Fysik, förutom att vara ett ord som tyvärr skrämmer bort potentiella framtida vetenskapsmän i förväg, är i grunden studiet avhur objekt rör sig. Detta inkluderar allt från hela kluster av galaxer till partiklar som är nästan för små för att föreställa sig, mycket mindre korrekt visualisera.
Och en stor del av tillämpad fysik (det vill säga den gren av fysik som handlar om att använda kunskap istället för "bara" teoretisering) är att ta reda på hur man får merarbeteav mindreenergi.
Arbete, förutom att det är en dagligen skyldighet för anställda och studenter samt en allmän betydelse för väl ansträngd ansträngning, är en av ett antal viktiga formella mängder i fysik som har enheter av energi. Kort sagt, när energi används för att få ett objekt att röra sig, jobbar man på det objektet.
Dagliga exempel på arbete som utförs är hissar som transporterar hotellgäster upp till sina våningar, ett barn som drar en släde uppför en kulle eller expansion av gas i en förbränningsmotor som driver en kolv. För att korrekt förstå detta koncept är det bra att granska några av grunderna om energi, rörelse och materia som i första hand gör "arbete" till ett livskraftigt begrepp inom fysik.
Definitionen av arbete
Arbeta det fysiska resultatet av en kraft som appliceras över ett visst avstånd, eftersom kraften ger en förskjutning av föremålet som den verkar på. Arbete har ett positivt värde när kraften är i samma riktning som rörelsen och ett negativt värde när den är i motsatt riktning (att "negativt arbete" kan till och med hända verkar förmodligen konstigt, men du får se hur tillfälligt). Alla system som har energi kan utföra arbete.
När ett objekt inte rör sig görs inget arbete med det. Detta gäller oavsett hur mycket ansträngning som läggs på en uppgift, som att försöka flytta en stor stenblock själv. I det här fallet går energin från dina muskelkontraktioner förlorad när värmen släpps ut från dessa muskler. Så även om du inte gör något arbete i det här scenariot får du åtminstone ett arbeteutav olika slag.
Endast komponenten i en kraft riktad i linje med föremålets förskjutning bidrar till det arbete som utförs på den. Om någon går i en riktning som motsvarar den positiva x-axeln på ett typiskt koordinatsystem och upplever en kraft från hennes vänster vars vektor ärnästanvinkelrätt mot hennes rörelse men pekar mycket lätt i x-riktningen, bara den relativt lilla x-komponenten av kraftfaktorerna in i problemet.
När du går nerför en trappa arbetar du för att förhindra att du rör dig ännu snabbare (fritt fallande), men eftersom din rörelse fortfarande är i riktning mot dina ansträngningar är detta ett exempel på arbete med ett negativt tecken. Det kombinerade nettoarbetet som utförs av dig genom gravitation och dig själv är positivt, men ett mindre positivt antal än det skulle vara utan att du "arbetade" i direkt opposition.
Arbetet har enheter av energi
Ett systems totala energi är dess inre eller termiska energi plus dess mekaniska energi. Mekanisk energi kan delas in i rörelseenergi (rörelseenergi) och "lagrad" energi (potentiell energi). Den totala mekaniska energin i vilket system som helst är summan av dess potentiella och kinetiska energier, var och en kan ha olika former.
Kinetisk energi är rörelseenergi genom rymden, både linjär och roterande. Om en massamhålls på distanshöver marken är dess potentiella energimgh. Där accelerationen på grund av tyngdkraften,g, har värdet 9,80 m / s2 nära jordens yta.
Om objektet frigörs från vila på höjden h och tillåts falla nedåt till jorden (h = 0) är dess kinetiska energi vid slag (1/2) mv2= mgh, eftersom all energi har omvandlats från potential till kinetisk under hösten (förutsatt att inga friktions- eller värmeenergiförluster). Hela tiden förblir summan av partikelns potentiella energi och dess kinetiska energi konstant.
- Eftersom kraft har enheter avnewton(kg⋅m / s2) i SI (metriskt) system och avståndet är i meter, arbete och energi har i allmänhet enheter på kg⋅m2/ s2. Denna SI-arbetsenhet kallasJoule.
Formeln för arbete
Standardekvationen för arbete är:
W = F \ cdot d
vardär förskjutning. Även om kraft och förskjutning båda är vektormängder, är deras produkt en skalär produkt (även kallad en punktprodukt). Denna nyfikenhet gäller för andra vektormängder som multipliceras tillsammans, såsom kraft och hastighet, vars multiplikation resulterar i den skalära kvantitetseffekten. I andra fysiska situationer producerar multiplikationen av vektorer en vektormängd, känd som en tvärprodukt.
De enskilda krafterna i ett systemF1, F2, F3 ... Fnarbeta med magnituder lika medF1d1, F2d2, och så vidare; dessa enskilda produkter, som kan innehålla både negativa och positiva värden, kan summeras för att ge systemetstotalt arbete, ellernätarbete. Formeln för nätverket Wnetto gjort på ett objekt med en nettokraftFnet är
W_ {net} = F_ {net} \ cdot d = F_ {net} d \ cos {\ theta}
varθär vinkeln mellan rörelseriktningen och den applicerade kraften. Du kan se det för värden påθför vilken vinkelns cosinus är 0, till exempel när kraften är vinkelrät mot rörelseriktningen, görs inget nätarbete. Dessutom, när nätkraften verkar motsatt rörelseriktningen, ger cosinusfunktionen ett negativt värde, vilket resulterar i det ovan nämnda "negativa arbetet".
