I fysik er udtrykket "arbejde" forbundet med virkningen af en kraft og bevægelsen af en krop som følge af denne handling. For eksempel løfter en læsser en last til en vis højde. Læsseren virker på belastningen ved hjælp af muskelanstrengelser, og belastningen bevæger sig. Bolden falder til jorden under påvirkning af tyngdekraften. Tyngdekraften virker på bolden, og bolden bevæger sig. I alle disse tilfælde udføres mekanisk arbejde.
Mekanisk arbejde er fysisk mængde, direkte proportional med den kraft, der påføres kroppen og den vej, som kroppen tilbagelægger. En mere stram definition af arbejde ville være:
En krafts arbejde er en fysisk størrelse svarende til produktet af kraftmodulet og mængden af kroppens forskydning i kraftens retning.
Husk at kraft måles i newton, og afstand måles i meter. Derfor er arbejdsenheden newton gange meter. Men arbejde er en så vigtig størrelse i fysik, at den har sin egen måleenhed. Den er opkaldt efter den engelske fysiker James Joule og hedder joule (J).
Så hvis en krop under påvirkning af en kraft på 1 newton bevæger sig 1 meter, udføres 1 joule arbejde af denne kraft.
Betingelser, der er nødvendige for at udføre arbejdet
For at udføre arbejde er det nødvendigt ikke kun at en kraft virker på kroppen, men også at kroppen bevæger sig (fig. 1).
Ris. 1. Der arbejdes kun, når kroppen, som kraften virker på, bevæger sig
Den kraft, der virker på kroppen, virker muligvis ikke. Hvis du for eksempel forsøger at flytte et tungt skab, så virker den kraft, du virker på skabet med, ikke noget, da skabets bevægelse er nul (fig. 2).
Ris. 2. Kraften virker, men kroppen bevæger sig ikke. I dette tilfælde er arbejdet nul
Hvis en astronaut f.eks. det ydre rum skubber et objekt væk fra sig selv og objektet bevæger sig væk fra ham, så selvom objektet bevæger sig, udfører astronauten ikke noget arbejde efter skubningen, da kraften, hvormed han virker på objektet, er nul. Objektet bevæger sig ved inerti (fig. 3).
Ris. 3. Kroppen bevæger sig efter skub, men der arbejdes ikke, da astronauten ikke virker på kroppen med kraft
Således, For at der kan arbejdes, skal der virke en kraft på kroppen, og kroppen skal bevæge sig.
Hvilket arbejde udføres under løft granitplade volumen 2 m 3 til en højde på 12 m?
Først og fremmest, lad os nedskrive betingelserne for problemet. Da arbejdet vil blive udført mod tyngdekraften, som er bestemt af kroppens masse, og pladens volumen er givet i tilstanden, så skal vi for at løse det kende tætheden af granit (fig. 4) ).
Ris. 4. Kort tilstand opgaver
For at finde værket er det nødvendigt at gange den kraft, der påføres kroppen for at løfte den, med den afstand, som kroppen tilbagelægger. Den vej, som kroppen tilbagelægger, er den højde, den blev hævet til.
Når et legeme løftes ensartet, er kraften, der påføres det, lig med tyngdekraften.
For at finde massen af en krop, gange dens volumen med tætheden af granit.
Efter to substitutioner får vi en arbejdsformel til beregning af arbejde.
Lad os analysere dimensionaliteten af resultatet.
Nu kan du erstatte numeriske data i den endelige formel.
Det er praktisk at udtrykke det endelige svar i kilojoule.
Svar: arbejdet med at løfte pladen er 624 kJ.
Ris. 5. Fuldstændig løsning opgaver
Lad os være opmærksomme på, at der i definitionen af arbejde som en fysisk størrelse er ordene " produkt af kraftmodulet og størrelsen af kroppens forskydning i kraftens retning." Men en kraft kan virke på et legeme rettet i modsat retning af kroppens bevægelsesretning. For eksempel friktionskraft. I dette tilfælde vil det arbejde, som kraften udfører, være negativt. Derudover kan kraften være vinkelret på kroppens bevægelsesretning. For eksempel hvis bolden ruller med vandret overflade, så er tyngdekraften vinkelret på boldens bevægelsesretning. I dette tilfælde bevæger bolden sig ikke i kraftens retning, og arbejdet er nul (fig. 6).
