Щоб мати можливість охарактеризувати енергетичні характеристики руху, було запроваджено поняття механічної роботи. І саме їй у її різних проявах присвячено статтю. Для розуміння тема одночасно легка, і досить складна. Автор щиро намагався зробити її більш зрозумілою та доступною для розуміння, і залишається лише сподіватися, що мети досягнуто.

Що називають механічною роботою?

Що так називають? Якщо над тілом працює якась сила, і в результаті дії тіло переміщається, то це і називається механічною роботою. При підході з погляду наукової філософії можна виділити кілька додаткових аспектів, але у статті буде тема розкрита з погляду фізики. Механічна робота - це не складно, якщо добре вдуматись у написані тут слова. Але слово "механічна" зазвичай не пишеться, і все скорочується до слова "робота". Але не кожна робота є механічною. Ось сидить людина та думає. Чи працює він? Подумки так! Але чи це механічна робота? Ні. А якщо людина йде? Якщо тіло переміщається під впливом сили, це механічна робота. Все просто. Іншими словами, сила, що діє на тіло, здійснює (механічну) роботу. І ще: саме роботою можна охарактеризувати результат дії певної сили. Так як людина йде, то певні сили (тертя, тяжкості і т.д.) роблять над людиною механічну роботу, і в результаті їх дії людина змінює точку свого знаходження, тобто переміщається.

Робота як фізична величинадорівнює силі, що діє на тіло, що множиться на шлях, який зробило тіло під впливом цієї сили і в напрямку, що вказується нею. Можна сказати, що механічна робота була зроблена, якщо одночасно було дотримано 2 умови: сила діяла на тіло, і воно перемістилося в напрямок її дії. Але вона відбувалася чи відбувається, якщо сила діяла, а тіло не змінило своє місцезнаходження у системі координат. Ось невеликі приклади, коли механічна робота не відбувається:

1. Так людина може навалитися на величезний валун із метою зрушити його, але сил не вистачає. Сила діє на камінь, а вона не переміщається, і робота не відбувається.
2. Тіло рухається в системі координат, а сила дорівнює нулю або всі вони компенсувалися. Таке можна спостерігати під час руху за інерцією.
3. Коли напрямок, у якому рухається тіло, перпендикулярно до дії сили. Коли поїзд рухається горизонтальною лінією, то сила тяжіння свою роботу не здійснює.

Залежно від певних умов механічна робота буває негативною та позитивною. Так, якщо напрями і сили, і рухи тіла однакові, відбувається позитивна робота. Прикладом позитивної роботи є дія сили тяжіння на краплю води, що падає. Але якщо сила та напрямок руху протилежні, то значить відбувається негативна механічна робота. Прикладом вже такого варіанту є повітряна кулька, що піднімається вгору, і сила тяжіння, яка здійснює негативну роботу. Коли тіло піддається впливу кількох сил, така робота називається "роботою результуючої сили".

Особливості практичного застосування (кінетична енергія)

Переходимо від теорії до практичної частини. Окремо слід поговорити про механічну роботу та її використання у фізиці. Як багато хто напевно згадав, вся енергія тіла ділиться на кінетичну та потенційну. Коли об'єкт перебуває в положенні рівноваги і нікуди не рухається, його потенційна енергія дорівнює загальної енергіїа кінетична дорівнює нулю. Коли починається рух, потенційна енергія починає зменшуватися, кінетична зростатиме, але в сумі вони дорівнюють загальній енергії об'єкта. Для матеріальної точки кінетичну енергію визначають як роботу сили, яка прискорила точку від нуля до значення Н, а у формульному вигляді кінетика тіла дорівнює ½*М*Н, де М - маса. Щоб дізнатися кінетичну енергію об'єкта, що складається з багатьох частинок, необхідно знайти суму всієї кінетичної енергії частинок, і це буде кінетична енергіятіла.

