Физикада «жұмыс» термині күштің әрекетімен және осы әрекеттің нәтижесінде пайда болатын дененің қозғалысымен байланысты. Мысалы, жүк тиегіш жүкті белгілі бір биіктікке көтереді. Жүктеуші бұлшықет күштерінің көмегімен жүкке әсер етеді, ал жүк қозғалады. Доп ауырлық күшінің әсерінен жерге түседі. Допқа ауырлық күші әсер етіп, доп қозғалады. Барлық осы жағдайларда механикалық жұмыстар орындалады.
Механикалық жұмыс физикалық шама, денеге түсірілген күшке және дененің жүріп өткен жолына тура пропорционал. Жұмыстың неғұрлым қатаң анықтамасы:
Күштің жұмысы – күш модулі мен дененің күш бағыты бойынша орын ауыстыру шамасының көбейтіндісіне тең физикалық шама.
Есіңізде болсын, күш Ньютонмен, ал қашықтық метрмен өлшенеді. Сондықтан жұмыстың өлшем бірлігі Ньютон есе метр. Дегенмен, жұмыс физикада маңызды шама болғандықтан, оның өзіндік өлшем бірлігі бар. Ол ағылшын физигі Джеймс Джоульдің атымен аталған және джоуль (Дж) деп аталады.
Сонымен, 1 Ньютон күшінің әсерінен дене 1 метр қозғалса, онда бұл күш 1 Джоуль жұмыс жасайды.
Жұмысты орындауға қажетті шарттар
Жұмысты орындау үшін денеге күш әсер етіп қана қоймай, дененің қозғалуы да қажет (1-сурет).
Күріш. 1. Күш әрекет ететін дене қозғалғанда ғана жұмыс орындалады
Денеге әсер ететін күш жұмыс істемеуі мүмкін. Мысалы, сіз ауыр шкафты жылжытқыңыз келсе, шкафтың қозғалысы нөлге тең болғандықтан, шкафта әрекет ететін күш ешқандай жұмыс жасамайды (Cурет 2).
Күріш. 2. Күш әрекет етеді, бірақ дене қозғалмайды. Бұл жағдайда жұмыс нөлге тең болады
Егер ғарышкер, мысалы, ғарыш кеңістігізатты өзінен итеріп жібереді және зат одан алыстайды, содан кейін объект қозғалғанымен, ғарышкер итерілгеннен кейін ешқандай жұмыс жасамайды, өйткені оның затқа әсер ететін күші нөлге тең. Нысан инерция бойынша қозғалады (3-сурет).
Күріш. 3. Дене итерілгеннен кейін қозғалады, бірақ ғарышкер денеге күшпен әсер етпейтіндіктен, ешқандай жұмыс жасалмайды.
Осылайша, Жұмысты орындау үшін денеге күш әсер етіп, дене қозғалуы керек.
Көтеру кезінде қандай жұмыстар орындалады гранит тақтасыкөлемі 2 м 3 12 м биіктікке дейін?
Ең алдымен есептің шарттарын жазып алайық. Жұмыс дененің массасымен анықталатын ауырлық күшіне қарсы орындалатындықтан және плитаның көлемі күйде берілгендіктен, оны шешу үшін граниттің тығыздығын білу қажет (4-сурет). ).
Күріш. 4. Қысқаша жағдайтапсырмалар
Жұмысты табу үшін оны көтеру үшін денеге түсірілген күшті дененің жүріп өткен жолына көбейту керек. Дененің жүріп өткен жолы - оның көтерілген биіктігі.
Денені біркелкі көтергенде, оған түсірілген күш ауырлық күшіне тең болады.
Дененің массасын табу үшін оның көлемін граниттің тығыздығына көбейту керек.
Екі ауыстырудан кейін біз жұмысты есептеу үшін жұмыс формуласын аламыз.
Нәтиженің өлшемділігін талдап көрейік.
Енді соңғы формулаға сандық деректерді ауыстыруға болады.
Соңғы жауапты килоджоульмен көрсету ыңғайлы.
Жауабы: плитаны көтеруге жұмсалған жұмыс 624 кДж.