Ris. 6. Arbejdet kan være positivt, negativt og nul
Så mekanisk arbejde er en fysisk størrelse, der karakteriserer kraftens virkning. Det måles i joule. Det skal huskes, at for at mekanisk arbejde kan udføres under påvirkning af en kraft, skal kroppen tilbagelægge en vis afstand.
Referencer
1. Peryshkin A.V. Fysik. 7. klasse - 14. udgave, stereotype. - M.: Bustard, 2010.
2. Peryshkin A.V. Opgavesamling i fysik, 7.-9. klassetrin: 5. udg., stereotype. - M: Forlaget "Eksamen", 2010.
3. Lukashik V.I., Ivanova E.V. Samling af fysikopgaver for klasse 7-9 uddannelsesinstitutioner. - 17. udg. - M.: Uddannelse, 2004.
1. Hjemmeside "Enslet samling af digitale uddannelsesressourcer" ()
2. Hjemmeside "Enslet samling af digitale uddannelsesressourcer" ()
Lektier
1. Lukashik V.I., Ivanova E.V. Samling af fysikopgaver for klasse 7-9. nr. 666-669, 678, 686.
I tidligere lektioner lærte vi om fysiske størrelser kaldet "kropsmomentum" og "energi". Som vi ved, er en ændring i et legemes momentum forbundet med en anden fysisk størrelse kaldet kraftimpuls. I denne lektion, hvis emne er "Mekanisk arbejde. Kraft”, vil vi på samme måde vise, at en ændring i en krops energi også er forbundet med en anden fysisk størrelse - kraftværket.
På 7. klasses fysikkursus lærte vi, at hvis en krop er under indflydelse af en eller anden kraft bevæger sig (se fig. 1) i kraftens retning, så virker kraften EN, lig med produktet af kraftmodulet og forskydningsmodulet.
Ris. 1. At bevæge en krop under påvirkning af magt F
SI-arbejdsenheden er joule - det arbejde, der udføres af en kraft på 1 N, når punktet for dens påføring bevæger sig med 1 m:
Denne definition af arbejde er kun begrænset til det tilfælde, hvor kroppen påvirkes af en enkelt kraft, som og forskydningen er kodirektionelle vektorer. Derfor er det nødvendigt at generalisere denne formel arbejde for en situation, hvor bevægelse sker i en retning, der ikke er sammenfaldende med kraftens virkeretning, og når flere kræfter virker på kroppen.
Ris. 2. Adskillige kræfter virker på kroppen
Hvis flere kræfter virker på kroppen (se fig. 2), så er det i dette tilfælde nødvendigt at erstatte værdien af resultanten af alle kræfter i formlen for arbejde. Arbejdet vil følgelig være lig summen af alt de enkelte kræfters arbejde.
Resultanten kan være nul, selvom de enkelte kræfter ikke er nul. I dette tilfælde skal arbejdet også være lig med nul, derfor skal de enkelte styrkers arbejde i overensstemmelse med formlen være med forskellige tegn(kan være negativ eller positiv). Det er således nødvendigt at bringe formlen til beregning af arbejde til en sådan form, at det er muligt at opnå både positive og negative værdier af denne mængde. Fra et geometrikursus ved vi, at en operation, der gør det muligt at opnå et tal (positivt eller negativt), når man multiplicerer vektorer, kaldes skalarproduktet af vektorer.
Mekanisk arbejde er en mængde lig med skalarproduktet af de resulterende kræfter, der virker på kroppen og kroppens forskydning.
Hvis vinklen mellem de resulterende kraft- og forskydningsvektorer er spids, så er arbejdet positivt (se fig. 3).
Ris. 3. Akut vinkel mellem vektorerne for resulterende kraft og forskydning
Hvis vinklen mellem vektorerne for den resulterende kraft og forskydning er stump, så er arbejdet negativt (se fig. 4).
Ris. 4. Stump vinkel mellem vektorerne for resulterende kraft og forskydning
For eksempel: når en person trækker en slæde efter sig ved hjælp af et reb, danner rebet en spids vinkel med slædens bevægelsesretning (se fig. 5). Følgelig har det kraftarbejde, som en person trækker en slæde med, et positivt tegn.
Ris. 5. Det kraftværk, hvormed en person trækker en slæde
Retningen af den resulterende kraft kan være vinkelret på kroppens bevægelsesretning. I dette tilfælde er vinklen mellem kraft- og forskydningsvektorerne lig med . Da cosinus af denne vinkel er nul, er arbejdet udført af denne resulterende kraft på kroppen nul.
