V fiziki je izraz "delo" povezan z delovanjem sile in gibanjem telesa, ki je posledica tega delovanja. Na primer, nakladalec dvigne breme na določeno višino. Nakladalnik deluje na breme s pomočjo mišičnih naporov in breme se premika. Žoga pade na tla pod vplivom gravitacije. Na žogico deluje sila težnosti in žogica se premika. V vseh teh primerih se izvaja mehansko delo.
Mehansko delo je fizikalna količina, premosorazmeren s silo, ki deluje na telo, in potjo, ki jo telo prepotuje. Strožja definicija dela bi bila:
Delo sile je fizikalna količina, ki je enaka zmnožku modula sile in količine premika telesa v smeri delovanja sile.
Ne pozabite, da se sila meri v newtonih, razdalja pa v metrih. Zato je enota za delo newton krat meter. Delo pa je v fiziki tako pomembna količina, da ima svojo mersko enoto. Imenuje se po angleškem fiziku Jamesu Joulu in se imenuje joule (J).
Torej, če se telo pod vplivom sile 1 newton premakne za 1 meter, potem ta sila opravi 1 joul dela.
Pogoji, potrebni za opravljanje dela
Za opravljanje dela je potrebno ne samo, da na telo deluje sila, ampak tudi, da se telo premika (slika 1).
riž. 1. Delo se opravi šele, ko se telo, na katerega deluje sila, giblje
Sila, ki deluje na telo, morda ne bo delovala. Če na primer poskušate premakniti težko omaro, potem sila, s katero delujete na omaro, ne naredi nobenega dela, saj je premik omarice enak nič (slika 2).
riž. 2. Sila deluje, telo pa se ne premika. V tem primeru je delo nič
Če astronavt npr. vesolje potisne predmet od sebe in se predmet premakne od njega, potem ko se predmet premika, astronavt po potisku ne opravi nobenega dela, saj je sila, s katero deluje na predmet, enaka nič. Predmet se premika po vztrajnosti (slika 3).
riž. 3. Telo se po potisku premakne, vendar ni opravljeno delo, saj astronavt na telo ne deluje s silo
torej Za opravljanje dela mora na telo delovati sila in telo se mora premikati.
Kakšno delo se opravi med dviganjem granitna plošča prostornina 2 m 3 do višine 12 m?
Najprej zapišimo pogoje problema. Ker bo delo potekalo proti gravitacijski sili, ki je določena z maso telesa, prostornina plošče pa je podana v pogoju, bomo za rešitev morali poznati gostoto granita (slika 4). ).
riž. 4. Kratek pogoj naloge
Da bi našli delo, je treba silo, ki deluje na telo, da ga dvignemo, pomnožiti z razdaljo, ki jo telo prepotuje. Pot, ki jo prepotuje telo, je višina, na katero je bilo dvignjeno.
Pri enakomernem dvigu telesa je sila, ki deluje nanj, enaka sili težnosti.
Da bi našli maso telesa, pomnožite njegovo prostornino z gostoto granita.
Po dveh zamenjavah dobimo delujočo formulo za izračun dela.
Analizirajmo dimenzionalnost rezultata.
Zdaj lahko v končno formulo nadomestite številske podatke.
Končni odgovor je priročno izraziti v kilodžulih.
Odgovor: delo za dvig plošče je 624 kJ.
riž. 5. Popolna rešitev naloge
Bodimo pozorni na dejstvo, da v definiciji dela kot fizikalne količine obstajajo besede " produkt modula sile in količine pomika telesa v smeri sile." Lahko pa na telo deluje sila, ki je usmerjena v smeri, nasprotni smeri gibanja telesa. Na primer sila trenja. V tem primeru bo delo, ki ga opravi sila, negativno. Poleg tega je lahko sila pravokotna na smer gibanja telesa. Na primer, če se žoga kotali vodoravna površina, potem je sila težnosti pravokotna na smer gibanja žoge. V tem primeru se kroglica ne giblje v smeri sile in je delo enako nič (slika 6).
riž. 6. Delo je lahko pozitivno, negativno in nič
Torej je mehansko delo fizikalna količina, ki označuje delovanje sile. Meri se v joulih. Ne smemo pozabiti, da mora telo prepotovati določeno razdaljo, da se lahko mehansko delo opravi pod vplivom sile.