Күріш. 5. Толық шешімтапсырмалар
Жұмысты физикалық шама ретінде анықтауда « күш модулі мен дененің орын ауыстыру шамасының көбейтіндісі күш бағытында». Бірақ күш дененің қозғалыс бағытына қарама-қарсы бағытталған денеге әсер етуі мүмкін. Мысалы, үйкеліс күші. Бұл жағдайда күштің жұмысы теріс болады. Сонымен қатар, күш дененің қозғалыс бағытына перпендикуляр болуы мүмкін. Мысалы, егер доп домаланып жүрсе көлденең беті, онда ауырлық күші доптың қозғалыс бағытына перпендикуляр болады. Бұл жағдайда шар күш бағытымен қозғалмайды және жұмыс нөлге тең болады (6-сурет).
Күріш. 6. Жұмыс оң, теріс және нөл болуы мүмкін
Сонымен, механикалық жұмыс күш әрекетін сипаттайтын физикалық шама. Ол джоульмен өлшенеді. Күштің әсерінен механикалық жұмыс істеу үшін дене белгілі бір қашықтықты жүруі керек екенін есте ұстаған жөн.
Анықтамалар
1. Перышкин А.В. Физика. 7 сынып - 14-ші басылым, стереотип. - М .: Бустард, 2010 ж.
2. Перышкин А.В. Физикадан есептер жинағы, 7-9 сынып: 5-бас., стереотип. - М: «Емтихан» баспасы, 2010 ж.
3. Лукашик В.И., Иванова Е.В. 7-9 сыныптарға арналған физика есептер жинағы оқу орындары. - 17-ші басылым. - М.: Білім, 2004 ж.
1. «Сандық білім беру ресурстарының бірыңғай жинағы» веб-сайты ()
2. «Сандық білім беру ресурстарының бірыңғай жинағы» веб-сайты ()
Үй жұмысы
1. Лукашик В.И., Иванова Е.В. 7-9 сыныптарға арналған физика есептер жинағы. No 666-669, 678, 686.
Өткен сабақтарда біз «дене импульсі» және «энергия» деп аталатын физикалық шамалар туралы білдік. Белгілі болғандай, дене импульсінің өзгеруі күш импульсі деп аталатын басқа физикалық шамамен байланысты. Бұл сабақта тақырыбы «Механикалық жұмыс. Күш», біз сол сияқты дене энергиясының өзгеруі басқа физикалық шамамен – күш жұмысымен де байланысты екенін көрсетеміз.
7-сыныптың физика курсында дене қандай да бір күштің әсерінен болатынын білдік күш бағытымен қозғалады (1-суретті қараңыз), содан кейін күш жұмыс істейді А, күш модулі мен орын ауыстыру модулінің көбейтіндісіне тең.
Күріш. 1. Күш әсерінен дененің қозғалуы Ф
SI жұмыс бірлігі джоуль – оның қолданылу нүктесі 1 м-ге жылжығанда 1 Н күштің атқаратын жұмысы:
Жұмыстың бұл анықтамасы денеге бір күш әсер еткен жағдайда ғана шектеледі, ол және орын ауыстыру кодирекциялық векторлар болып табылады. Сондықтан жалпылау қажет бұл формулақозғалыс күштің әсер ету бағытымен сәйкес келмейтін бағытта орын алатын және денеге бірнеше күш әсер еткен жағдай үшін жұмыс.
Күріш. 2. Денеге бірнеше күш әсер етеді
Егер денеге бірнеше күш әсер етсе (2-суретті қараңыз), онда бұл жағдайда жұмыс формуласына барлық күштердің нәтижесінің мәнін ауыстыру қажет. Демек, жұмыс жеке күштердің барлық жұмысының қосындысына тең болады.
Жеке күштер нөлге тең болмаса да, нәтиже нөлге тең болуы мүмкін. Бұл жағдайда жұмыс та нөлге тең болуы керек, сондықтан формулаға сәйкес жеке күштердің жұмысы әртүрлі белгілер(теріс немесе оң болуы мүмкін). Осылайша, жұмысты есептеу формуласын осы шаманың оң және теріс мәндерін алуға болатындай етіп келтіру керек. Геометрия курсынан біз векторларды көбейту кезінде санды (оң немесе теріс) алуға мүмкіндік беретін операция векторлардың скаляр көбейтіндісі деп аталатынын білеміз.