For at vende tilbage til slædeeksemplet kan vi sige, at tyngdekraften, der virker på slæden, er vinkelret på bevægelsesretningen og ikke virker (se fig. 6).
Ris. 6. Tyngdekraften virker ikke
Også under ensartet bevægelse i en cirkel virker den kraft, der tvinger kroppen til at bevæge sig på denne måde, ikke, da denne kraft på et hvilket som helst punkt på cirklen er vinkelret på retningen af kroppens hastighed. For eksempel virker den universelle tyngdekraft, under påvirkning af hvilken kunstige jordsatellitter bevæger sig i en cirkulær bane, ikke noget arbejde.
Oftest er den anvendte betydning af mekanisk arbejde nyttig, når man overvejer driften af forskellige mekanismer.
Lad os antage, at vi skal løfte noget last op på taget af en bygning. I det første tilfælde bruger vi et håndspil til dette, i det andet tilfælde en kran.
Tiden brugt på at færdiggøre arbejdet er mindre i det andet tilfælde end i det første. Derfor kan den samme mængde arbejde udføres forskellige tider. Det vil sige, at det er vigtigt at vide, hvor hurtigt arbejdet udføres. Derfor er hver maskine, der udfører arbejde, kendetegnet ved en særlig mængde kaldet magt.
Magt(P) af en maskine eller mekanisme er lig med forholdet mellem det udførte arbejde og den tid, hvor det blev udført.
SI-enheden for effekt er watt (W):
Denne værdi kan være nyttig ved beregning af arbejde, da for de fleste enheder, der udfører mekanisk arbejde, strømmen er kendt på forhånd. Det vil sige, at for at beregne arbejde skal du kende kraften og det tidsrum, hvor arbejdet blev udført.
Strøm bruges også til at beregne hastigheden af forskellige køretøjer. Fly, skibe, biler osv. bevæger sig ofte på en sådan måde, at deres hastighed med god nøjagtighed kan betragtes som en konstant værdi. Hvis bevægelsen sker med konstant hastighed, er de kræfter, der virker på køretøjet på grund af motorens drift, lige store og modsatte i retning af bevægelsesmodstandens kræfter. Hastighedsværdi køretøj bestemt af motorkraft.
Lad os overveje det tilfælde, hvor kraften er codirectional med forskydningen (se fig. 7).
Bevægelsens energikarakteristika introduceres ud fra begrebet mekanisk arbejde eller magtarbejde.
Arbejde EN, udført af en konstant kraft F →, kaldes en fysisk størrelse svarende til produktet af kraft- og forskydningsmodulerne ganget med vinklens cosinus α mellem vektorerne for kraft F → og forskydning s →(Fig. 1.18.1): A = Fs cos α.
Arbejdet er skalær mængde. Det kan enten være positivt ( 0° ≤ α < 90° ), og negativ ( 90°< α ≤ 180° ). På a = 90° arbejdet udført af kraften er nul. I SI-systemet måles arbejde i joule (J).
Joule er lig med det arbejde, der udføres af en kraft ind 1 N på farten 1 m i kraftens retning.
Kraftarbejde F →: A = F s cos α = F s s
Hvis projektionen F → s af kraften F → på bevægelsesretningen s → ikke forbliver konstant, skal arbejdet beregnes for små bevægelser Δs i og opsummer resultaterne: A = ∑ Δ A i = ∑ F si Δ s i .
Dette er beløbet i grænsen ( Δs i → 0) går ind i integralet.
Grafisk bestemmes arbejdet af arealet af den krumlinede figur under grafen Fs(x)(Fig. 1.18.2).
Grafisk definition af arbejde. ΔA i = F si Δs i
Et eksempel på en kraft, hvis modul afhænger af koordinaten, er den elastiske kraft af en fjeder, som adlyder Hookes lov. For at strække en fjeder skal der påføres en ydre kraft F →, hvis modul er proportional med fjederens forlængelse (fig. 1.18.3).
Udstrakt fjeder. Retningen af den ydre kraft F → falder sammen med bevægelsesretningen s →. F s = k x , k – fjederstivhed. F → kontrol = - F → Afhængighed af modulet af ekstern kraft på koordinaten
x er afbildet på grafen som en ret linje (fig. 1.18.4).
Den samme formel udtrykker det arbejde, der udføres af en ekstern kraft, når en fjeder komprimeres. I begge tilfælde er arbejdet af den elastiske kraft F → kontrol lig med arbejdet af den ydre kraft F → og modsat i fortegn.