Reference
1. Peryshkin A.V. Fizika. 7. razred - 14. izd., stereotip. - M .: Bustard, 2010.
2. Peryshkin A.V. Zbirka nalog iz fizike, razredi 7-9: 5. izd., stereotip. - M: Založba "Izpit", 2010.
3. Lukashik V.I., Ivanova E.V. Zbirka nalog iz fizike za 7.-9 izobraževalne ustanove. - 17. izd. - M.: Izobraževanje, 2004.
1. Spletna stran “Enotna zbirka digitalnih izobraževalnih virov” ()
2. Spletna stran “Enotna zbirka digitalnih izobraževalnih virov” ()
domača naloga
1. Lukashik V.I., Ivanova E.V. Zbirka nalog iz fizike za 7.-9. št. 666-669, 678, 686.
V prejšnjih lekcijah smo se učili o fizikalnih količinah, imenovanih »gibalna količina telesa« in »energija«. Kot vemo, je sprememba gibalne količine telesa povezana z drugo fizikalno količino, imenovano impulz sile. V tej lekciji, katere tema je "Mehansko delo. Moč«, bomo podobno pokazali, da je sprememba energije telesa povezana tudi z drugo fizikalno veličino - delom sile.
Pri predmetu fizika v 7. razredu smo se učili, da če je telo pod vplivom neke sile premakne (glej sliko 1) v smeri sile, potem sila opravi delo A, ki je enak produktu modula sile in modula premika.
riž. 1. Premikanje telesa pod vplivom sile F
Enota SI za delo je joule - delo, ki ga opravi sila 1 N, ko se točka njenega delovanja premakne za 1 m:
Ta definicija dela je omejena le na primer, ko na telo deluje ena sama sila, ki sta s premikom sosmerna vektorja. Zato je treba posploševati to formulo delo za situacijo, ko se premika v smeri, ki ne sovpada s smerjo delovanja sile, in ko na telo deluje več sil.
riž. 2. Na telo deluje več sil
Če na telo deluje več sil (glej sliko 2), potem je treba v tem primeru vrednost rezultante vseh sil nadomestiti v formulo za delo. Posledično bo delo enako vsoti vseh del posameznih sil.
Rezultanta je lahko nič, tudi če posamezne sile niso enake nič. Tudi v tem primeru bi moralo biti delo enako nič, zato naj bi bilo delo posameznih sil v skladu s formulo z različna znamenja(lahko negativno ali pozitivno). Tako je treba formulo za izračun dela spraviti v takšno obliko, da je mogoče dobiti tako pozitivne kot negativne vrednosti te količine. Iz tečaja geometrije vemo, da se operacija, ki omogoča pridobitev števila (pozitivnega ali negativnega) pri množenju vektorjev, imenuje skalarni produkt vektorjev.
Mehansko delo je količina, ki je enaka skalarnemu produktu rezultante sil, ki delujejo na telo, in odmika telesa.
Če je kot med rezultanto sile in vektorji premika oster, je delo pozitivno (glej sliko 3).
riž. 3. Ostri kot med vektorjema rezultante sile in pomika
Če je kot med vektorjema rezultante sile in pomika top, potem je delo negativno (glej sliko 4).
riž. 4. Tupi kot med vektorjema rezultante sile in pomika
Na primer: ko človek s pomočjo vrvi za seboj vleče sani, tvori vrv oster kot s smerjo gibanja sani (glej sliko 5). Posledično ima delo sile, s katero človek vleče sani, pozitiven predznak.
riž. 5. Delo sile, s katero človek vleče sani
Smer rezultantne sile je lahko pravokotna na smer gibanja telesa. V tem primeru je kot med vektorjem sile in pomika enak . Ker je kosinus tega kota enak nič, je delo, ki ga ta rezultantna sila opravi na telo, enako nič.
