İş (Fizik): Tanım, Formül, Nasıl Hesaplanır (Şema ve Örnekler ile)

Fizik, ne yazık ki gelecekteki potansiyel bilim meraklılarını önceden korkutan bir kelime olmasının yanı sıra, özünde fizik biliminin incelenmesidir.nesneler nasıl hareket eder. Bu, tüm gökada kümelerinden, neredeyse hayal edilemeyecek kadar küçük, çok daha az düzgün bir şekilde görselleştirilebilecek parçacıklara kadar her şeyi içerir.

Ve uygulamalı fiziğin büyük bir kısmı (yani, fiziksel bilimin "yalnızca" teori oluşturmaktan ziyade bilgiyi kullanıma sokmakla ilgilenen dalı),işdaha azenerji​.

Çalışmak, çalışanlar ve öğrenciler için neredeyse günlük bir zorunluluk olmasının yanı sıra genel bir İyi harcanan çabanın göstergesi, fizikte birimleri olan bir dizi hayati biçimsel nicelikten biridir. enerji. Kısacası, bir cismi hareket ettirmek için enerji kullanıldığında, o cisim üzerinde iş yapılır.

Otel misafirlerini katlarına kadar taşıyan asansörler, bir kızağı bir tepeye çeken bir çocuk veya bir pistonu çalıştıran içten yanmalı bir motorda gazın genişlemesi günlük yapılan işlere örnektir. Bu kavramı doğru bir şekilde anlamak için, enerji, hareket ve madde ile ilgili bazı temelleri gözden geçirmek, ilk etapta fizik biliminde "iş"i uygulanabilir bir kavram haline getirmekte yardımcı olacaktır.

Kuvvet, üzerinde etki ettiği nesnenin yer değiştirmesini ürettiğinden, belirli bir mesafe boyunca uygulanan bir kuvvetin fiziksel sonucunu çalışın. Kuvvet hareketle aynı yönde olduğunda iş pozitif, hareket yönünde olduğunda negatif değer alır. ters yön ("olumsuz çalışma"nın gerçekleşebileceği bile muhtemelen garip görünüyor, ama nasıl olduğunu göreceksiniz) anlık). Enerjiye sahip herhangi bir sistem iş yapabilir.

Bir nesne hareket etmediğinde, üzerinde hiçbir iş yapılmaz. Bu, büyük bir kayayı kendiniz hareket ettirmeye çalışmak gibi bir görev için ne kadar çaba harcanırsa harcansın doğrudur. Bu durumda, kas kasılmalarınızdan gelen enerji, bu kaslardan yayılan ısı olarak kaybolur. Yani, bu senaryoda hiçbir iş yapmasanız da, en azından bir işe girersiniz.dışarıçeşit çeşit.

Yalnızca cismin yer değiştirmesi doğrultusunda yönlendirilen bir kuvvetin bileşeni, üzerinde yapılan işe katkıda bulunur. Bir kişi tipik bir koordinat sisteminde pozitif x eksenine karşılık gelen bir yönde yürüyorsa ve solundan vektörü olan bir kuvvete maruz kalıyorsa,neredeysehareketine dik, ancak çok az x-yönüne işaret ediyor, sadece kuvvet faktörlerinin nispeten küçük x-bileşeni problemin içine giriyor.

Bir kat merdiven inerken daha da hızlı hareket etmemek için (serbest düşme) çalışmaktasınız, ancak hareketiniz hala çabalarınızın tersi yönde olduğu için, bu olumsuz bir çalışma örneğidir. işaret. Yerçekimi ve sizin üzerinizde yapılan birleşik net iş pozitiftir, ancak doğrudan karşıt "çalışmanız" olmadan olacağından daha küçük bir pozitif sayı.

Bir sistemin toplam enerjisi, onun iç veya termal enerjisi ile mekanik enerjisidir. Mekanik enerji, hareket enerjisine bölünebilir (kinetik enerji) ve "depolanmış" enerji (potansiyel enerji). Herhangi bir sistemdeki toplam mekanik enerji, her biri çeşitli biçimler alabilen potansiyel ve kinetik enerjilerinin toplamıdır.