Механикалық жұмысденеге әсер ететін қорытынды күштер мен дененің орын ауыстыруының скаляр көбейтіндісіне тең шама.
Егер нәтижелі күш пен орын ауыстыру векторларының арасындағы бұрыш сүйір болса, онда жұмыс оң болады (3-суретті қараңыз).
Күріш. 3. Қорытынды күш пен орын ауыстыру векторларының арасындағы сүйір бұрыш
Егер нәтижелі күш пен орын ауыстыру векторларының арасындағы бұрыш доғал болса, онда жұмыс теріс болады (4-суретті қараңыз).
Күріш. 4. Қорытынды күш пен орын ауыстыру векторларының арасындағы доғал бұрыш
Мысалы: адам арқанның көмегімен шананы артына сүйрегенде, арқан шананың қозғалыс бағытымен сүйір бұрыш жасайды (5-суретті қараңыз). Демек, адам шана сүйрететін күш жұмысы оң белгіге ие.
Күріш. 5. Адамның шана сүйрейтін күш жұмысы
Нәтижелі күштің бағыты дененің қозғалыс бағытына перпендикуляр болуы мүмкін. Бұл жағдайда күш пен орын ауыстыру векторларының арасындағы бұрыш -ке тең. Бұл бұрыштың косинусы нөлге тең болғандықтан, бұл қорытынды күштің денеге жасаған жұмысы нөлге тең.
Шана мысалына оралсақ, шанаға әсер ететін ауырлық күші қозғалыс бағытына перпендикуляр және жұмыс істемейді деп айта аламыз (6-суретті қараңыз).
Күріш. 6. Ауырлық күші жұмыс істемейді
Сондай-ақ, шеңбер бойымен бірқалыпты қозғалыс кезінде денені осылай қозғалуға мәжбүр ететін күш жұмыс істемейді, өйткені бұл күш шеңбердің кез келген нүктесінде дене жылдамдығының бағытына перпендикуляр болады. Мысалы, әсерінен Жердің жасанды серіктері айналмалы орбитада қозғалатын бүкіләлемдік тартылыс күші ешқандай жұмыс жасамайды.
Көбінесе механикалық жұмыстың қолданбалы мағынасы әртүрлі механизмдердің жұмысын қарастырғанда пайдалы.
Ғимараттың төбесіне біраз жүк көтеру керек делік. Бірінші жағдайда бұл үшін қол жүкшығырын, екінші жағдайда кранды қолданамыз.
Жұмысты аяқтауға кететін уақыт екінші жағдайда біріншіге қарағанда аз. Демек, бірдей көлемде жұмыс істеуге болады әртүрлі уақыт. Яғни, жұмыстың қаншалықты жылдам орындалатынын білу маңызды. Сондықтан жұмыс істейтін әрбір машина арнайы шамамен сипатталады қуат.
Қуат(П) машинаның немесе механизмнің орындалған жұмысының оның орындалған уақытқа қатынасына тең.
SI қуат бірлігі ватт (Вт):
Бұл мән жұмысты есептеу кезінде пайдалы болуы мүмкін, өйткені механикалық жұмыстарды орындайтын құрылғылардың көпшілігі үшін қуат алдын ала белгілі. Яғни, жұмысты есептеу үшін қуатты және жұмыс орындалған уақыт кезеңін білу керек.
Қуат әртүрлі көліктердің жылдамдығын есептеу үшін де қолданылады. Ұшақтар, кемелер, автомобильдер және т.б. көбінесе олардың жылдамдығын жақсы дәлдікпен тұрақты шама деп санауға болатындай етіп қозғалады. Егер қозғалыс тұрақты жылдамдықпен жүрсе, онда қозғалтқыштың жұмысына байланысты көлікке әсер ететін күштер шамасы бойынша тең және қозғалыс кедергі күштеріне қарама-қарсы бағытта болады. Жылдамдық мәні көлікқозғалтқыш қуатымен анықталады.
Күштің орын ауыстырумен кодирективті болатын жағдайды қарастырайық (7-суретті қараңыз).
Қозғалыстың энергетикалық сипаттамалары механикалық жұмыс немесе тұжырымдамасы негізінде енгізіледі күш жұмысы.