Hur man beräknar arbete
Du kan beräkna totalt arbete genom att lägga samman mängden arbete som utförs av olika krafter i ett problem. I alla fall kräver beräkning av arbete en fullständig förståelse av vektorerna i problemet, inte bara de siffror som följer med dem. Du måste använda grundläggande trigonometri.
- Notera:I verkliga livet, när en kraft verkar på ett objekt förutom gravitationen, är det osannolikt att det är konstant. Vilken kraft F du ser som nämns i dessa exempel kan antas vara en konstant kraft. När krafterna varierar förblir de förhållanden som anges här giltiga, men du måste utföra integrerad beräkning för att lösa de därtill hörande problemen.
Exempel:En hund som drar en 20-kg-slädkombination över ett horisontellt snöfält accelererar från vila till en hastighet på 5 m / s under 5 sekunder (a= 1 m / s2). Hur mycket arbete gör hunden på kombinationen av barn-släde? Antag att friktion är försumbar.
Först beräknar du den totala kraft som hunden applicerar på barnet och släden:F= ma= (20 kg) (1 m / s2) = 20 N. Förskjutning är medelhastighet (v - v0) / 2 (= 5/2) multiplicerat med tiden t (= 5 s), vilket är 12,5 m. Således är totalt arbete (20 N) (12,5 m) =250 J.
- Hur skulle du lösa detta problem med hjälp av arbetsenergisatsen istället?
Arbeta för Force in a Angle
När kraft inte appliceras vid 0 grader (dvs. om den är i en vinkel mot objektet), använd enkel trigonometri för att hitta det arbete som utförts på det objektet. Du behöver bara veta hur man använder cosinus och sinus för introduktionsnivåproblem.
Tänk dig till exempel att hunden i ovanstående situation står på kanten av en klippa, så att repet mellan barnet och hunden gör en vinkel på 45 grader med det horisontella snöfältet. Om hunden använder samma kraft som tidigare i denna nya vinkel, finner du att den horisontella delen av denna kraft ges (cos 45 °) (20 N) = 14,1 N, och att det resulterande arbetet på släden är (14,1 N) (12,5 m) =176,8 J. Barnets nya acceleration ges av kraftens värde och Newtons lag,F= ma: (14,1 N) / 20 kg) = 0,71 m / s2.
The Work-Energy Theorem
Det ärsats för arbetsenergisom formellt ger arbetet "privilegiet" att uttryckas i termer av energi. Enligt arbetsenergisatsen är nettoarbetet på ett objekt lika med förändringen i kinetisk energi:
W_ {net} = \ frac {1} {2} mv ^ 2- \ frac {1} {2} mv_0 ^ 2
där m är objektets massa ochv0ochvär dess initiala och slutliga hastigheter.
Detta förhållande kommer till stor nytta vid problem som involverar arbete, kraft och hastighet där kraftens storlek eller någon annan variabel är okänd, men du har eller kan beräkna resten av vad du behöver för att gå vidare mot a lösning. Det understryker också det faktum att inget nätarbete utförs med konstant hastighet.
Rotationsarbete
Satsen för arbetsenergi, eller arbetsenergiprincipen, får en igenkännlig men något annorlunda form för objekt som roterar kring en fast axel:
W_ {net} = \ frac {1} {2} I \ omega_f ^ 2- \ frac {1} {2} I \ omega_i ^ 2
Härωär vinkelhastighet i radianer per sekund (eller grader per sekund) ochJagär en kvantitet som är analog med massan i linjär rörelse som kallas tröghetsmomentet (eller det andra ögonblicket av området). Det är specifikt för det roterande objektets form och beror också på rotationsaxeln. Beräkningar görs på samma allmänna sätt som för linjär rörelse.
Vad är Newtons lagar om rörelse?
Isaac Newton, en av de ledande matematiska och vetenskapliga sinnena i den vetenskapliga revolutionen, föreslog tre lagar som styr beteendet hos rörliga föremål.
- Newtons första rörelselaganger att ett objekt i rörelse med konstanthastighetkommer att förbli i det tillståndet såvida det inte handlas av en obalanserad externtvinga. En viktig konsekvens av dettatröghetslagenär att nettokraft inte krävs för att upprätthålla även den högsta hastigheten förutsatt att hastigheten inte ändras.
- Newtons andra rörelselaganger att nätkrafter verkar för att ändra hastigheten på, elleraccelerera, massor:Fnetto= ma. Kraft och acceleration ärvektormängderoch har både storlek och riktning (x-, y- och z-komponenter eller vinkelkoordinater); massa är enskalär kvantitetoch har endast storleken. Arbete, som alla former av energi, är en skalär kvantitet.
- Newtons tredje rörelselagsäger att för varje kraft i naturen finns en kraft lika stor som motsatt i riktning. Det vill säga för allaFdet finns en kraft-Finom samma system, oavsett om systemet är ett du har definierat med dina egna gränser eller helt enkelt är kosmos som helhet.
Newtons andra lag hänför sig direkt till lagen om bevarande av energi, som hävdar att den totala energin i ett system (potential plus kinetisk) förblir konstant, med energi som överförs från en form till en annan men aldrig "förstörs" eller produceras ur ingenting.