Kinetik enerji, uzayda hem doğrusal hem de rotasyonel hareket enerjisidir. eğer bir kütlemmesafeli tutuluyorhYerin üstünde, potansiyel enerjisimgh. Yerçekimi nedeniyle ivme nerede,g, 9.80 m/s değerine sahiptir² Dünya yüzeyine yakın.

Cisim h yüksekliğinde durgun halden bırakılırsa ve aşağıya doğru (h = 0) Dünya'ya düşmesine izin verilirse, çarpma anında kinetik enerjisi (1/2)m'dir.v²= mgh, çünkü tüm enerji düşüş sırasında potansiyelden kinetiğine çevrilmiştir (sürtünme veya ısı enerjisi kaybı olmadığı varsayılarak). Her zaman parçacığın potansiyel enerjisi ile kinetik enerjisinin toplamı sabit kalır.

• Çünkü kuvvetin birimleri vardır.Newton(kg⋅m/sn²) SI (metrik) sisteminde ve mesafe metre cinsindendir, iş ve enerji genel olarak kg⋅m birimlerine sahiptir.²/s². Bu SI iş birimi olarak bilinir.Joule​.

İş için standart denklem:

nerededyer değiştirmedir. Kuvvet ve yer değiştirme vektörel büyüklükler olsa da, çarpımı skaler bir çarpımdır (nokta çarpımı olarak da adlandırılır). Bu merak, çarpımı skaler nicelik gücüyle sonuçlanan kuvvet ve hız gibi birlikte çarpılan diğer vektör nicelikleri için geçerlidir. Diğer fiziksel durumlarda, vektörlerin çarpımı, çapraz ürün olarak bilinen bir vektör miktarı üretir.

Bir sistemdeki bireysel kuvvetlerF₁, F₂, F₃ ​... ​F_neşit büyüklüklerle çalışınF₁​​d₁, F₂​​d​​₂, ve benzeri; Pozitif olduğu kadar negatif değerler de içerebilen bu bireysel ürünler, sistemin değerini vermek için toplanabilir.toplam işveyaağ işi. W net işinin formülü_ağ net kuvvet tarafından bir nesne üzerinde yapılırF​_​net dır-dir

neredeθhareket yönü ile uygulanan kuvvet arasındaki açıdır. değerleri için bunu görebilirsinizθaçının kosinüsü 0 olduğunda, örneğin kuvvet hareket yönüne dik olduğunda net iş yapılmaz. Ayrıca, net kuvvet hareket yönünün tersine etki ettiğinde, kosinüs fonksiyonu negatif bir değer verir ve sonuç olarak yukarıda bahsedilen "negatif işi" üretir.

Bir problemde farklı kuvvetlerin yaptığı iş miktarını toplayarak toplam işi hesaplayabilirsiniz. Her durumda, hesaplama işi, sadece onlarla birlikte gelen sayıları değil, problemdeki vektörleri de tam olarak anlamayı gerektirir. Kullanmak için temel trigonometri koymanız gerekecek.

• ​Not:Gerçek hayatta, bir cisme yerçekimi dışında bir kuvvet etki ettiğinde, bunun sabit olması pek olası değildir. Bu örneklerde bahsettiğiniz herhangi bir F kuvvetinin sabit bir kuvvet olduğu varsayılabilir. Kuvvetler değiştiğinde, burada belirtilen ilişkiler geçerli kalır, ancak ilgili problemleri çözmek için integral hesabı yapmanız gerekecektir.

​Misal:20 kg'lık bir çocuk kızak kombinasyonunu yatay bir kar alanında çeken bir köpek, 5 saniye boyunca hareketsiz konumdan 5 m/s hıza çıkar (bir= 1 m/s²). Köpek, çocuk kızak kombinasyonunda ne kadar iş yapar? Sürtünmenin ihmal edilebilir olduğunu varsayın.
İlk olarak, köpeğin çocuğa ve kızağa uyguladığı toplam kuvveti hesaplarsınız:F= mbir= (20 kg)(1 m/sn²) = 20 N. Yer değiştirme ortalama hızdır (v – v₀)/2 (= 5/2), 12,5 m olan t (= 5 s) süresi ile çarpılır. Böylece toplam iş (20 N)(12.5 m) =250 J​.

• Bunun yerine iş-enerji teoremini kullanarak bu sorunu nasıl çözersiniz?