Жұмыс А, тұрақты F → күшімен орындалатын күш пен орын ауыстыру модулдерінің көбейтіндісіне бұрыштың косинусына көбейтілген физикалық шама деп аталады. α күш F → және орын ауыстыру s → векторлары арасында(1.18.1-сурет): A = Fs cos α.
Жұмыс скаляр шама. Бұл оң болуы мүмкін ( 0° ≤ α < 90° ) және теріс ( 90°< α ≤ 180° ). Сағат α = 90°күштің жұмысы нөлге тең. SI жүйесінде жұмыс өлшенеді джоуль (Дж).
Джоуль күштің атқарған жұмысына тең 1 Нқозғалыста 1 мкүш бағытында.
Күштің жұмысы F →: A = F s cos α = F s s
Егер F → күшінің F → s қозғалыс бағытына s → проекциясы тұрақты болып қалмаса, жұмысты шағын қозғалыстар үшін есептеу керек. Δs iжәне нәтижелерді қорытындылаңыз: A = ∑ Δ A i = ∑ F si Δ s i .
Бұл лимиттегі сома ( Δs i → 0) интегралға енеді.
Графикалық түрде жұмыс графиктің астындағы қисық сызықты фигураның ауданымен анықталады Fs(x)(1.18.2-сурет).
Жұмыстың графикалық анықтамасы. ΔA i = F si Δs i
Модульі координатаға тәуелді күштің мысалы ретінде Гук заңына бағынатын серіппенің серпімді күшін келтіруге болады. Серіппені созу үшін оған модулі серіппенің ұзаруына пропорционал F → сыртқы күш түсіру керек (1.18.3-сурет).
Созылған көктем. Сыртқы күштің бағыты F → қозғалыс бағытымен s → сәйкес келеді. F s = k x,к – серіппенің қаттылығы. F → басқару = - F →Сыртқы күш модулінің координатаға тәуелділігі
x графикте түзу сызық түрінде бейнеленген (1.18.4-сурет).
Дәл сол формула серіппені сығу кезіндегі сыртқы күштің атқаратын жұмысын көрсетеді. Екі жағдайда да F → басқару серпімділік күшінің жұмысы шамасы бойынша F → сыртқы күштің жұмысына тең және таңбасына қарама-қарсы.
Егер денеге бірнеше күш әсер етсе, онда жалпы жұмысбарлық күштердің саны жеке күштер орындайтын жұмыстың алгебралық қосындысына тең. Дененің ілгерілемелі қозғалысы кезінде барлық күштердің әсер ету нүктелері бірдей қозғалыс жасағанда барлық күштердің жалпы жұмысы жұмысқа тең болады. қолданылатын күштердің нәтижесі.
Механикалық жұмыс
Күштің уақыт бірлігінде атқаратын жұмысын қуат деп атайды. Қуат Нжұмыс коэффициентіне тең физикалық шама болып табылады Ауақыт кезеңіне т, оның барысында бұл жұмыс аяқталды: N = A t.
IN Халықаралық жүйе(SI) қуат бірлігі деп аталады ватт (Вт). Ватт қуатқа теңжұмыс істеуге мәжбүрлеу 1 Джуақытында 1 с.
« 1 Вт = 1 Дж 1 с.
Физика – 10 сынып»
Энергияның сақталу заңы - көп кездесетін құбылыстарды сипаттауға мүмкіндік беретін табиғаттың негізгі заңы.
Денелердің қозғалысын сипаттау жұмыс және энергия сияқты динамика ұғымдарын пайдалана отырып мүмкін болады.
Физикада жұмыс пен күштің не екенін есте сақтаңыз.
Бұл ұғымдар олар туралы күнделікті идеялармен сәйкес келе ме? Барлығы біздікікүнделікті әрекеттер
Бұлшықеттердің көмегімен біз қоршаған денелерді қозғалысқа келтіреміз және осы қозғалысты сақтаймыз немесе денелердің қозғалуын тоқтатамыз. Бұл денелер құралдар (балға, қалам, ара), ойындарда – доптар, шайбалар, шахмат фигуралары. Өндірісте жәнеауыл шаруашылығы
адамдар құралдарды да қозғалысқа келтірді.