Če se vrnemo k primeru sani, lahko rečemo, da je gravitacijska sila, ki deluje na sani, pravokotna na smer gibanja in ne opravlja dela (glej sliko 6).
riž. 6. Gravitacija ne dela
Tudi pri enakomernem gibanju po krožnici sila, ki sili telo v takšno gibanje, ne opravlja dela, saj je ta sila v kateri koli točki krožnice pravokotna na smer hitrosti telesa. Na primer, sila univerzalne gravitacije, pod vplivom katere se umetni zemeljski sateliti gibljejo po krožni orbiti, ne opravi nobenega dela.
Najpogosteje je uporabni pomen mehanskega dela uporaben pri obravnavi delovanja različnih mehanizmov.
Predpostavimo, da moramo dvigniti nekaj bremena na streho zgradbe. V prvem primeru za to uporabimo ročni vitel, v drugem primeru žerjav.
Čas, porabljen za dokončanje dela, je v drugem primeru manjši kot v prvem. Posledično je enako količino dela mogoče opraviti v drugačni časi. To pomeni, da je pomembno vedeti, kako hitro je delo opravljeno. Zato je za vsak stroj, ki opravlja delo, značilna posebna količina, imenovana moč.
Moč(p) stroja ali mehanizma je enako razmerju med opravljenim delom in časom, v katerem je bilo opravljeno.
Enota SI za moč je vat (W):
Ta vrednost je lahko uporabna pri izračunu dela, saj je za večino naprav, ki opravljajo mehansko delo, moč znana vnaprej. To pomeni, da za izračun dela morate poznati moč in časovno obdobje, v katerem je bilo delo opravljeno.
Moč se uporablja tudi za izračun hitrosti različnih vozil. Letala, ladje, avtomobili itd. se pogosto gibljejo tako, da se lahko njihova hitrost z dobro natančnostjo šteje za konstantno vrednost. Če gibanje poteka s konstantno hitrostjo, potem so sile, ki delujejo na vozilo zaradi delovanja motorja, enake po velikosti in nasprotne smeri silam upora gibanja. Vrednost hitrosti vozilo določena z močjo motorja.
Oglejmo si primer, ko je sila sosmerna s premikom (glej sliko 7).
Uvedene so energijske značilnosti gibanja na podlagi pojma mehanskega dela oz delo sile.
delo A, ki ga izvaja konstantna sila F →, se imenuje fizikalna količina, ki je enaka zmnožku modulov sile in premika, pomnoženih s kosinusom kota α med vektorjema sile F → in pomika s →(slika 1.18.1): A = Fs cos α.
Delo je skalarna količina. Lahko je pozitiven ( 0° ≤ α < 90° ), in negativno ( 90°< α ≤ 180° ). pri α = 90° delo, ki ga opravi sila, je nič. V sistemu SI se delo meri v džuli (J).
Joule je enak delu, ki ga opravi sila v 1 N v gibanju 1 m v smeri sile.
Delo sile F →: A = F s cos α = F s s
Če projekcija F → s sile F → na smer gibanja s → ne ostane konstantna, je treba delo izračunati za majhne premike. Δs i in povzamemo rezultate: A = ∑ Δ A i = ∑ F si Δ s i .
To je znesek v limitu ( Δs i → 0) gre v integral.
Grafično je delo določeno s površino krivulje pod grafom Fs(x)(slika 1.18.2).
Grafična opredelitev dela. ΔA i = F si Δs i
Primer sile, katere modul je odvisen od koordinate, je elastična sila vzmeti, ki upošteva Hookov zakon. Da vzmet raztegnemo, moramo nanjo delovati z zunanjo silo F →, katere modul je sorazmeren z raztezkom vzmeti (slika 1.18.3).
Raztegnjena vzmet. Smer zunanje sile F → sovpada s smerjo gibanja s →. F s = k x , k – togost vzmeti. F → nadzor = - F → Odvisnost modula zunanje sile od koordinate
x je na grafu prikazan kot ravna črta (slika 1.18.4).
