брзине, чије умножавање резултира скаларном снагом величине. У другим физичким ситуацијама, множењем вектора настаје векторска величина, позната као унакрсни производ.
Појединачне снаге у системуФ1, Ф.2, Ф.3 ... Фнрадите са величинама једнакимФ1д1, Ф.2д2, и тако даље; ови појединачни производи, који могу укључивати негативне, као и позитивне вредности, могу се сабрати дајући системскеукупан рад, илинето рад. Формула за нето рад В.нето учињено на предмету нето силомФнет је
В_ {мрежа} = Ф_ {мрежа} \ цдот д = Ф_ {мрежа} д \ цос {\ тхета}
гдеθје угао између смера кретања и примењене силе. То можете видети за вредности одθза које је косинус угла 0, као на пример када је сила окомита на правац кретања, не ради се нето рад. Такође, када нето сила делује супротно смеру кретања, косинусна функција даје негативну вредност, што резултира горе поменутим „негативним радом“.
Како израчунати рад
Укупан рад можете израчунати тако што ћете збројити количину посла коју различите снаге раде у проблему. У свим случајевима рачунање посла захтева потпуно разумевање вектора у задатку, а не само бројеве који иду уз њих. Мораћете да употребите основну тригонометрију.
- Белешка:У стварном животу, када сила делује на предмет осим гравитације, мало је вероватно да ће бити стална. Било која сила Ф коју видите у поменутим примерима може се претпоставити као константна сила. Када се силе разликују, овде наведени односи остају на снази, али мораћете да извршите интегрални рачун да бисте решили повезане проблеме.
Пример:Пас који вуче комбинацију дечијих запрега од 20 кг преко хоризонталног снежног поља убрзава од одмора до брзине од 5 м / с током 5 секунди (а= 1 м / с2). Колико посла пас ради на комбинацији дете-санке? Претпоставимо да је трење занемарљиво.
Прво израчунајте укупну силу коју пас примењује на дете и санкање:Ф= ма= (20 кг) (1 м / с2) = 20 Н. Депласман је просечна брзина (в - в0) / 2 (= 5/2) помножено са временом т (= 5 с), што је 12,5 м. Тако је укупан рад (20 Н) (12,5 м) =250 Ј.
- Како бисте решили овај проблем користећи теорему о радној енергији?
Радите за силу под углом
Када сила не делује на 0 степени (тј. Ако је под углом у односу на објекат), користите једноставну тригонометрију да бисте пронашли рад на том објекту. Треба да знате само како да користите косинус и синус за проблеме на уводном нивоу.
На пример, замислите пса у горе наведеној ситуацији како стоји на ивици литице, тако да конопац између детета и пса прави хоризонтални снежни угао од 45 степени. Ако пас примењује исту силу као и пре овог новог угла, открићете да је хоризонтална компонента ова сила је дата (цос 45 °) (20 Н) = 14,1 Н, а резултујући рад на санкама је (14,1 Н) (12,5 м) =176,8 Ј. Ново убрзање детета добија вредност силе и Њутнов закон,Ф= ма: (14,1 Н) / 20 кг) = 0,71 м / с2.
Теорија рада и енергије
То јетеорија рада и енергијекоји формално додељује „привилегију“ да се изрази у енергетском смислу. Према теореми о радној енергији, нето рад на објекту једнак је промени кинетичке енергије:
В_ {нет} = \ фрац {1} {2} мв ^ 2- \ фрац {1} {2} мв_0 ^ 2
где је м маса предмета ив0ивсу њене почетне и крајње брзине.
Овај однос врло добро долази у проблемима који укључују рад, силу и брзину где је величина силе или је нека друга променљива непозната, али имате или можете израчунати остатак онога што вам треба да бисте наставили према а решење. Такође подвлачи чињеницу да се ниједан нето рад не обавља константном брзином.
Ротациони рад
Теорема о радној енергији или принцип радне енергије поприма препознатљив, али мало другачији облик за објекте који се окрећу око фиксне осе:
В_ {нет} = \ фрац {1} {2} И \ омега_ф ^ 2- \ фрац {1} {2} И \ омега_и ^ 2
Евоωје угаона брзина у радијанима у секунди (или степени у секунди) иЈаје величина аналогна маси у линеарном кретању која се назива момент инерције (или други тренутак површине). Специфичан је за облик предмета који се окреће и такође зависи од осе ротације. Прорачуни се врше на исти општи начин као и за линеарно кретање.
Који су Њутнови закони кретања?
Исаац Невтон, један од водећих математичких и научних умова Научне револуције, предложио је три закона која регулишу понашање покретних предмета.
- Њутнов први закон кретањанаводи да објекат у покрету са константомбрзинаостаће у том стању уколико на њих не делује неуравнотежена спољнасила. Важна последица овогазакон инерцијеје да нето сила није потребна да би се одржала и највећа брзина под условом да се брзина не мења.
- Њутнов други закон кретањанаводи да нето силе делују на промену брзине, илиубрзати, масе:Фнето= ма. Сила и убрзање сувекторске величинеи имају и величину и смер (к-, и- и з-компоненте или угаоне координате); маса је аскаларна количинаи поседује само величину. Рад је, као и сви облици енергије, скаларна величина.
- Њутнов трећи закон кретањанаводи да за сваку силу у природи постоји сила једнака по величини, али супротна по правцу. Односно за свакуФпостоји сила-Фунутар истог система, било да је систем онај који сте дефинисали својим границама или је то једноставно космос у целини.
Други Њутнов закон односи се директно на закон очувања енергије, који тврди да је укупна енергија у систему (потенцијал плус кинетички) остаје константан, при чему се енергија преноси из једног облика у други, али се никада не „уништава“ или производи из њега ништа.