Машиналарды пайдалану олардағы қозғалтқыштарды пайдалану есебінен еңбек өнімділігін бірнеше есе арттырады.
Кез келген қозғалтқыштың мақсаты - кәдімгі үйкеліс пен «жұмыс» қарсылығының тежеуіне қарамастан денелерді қозғалысқа келтіру және осы қозғалысты сақтау (кескіш металдың үстінен сырғып қана қоймай, оны кесіп, жоңқаларды алып тастауы керек; соқа жерді босату және т.б.). Бұл жағдайда қозғалтқыштың бүйірінен қозғалатын денеге күш әсер етуі керек.
Басқа денеден (басқа денелерден) күш (немесе бірнеше күш) денеге оның қозғалысы бағытында немесе оған қарсы әсер еткенде жұмыс табиғатта орындалады.
Жұмыстың анықтамасы.
Импульстік түрдегі Ньютонның екінші заңы Δ = Δtденеге Δt уақыт ішінде күш әсер етсе, оның жылдамдығы шамасы мен бағыты бойынша қалай өзгеретінін анықтауға мүмкіндік береді.
Денелерге олардың жылдамдығының модулінің өзгеруіне әкелетін күштердің әсері денелердің күштеріне де, қозғалыстарына да тәуелді шамамен сипатталады. Механикада бұл шама деп аталады күш жұмысы.
Жылдамдықтың абсолютті шамада өзгеруі F r күшінің дененің қозғалыс бағытына проекциясы нөлден өзгеше болған жағдайда ғана мүмкін болады. Дәл осы проекция дене модулінің жылдамдығын өзгертетін күштің әрекетін анықтайды. Ол жұмыс істейді. Сондықтан жұмысты F r күш проекциясының орын ауыстыру модуліне көбейтіндісі ретінде қарастыруға болады |Δ| (5.1-сурет):
A = F r |Δ|. (5.1)
Егер күш пен орын ауыстыру арасындағы бұрыш α деп белгіленсе, онда Fr = Fcosα.
Демек, жұмыс мынаған тең:
A = |Δ|cosα. (5.2)
Біздің күнделікті жұмыс туралы идеямыз физикадағы жұмыс анықтамасынан ерекшеленеді. Сіздің қолыңызда ауыр чемодан бар, сіз жұмыс істеп жатқан сияқтысыз. Дегенмен, физикалық тұрғыдан алғанда, сіздің жұмысыңыз нөлге тең.
Жұмыс тұрақты күшкүштің әсер ету нүктесінің күш модулі мен орын ауыстыруының көбейтіндісіне және олардың арасындағы бұрыштың косинусына тең.
IN жалпы жағдайқозғалған кезде қаттыоны жылжыту әртүрлі нүктелерәртүрлі, бірақ күш жұмысын анықтау кезінде біз астындамыз Δ біз оның қолдану нүктесінің қозғалысын түсінеміз. Қатты дененің ілгерілемелі қозғалысы кезінде оның барлық нүктелерінің қозғалысы күштің әсер ету нүктесінің қозғалысымен сәйкес келеді.
Жұмыс күш пен орын ауыстырудан айырмашылығы векторлық шама емес, скаляр шама. Ол оң, теріс немесе нөл болуы мүмкін.
Жұмыстың белгісі күш пен орын ауыстыру арасындағы бұрыштың косинусының таңбасы арқылы анықталады. Егер α< 90°, то А >0, өйткені сүйір бұрыштардың косинусы оң. α > 90° үшін жұмыс теріс болады, өйткені доғал бұрыштардың косинусы теріс болады. α = 90° (орын ауыстыруға перпендикуляр күш) жұмыс істемейді.
Егер денеге бірнеше күш әсер етсе, онда нәтиже күшінің орын ауыстыруға проекциясы жеке күштердің проекцияларының қосындысына тең болады:
F r = F 1r + F 2r + ... .
Сондықтан нәтиже күшінің жұмысы үшін біз аламыз
A = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + ... = A 1 + A 2 + .... (5.3)
Денеге бірнеше күш әсер етсе, онда толық уақытты жұмыс(барлық күштердің жұмысының алгебралық қосындысы) нәтижелі күштің жұмысына тең.