Ista formula izraža delo, ki ga opravi zunanja sila pri stiskanju vzmeti. V obeh primerih je delo prožne sile F → kontrola po velikosti enako delu zunanje sile F → in nasprotnega predznaka.
Če na telo deluje več sil, potem splošno delo vseh sil je enaka algebraični vsoti del, ki jih opravijo posamezne sile. Pri translacijskem gibanju telesa, ko se točke delovanja vseh sil premikajo enako, je skupno delo vseh sil enako delu rezultanta uporabljenih sil.
Mehansko delo
Delo, ki ga sila opravi na enoto časa, se imenuje moč. Moč n je fizikalna količina, ki je enaka razmerju dela A na časovno obdobje t, med katerim je bilo to delo dokončano: N = A t.
IN Mednarodni sistem(SI) se imenuje enota za moč vat (W). Watt enako moči prisiliti v delo 1 J v času 1 s.
« 1 W = 1 J 1 s.
Fizika - 10. razred"
Zakon o ohranitvi energije je temeljni zakon narave, ki nam omogoča opisovanje večine pojavov, ki se pojavljajo.
Opis gibanja teles je možen tudi z uporabo konceptov dinamike, kot sta delo in energija.
Spomni se, kaj sta delo in moč v fiziki.
Ali ti koncepti sovpadajo z vsakodnevnimi predstavami o njih? Vsi naši dnevne aktivnosti
se spuščajo v to, da s pomočjo mišic bodisi spravljamo okoliška telesa v gibanje in to gibanje vzdržujemo ali pa telesa ne premikamo. Ta telesa so orodje (kladivo, pero, žaga), v igrah - žoge, paki, šahovske figure. V proizvodnji in kmetijstvo
ljudje tudi poganjajo orodja.
Uporaba strojev večkrat poveča produktivnost dela zaradi uporabe motorjev v njih.
Namen katerega koli motorja je spraviti telesa v gibanje in ohraniti to gibanje, kljub zaviranju tako z običajnim trenjem kot z "delovnim" uporom (rezilo ne sme samo drseti po kovini, ampak z zarezovanjem vanjo odstraniti ostružke; plug rahljati zemljo itd.). V tem primeru mora na gibljivo telo delovati sila s strani motorja.
Delo se v naravi izvaja vedno, ko na telo v smeri njegovega gibanja ali proti njemu deluje sila (ali več sil) drugega telesa (drugih teles).
Opredelitev dela.
Newtonov drugi zakon v obliki impulza Δ = Δt vam omogoča, da ugotovite, kako se hitrost telesa spremeni v velikosti in smeri, če nanj v času Δt deluje sila.
Za vpliv sil na telesa, ki vodijo do spremembe modula njihove hitrosti, je značilna vrednost, ki je odvisna tako od sil kot od gibanja teles. V mehaniki se ta količina imenuje delo sile.
Sprememba hitrosti v absolutni vrednosti je mogoča le v primeru, ko je projekcija sile F r na smer gibanja telesa drugačna od nič. Prav ta projekcija določa delovanje sile, ki modulo spremeni hitrost telesa. Ona opravlja delo. Zato lahko delo obravnavamo kot produkt projekcije sile F r z modulom premika |Δ| (Slika 5.1):
A = F r |Δ|. (5.1)
Če kot med silo in premikom označimo z α, potem Fr = Fcosα.
Zato je delo enako:
A = |Δ|cosα. (5.2)
Naša vsakdanja predstava o delu se razlikuje od definicije dela v fiziki. Držite težak kovček in zdi se vam, da opravljate delo. Vendar je s fizičnega vidika vaše delo nič.
delo stalna sila je enak zmnožku modulov sile in premika točke delovanja sile ter kosinusa kota med njima.
IN splošni primer pri premikanju trdna premikanje različne točke so različni, vendar smo pri določanju dela sile pod Δ razumemo gibanje njegove točke uporabe. Pri translacijskem gibanju togega telesa gibanje vseh njegovih točk sovpada z gibanjem točke uporabe sile.
Delo za razliko od sile in premika ni vektorska, temveč skalarna količina. Lahko je pozitiven, negativen ali nič.