0 derecede kuvvet uygulanmadığında (yani, nesneye bir açı yapıyorsa), o nesne üzerinde yapılan işi bulmak için basit trigonometri kullanın. Başlangıç ​​seviyesindeki problemler için sadece kosinüs ve sinüsün nasıl kullanılacağını bilmeniz yeterlidir.

Örneğin, yukarıdaki durumdaki köpeği, çocuk ve köpek arasındaki ipin yatay kar alanı ile 45 derecelik bir açı yapacak şekilde bir uçurumun kenarında durduğunu hayal edin. Köpek bu yeni açıda öncekiyle aynı kuvveti uygularsa, yatay bileşeninin olduğunu bulursunuz. bu kuvvet (cos 45°)(20 N) = 14,1 N olarak verilmiştir ve sonuçta kızak üzerinde yapılan iş (14,1 N)(12,5)'dir. m) =176,8 J. Çocuğun yeni ivmesi, kuvvetin değeri ve Newton yasası ile verilir,F= mbir: (14,1 N)/20 kg) = 0,71 m/s².

Oiş-enerji teoremiBu, resmi olarak işe enerji olarak ifade edilme "ayrıcalığını" verir. İş-enerji teoremine göre, bir cisme yapılan net iş, kinetik enerjideki değişime eşittir:

m nesnenin kütlesi vev₀vevbaşlangıç ​​ve son hızlarıdır.

Bu ilişki, kuvvetin büyüklüğünün iş, kuvvet ve hızı içeren problemlerde çok kullanışlıdır. veya başka bir değişken bilinmiyor, ancak bir hedefe doğru ilerlemek için ihtiyacınız olan şeyin geri kalanını hesaplayabilirsiniz veya hesaplayabilirsiniz. çözüm. Ayrıca sabit hızda net iş yapılmadığının da altını çiziyor.

İş-enerji teoremi veya iş-enerji ilkesi, sabit bir eksen etrafında dönen nesneler için tanınabilir, ancak biraz farklı bir biçim alır:

Burayaωradyan/saniye (veya derece/saniye) cinsinden açısal hızdır vebenatalet momenti (veya alanın ikinci momenti) olarak adlandırılan doğrusal hareketteki kütleye benzer bir niceliktir. Dönen nesnenin şekline özgüdür ve aynı zamanda dönme eksenine de bağlıdır. Hesaplamalar, doğrusal hareketle aynı genel yolla yapılır.

Bilimsel Devrim'in önde gelen matematiksel ve bilimsel zihinlerinden biri olan Isaac Newton, hareketli nesnelerin davranışını yöneten üç yasa önerdi.

• ​Newton'un birinci hareket yasasısabitle hareket eden bir cisminhızdengesiz bir dış etken tarafından harekete geçirilmedikçe bu durumda kalacaktır.güç. Bunun önemli bir sonucueylemsizlik yasasıhızın değişmemesi koşuluyla en yüksek hızı korumak için net kuvvetin gerekli olmamasıdır.

• ​Newton'un ikinci hareket yasasınet kuvvetlerin hızını değiştirmek için hareket ettiğini belirtir veyahızlandırmak, kitleler:F_ağ= mbir. Kuvvet ve ivmeVektör niceliklerive hem büyüklüğü hem de yönü (x-, y- ve z-bileşenleri veya açısal koordinatları) vardır; kütle birskaler miktarve sadece büyüklüğe sahiptir. İş, tüm enerji biçimleri gibi, skaler bir niceliktir.

• ​Newton'un üçüncü hareket yasasıDoğadaki her kuvvet için eşit büyüklükte fakat zıt yönlü bir kuvvet olduğunu belirtir. Yani, her biri içinFbir güç var-Faynı sistem içinde, sistem ister kendi sınırlarınız ile tanımladığınız bir sistem olsun, ister sadece bir bütün olarak kozmos olsun.

Newton'un ikinci yasası, bir sistemdeki toplam enerjinin (potansiyel) olduğunu iddia eden enerjinin korunumu yasasıyla doğrudan ilgilidir. artı kinetik) sabit kalır, enerji bir biçimden diğerine aktarılır, ancak asla "yok edilmez" veya hiçbir şey değil.