Күштің жасаған жұмысын графикалық түрде көрсетуге болады. Мұны суретте дененің түзу сызық бойымен қозғалған кездегі күш проекциясының координаталарына тәуелділігін бейнелеп түсіндірейік.
Дене OX осі бойымен қозғалсын (5.2-сурет), содан кейін
Fcosα = F x , |Δ| = Δ x.
Күш жұмысы үшін біз аламыз
A = F|Δ|cosα = F x Δx.
Әлбетте, (5.3, а) суретте боялған тіктөртбұрыштың ауданы координатасы x1 нүктеден координатасы x2 нүктеге денені жылжытқанда орындалатын жұмысқа сандық түрде тең.
(5.1) формула күштің орын ауыстыруға проекциясы тұрақты болған жағдайда жарамды. Қисық сызықты траектория, тұрақты немесе айнымалы күш жағдайында траекторияны түзу сызықты деп санауға болатын шағын сегменттерге және аз орын ауыстырудағы күш проекциясына бөлеміз. Δ - тұрақты.
Содан кейін әр қозғалыс бойынша жұмысты есептеу Δ
содан кейін осы жұмыстарды қорытындылай келе, күштің соңғы орын ауыстырудағы жұмысын анықтаймыз (5.3, б-сурет). Жұмыс бірлігі.
Жұмыс бірлігін негізгі формула (5.2) арқылы орнатуға болады. Егер денені ұзындық бірлігіне жылжытқанда оған модулі күш әсер ететін болса біріне тең, ал күштің бағыты оның әсер ету нүктесінің қозғалыс бағытымен сәйкес келеді (α = 0), онда жұмыс бірлікке тең болады. Халықаралық жүйеде (SI) жұмыс бірлігі джоуль (J арқылы белгіленеді):
1 Дж = 1 N 1 м = 1 Н м.
Джоуль- бұл күш пен орын ауыстыру бағыттары сәйкес келсе, 1 Н орын ауыстырудағы күштің атқаратын жұмысы.
Жиі жұмыстың бірнеше бірліктері қолданылады: килоджоуль және мегаджоуль:
1 кДж = 1000 Дж,
1 МДж = 1000000 Дж.
Жұмысты үлкен мерзімде де, өте қысқа мерзімде де аяқтауға болады. Бірақ іс жүзінде жұмысты тез немесе баяу орындауға бей-жай қараудан алыс. Жұмыс орындалатын уақыт кез келген қозғалтқыштың өнімділігін анықтайды. Өте тамаша жұмысКішкентай электр қозғалтқышы мұны істей алады, бірақ бұл көп уақытты алады. Сондықтан жұмыспен бірге оның өндірілу жылдамдығын сипаттайтын шама – қуат енгізіледі.
Қуат – бұл жұмыс орындалатын Δt уақыт аралығына А жұмысының қатынасы, яғни қуат – жұмыс жылдамдығы:
А жұмысының орнына (5.4) формулаға оның өрнегін (5.2) қойып, аламыз
Сонымен, егер дененің күші мен жылдамдығы тұрақты болса, онда қуат күш векторының шамасының жылдамдық векторының шамасына және осы векторлардың бағыттары арасындағы бұрыштың косинусына көбейтіндісіне тең болады. Егер бұл шамалар айнымалы болса, онда (5.4) формуланы пайдаланып анықтауға болады орташа қуатанықтамасына ұқсас орташа жылдамдықдене қозғалыстары.
Кез келген механизм (сорғы, кран, машина қозғалтқышы және т.б.) орындайтын уақыт бірлігіндегі жұмысты бағалау үшін қуат түсінігі енгізілген. Сондықтан (5.4) және (5.5) формулаларында әрқашан тарту күші түсіндіріледі.
SI жүйесінде қуат келесіде көрсетіледі ватт (Вт).
1 Дж-ға тең жұмыс 1 с ішінде орындалса, қуат 1 Вт-қа тең.
Ваттпен қатар қуаттың үлкенірек (бірнеше) бірліктері қолданылады:
1 кВт (киловатт) = 1000 Вт,
1 МВт (мегаватт) = 1 000 000 Вт.