Hvis flere kræfter påføres en krop, så almindeligt arbejde af alle kræfter er lig med den algebraiske sum af arbejdet udført af de enkelte kræfter. Under den translationelle bevægelse af et legeme, når alle kræfternes anvendelsespunkter foretager den samme bevægelse, er det samlede arbejde af alle kræfter lig med arbejdet resultat af påførte kræfter.
Mekanisk arbejde
Det arbejde, der udføres af en kraft pr. tidsenhed, kaldes effekt. Magt N er en fysisk størrelse svarende til arbejdsforholdet EN til en periode t, hvorunder dette arbejde blev afsluttet: N = A t.
I Internationalt system(SI) magtenhed kaldes watt (W). Watt lig med magt kraft, der udfører arbejde i 1 J i tide 1 s.
« 1 W = 1 J1 s.
Fysik - 10. klasse"
Loven om bevarelse af energi er en grundlæggende naturlov, der giver os mulighed for at beskrive de fleste forekommende fænomener.
Beskrivelse af bevægelser af kroppe er også mulig ved hjælp af sådanne begreber om dynamik som arbejde og energi.
Husk hvad arbejde og kraft er i fysik.
Er disse begreber sammenfaldende med hverdagens ideer om dem? Alle vores daglige aktiviteter
bunder i, at vi ved hjælp af muskler enten sætter omkringliggende kroppe i bevægelse og fastholder denne bevægelse, eller holder op med at bevæge kroppe. Disse kroppe er værktøjer (hammer, kuglepen, sav), i spil - bolde, pucke, skakbrikker. I produktion og landbrug
folk sætter også værktøjer i gang.
Brugen af maskiner øger arbejdsproduktiviteten mange gange på grund af brugen af motorer i dem.
Formålet med enhver motor er at sætte kroppe i bevægelse og opretholde denne bevægelse, på trods af bremsning ved både almindelig friktion og "arbejdsmodstand" (kutteren skal ikke bare glide hen over metallet, men ved at skære i det, fjerne spåner; ploven skal løsne jord osv.). I dette tilfælde skal en kraft virke på det bevægelige legeme fra siden af motoren.
Arbejde udføres i naturen, når en kraft (eller flere kræfter) fra et andet legeme (andre kroppe) virker på et legeme i dens bevægelsesretning eller imod det.
Definition af arbejde.
Newtons anden lov i impulsform Δ = Δt giver dig mulighed for at bestemme, hvordan et legemes hastighed ændrer sig i størrelse og retning, hvis en kraft virker på det i løbet af en tid Δt.
Påvirkningen af kræfter på legemer, der fører til en ændring i deres hastighedsmodul, er kendetegnet ved en værdi, der afhænger af både kroppens kræfter og bevægelser. I mekanik kaldes denne størrelse magtarbejde.
En ændring i hastighed i absolut værdi er kun mulig i det tilfælde, hvor projektionen af kraften F r på kroppens bevægelsesretning er forskellig fra nul. Det er denne projektion, der bestemmer virkningen af kraften, der ændrer hastigheden af kroppens modulo. Hun gør arbejdet. Derfor kan arbejde betragtes som produktet af projektionen af kraften F r ved forskydningsmodulet |Δ| (Fig. 5.1):
A = Fr |Δ|. (5.1)
Hvis vinklen mellem kraft og forskydning er angivet med α, så Fr = Fcosα.
Derfor er arbejdet lig med:
A = |Δ|cosα. (5.2)
Vores hverdagstanke om arbejde adskiller sig fra definitionen af arbejde i fysik. Du holder en tung kuffert, og det ser ud til, at du arbejder. Men fra et fysisk synspunkt er dit arbejde nul.
Job konstant kraft er lig med produktet af kraftmodulerne og forskydningen af kraftpåvirkningspunktet og cosinus af vinklen mellem dem.
I almindelig sag ved flytning solid flytte den forskellige punkter er forskellige, men når vi skal bestemme det styrkearbejde, vi er under Δ vi forstår bevægelsen af dets anvendelsespunkt. Under den translationelle bevægelse af et stivt legeme falder bevægelsen af alle dets punkter sammen med bevægelsen af kraftpåføringspunktet.
Arbejde er, i modsætning til kraft og forskydning, ikke en vektorstørrelse, men en skalær størrelse. Det kan være positivt, negativt eller nul.