Predznak dela je določen s predznakom kosinusa kota med silo in premikom. Če je α< 90°, то А >0, ker je kosinus ostrih kotov pozitiven. Pri α > 90° je delo negativno, saj je kosinus topih kotov negativen. Pri α = 90° (sila pravokotna na premik) se delo ne izvrši.
Če na telo deluje več sil, potem je projekcija rezultante sile na premik enaka vsoti projekcij posameznih sil:
F r = F 1r + F 2r + ... .
Zato za delo rezultante sile dobimo
A = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + ... = A 1 + A 2 + .... (5.3)
Če na telo deluje več sil, potem polni delovni čas(algebraična vsota dela vseh sil) je enaka delu rezultante sile.
Delo, ki ga opravi sila, lahko predstavimo grafično. Naj to pojasnimo tako, da na sliki prikažemo odvisnost projekcije sile od koordinat telesa, ko se premika premočrtno.
Nato naj se telo premika vzdolž osi OX (slika 5.2).
Fcosα = F x , |Δ| = Δ x.
Za delo sile dobimo
A = F|Δ|cosα = F x Δx.
Očitno je površina pravokotnika, osenčenega na sliki (5.3, a), številčno enaka delu, opravljenemu pri premikanju telesa iz točke s koordinato x1 v točko s koordinato x2.
Formula (5.1) velja v primeru, ko je projekcija sile na premik konstantna. Pri krivočrtni trajektoriji, konstantni ali spremenljivi sili, delimo trajektorijo na majhne segmente, ki jih lahko štejemo za premočrtne, in projekcijo sile pri majhnem premiku Δ - konstantno.
Nato izračunajte delo pri vsakem gibu Δ
in nato povzamemo ta dela, določimo delo sile na končnem premiku (slika 5.3, b). Enota dela.
Enoto dela lahko določimo z osnovno formulo (5.2). Če pri premikanju telesa na enoto dolžine nanj deluje sila, katere modul enako ena, in smer sile sovpada s smerjo gibanja njene točke uporabe (α = 0), potem bo delo enako enoti. V mednarodnem sistemu (SI) je enota za delo joule (označeno z J):
1 J = 1 N 1 m = 1 N m.
Joule- to je delo, ki ga opravi sila 1 N na premik 1, če smeri sile in premika sovpadata.
Pogosto se uporablja več enot za delo: kilodžul in megadžul:
1 kJ = 1000 J,
1 MJ = 1000000 J.
Delo je lahko končano v daljšem ali zelo kratkem času. V praksi pa še zdaleč ni vseeno, ali je delo mogoče opraviti hitro ali počasi. Čas, v katerem se delo izvaja, določa zmogljivost katerega koli motorja. Zelo super delo Majhen električni motor lahko to stori, vendar bo trajalo veliko časa. Zato je skupaj z delom uvedena količina, ki označuje hitrost, s katero se proizvaja - moč.
Moč je razmerje med delom A in časovnim intervalom Δt, v katerem je to delo opravljeno, tj. moč je hitrost dela:
Če nadomestimo v formulo (5.4) namesto dela A njen izraz (5.2), dobimo
Torej, če sta sila in hitrost telesa konstantni, potem je moč enaka zmnožku velikosti vektorja sile z velikostjo vektorja hitrosti in kosinusa kota med smerema teh vektorjev. Če so te količine spremenljive, potem lahko z uporabo formule (5.4) določimo povprečna moč podobno kot definicija povprečna hitrost gibi telesa.
Koncept moči je uveden za ovrednotenje dela na enoto časa, ki ga opravi kateri koli mehanizem (črpalka, žerjav, motor stroja itd.). Zato je v formulah (5.4) in (5.5) vedno mišljena vlečna sila.
V SI je moč izražena v vati (W).
Moč je enaka 1 W, če je v 1 s opravljeno delo 1 J.
Skupaj z vatom se uporabljajo večje (večkratne) enote moči:
1 kW (kilovat) = 1000 W,
1 MW (megavat) = 1.000.000 W.