Værkets fortegn bestemmes af fortegnet for cosinus for vinklen mellem kraft og forskydning. Hvis α< 90°, то А >0, da cosinus for spidse vinkler er positiv. For α > 90° er arbejdet negativt, da cosinus af stumpe vinkler er negativ. Ved α = 90° (kraft vinkelret på forskydning) udføres intet arbejde.
Hvis flere kræfter virker på et legeme, så er projektionen af den resulterende kraft på forskydningen lig med summen af projektionerne af de enkelte kræfter:
F r = F 1r + F 2r + ... .
Derfor, for arbejdet med den resulterende kraft, vi opnår
A = F1r |Δ| + F2r |Δ| + ... = A 1 + A 2 + .... (5.3)
Hvis flere kræfter virker på en krop, så fuldtidsjob(algebraisk sum af alle kræfters arbejde) er lig med den resulterende krafts arbejde.
Arbejdet udført af en kraft kan repræsenteres grafisk. Lad os forklare dette ved at afbilde i figuren afhængigheden af kraftprojektionen af kroppens koordinater, når den bevæger sig i en lige linje.
Lad derefter kroppen bevæge sig langs OX-aksen (fig. 5.2).
Fcosα = Fx, |Δ| = Δ x.
For det kraftværk vi får
A = F|Δ|cosα = F x Δx.
Naturligvis er arealet af rektanglet skraveret i figur (5.3, a) numerisk lig med det arbejde, der udføres, når en krop flyttes fra et punkt med koordinat x1 til et punkt med koordinat x2.
Formlen (5.1) er gyldig i det tilfælde, hvor projektionen af kraften på forskydningen er konstant. I tilfælde af en krum bane, konstant eller variabel kraft, opdeler vi banen i små segmenter, som kan betragtes som retlinede, og projektionen af kraften ved en lille forskydning Δ - konstant.
Beregn derefter arbejdet på hver bevægelse Δ
og derefter opsummere disse værker, bestemmer vi kraftens arbejde på den endelige forskydning (fig. 5.3, b). Arbejdsenhed.
Arbejdsenheden kan fastlægges ved hjælp af grundformlen (5.2). Hvis det, når man bevæger et legeme pr. længdeenhed, påvirkes af en kraft, hvis modul lig med én, og kraftens retning falder sammen med bevægelsesretningen for dets påføringspunkt (α = 0), så vil arbejdet være lig med enhed. I det internationale system (SI) er arbejdsenheden joule (angivet med J):
1 J = 1 N, m = 1 Nm.
Joule- dette er arbejdet udført af en kraft på 1 N på forskydning 1, hvis kraftretningerne og forskydningen falder sammen.
Flere arbejdsenheder bruges ofte: kilojoule og megajoule:
1 kJ = 1000 J,
1 MJ = 1000000 J.
Arbejdet kan udføres enten i en længere periode eller på meget kort tid. I praksis er det dog langt fra ligegyldigt, om der kan arbejdes hurtigt eller langsomt. Den tid, hvori arbejdet udføres, bestemmer enhver motors ydeevne. Meget flot arbejde En lillebitte elektrisk motor kan gøre dette, men det vil tage meget tid. Derfor indføres der sammen med arbejdet en mængde, der kendetegner den hastighed, hvormed den produceres - kraft.
Effekt er forholdet mellem arbejde A og tidsintervallet Δt, hvor dette arbejde udføres, dvs. effekt er arbejdshastigheden:
Ved at indsætte formel (5.4) i stedet for arbejde A med dets udtryk (5.2), får vi
Således, hvis kraften og hastigheden af et legeme er konstant, så er effekten lig med produktet af kraftvektorens størrelse med størrelsen af hastighedsvektoren og cosinus af vinklen mellem retningerne af disse vektorer. Hvis disse størrelser er variable, kan vi bestemme ved hjælp af formel (5.4). gennemsnitlig effekt svarende til definition gennemsnitshastighed kropsbevægelser.
Begrebet kraft introduceres for at evaluere arbejdet pr. tidsenhed udført af enhver mekanisme (pumpe, kran, maskinmotor osv.). I formlerne (5.4) og (5.5) menes derfor altid trækkraft.
I SI udtrykkes magt i watt (W).
Effekt er lig med 1 W, hvis arbejde lig med 1 J udføres på 1 s.
Sammen med watt bruges større (flere) effektenheder:
1 kW (kilowatt) = 1000 W,
1 MW (megawatt) = 1.000.000 W.