Особливості практичного застосування (потенційна енергія)

У разі, коли всі сили, що діють на тіло, консервативні, і потенційна енергія дорівнює загальної, то робота не здійснюється. Цей постулат відомий як закон збереження механічної енергії. Механічна енергія в замкнутої системиє постійною у часовому інтервалі. Закон збереження широко використовують на вирішення завдань із класичної механіки.

Особливості практичного застосування (термодинаміка)

У термодинаміці робота, яку здійснює газ під час розширення, розраховують за інтегралом множення тиску обсяг. Такий підхід застосовується не тільки в тих випадках, коли є точна функція об'єму, але й до всіх процесів, що можуть бути відображені в площині тиск/об'єм. Також застосовується знання про механічну роботу не лише до газів, а й до всього, що може чинити тиск.

Особливості практичного застосування на практиці (теоретична механіка)

У теоретичній механіці всі вищеописані властивості та формули розглядаються детальніше, зокрема це проекції. Вона дає своє визначення для різних формул механічної роботи (приклад визначення для інтеграла Риммера): межа, до якої прагне сума всіх сил елементарних робіт, коли дрібність розбиття прагне до нульового значення, називається роботою сили вздовж кривої. Напевно, складно? Але нічого, з теоретичною механікою все. Та вже й вся механічна робота, фізика та інші складнощі скінчилися. Далі будуть лише приклади та висновок.

Одиниці виміру механічної роботи

Для вимірювання роботи в СІ використовуються джоулі, а СГС використовує ерг:

1. 1 Дж = 1 кг·м²/с² = 1 Н·м
2. 1 ерг = 1 г·см²/с² = 1 дин·см
3. 1 ерг = 10 −7 Дж

Приклади механічної роботи

Для того щоб розібратися остаточно з таким поняттям як механічна робота, слід вивчити кілька окремих прикладів, які дозволять розглянути її з безлічі, але не всіх сторін:

1. Коли людина піднімає руками камінь, відбувається механічна робота з допомогою м'язової сили рук;
2. Коли рейками їде поїзд, його тягне сила тяги тягача (електровоза, тепловоза тощо);
3. Якщо взяти рушницю і вистрілити з неї, то завдяки силі тиску, яку створять порохові гази, буде зроблено роботу: кулю переміщено вздовж ствола рушниці одночасно зі збільшенням швидкості самої кулі;
4. Механічна робота є і тоді, коли сила тертя діє тіло, змушуючи його зменшити швидкість свого руху;
5. Вищеописаний приклад із кулями, коли вони піднімаються в протилежний бік щодо напрямку сили тяжіння, теж є прикладом механічної роботи, але крім сили тяжіння діє ще й сила Архімеда, коли вгору піднімається все, що легше за повітря.

Що таке потужність?

Насамкінець хочеться торкнутися теми потужності. Роботу сили, що відбувається в одну одиницю часу, називають потужністю. По суті потужність - це така фізична величина, яка є відображенням ставлення роботи до певного проміжку часу, під час якого ця робота і відбувалася: М = Р/В, де М потужність, Р - робота, В - час. Одиницю потужності в СІ позначають 1 Вт. Ватт дорівнює потужності, яка здійснює роботу в один джоуль за одну секунду: 1 Вт = 1Дж \ 1с.

У повсякденному досвіді слово «робота» зустрічається дуже часто. Але слід розрізняти роботу фізіологічну та роботу з погляду науки фізики. Коли ви приходите з уроків, ви кажете: «Ой, як я стомився!». Це фізіологічна робота. Або, наприклад, робота колективу в народної казки"Ріпка".

Рис 1. Робота у повсякденному значенні слова

Ми ж говоритимемо тут про роботу з погляду фізики.

Механічна робота відбувається, якщо під дією сили відбувається переміщення тіла. Робота позначається латинською літерою А. Суворіше визначення роботи звучить так.

Роботою сили називається фізична величина, рівна добуткувеличини сили на відстань, пройдену тілом у напрямку дії сили.

Рис 2. Робота – це фізична величина

Формула справедлива, коли на тіло діє постійна сила.

У міжнародній системі одиниць СІ робота вимірюється у джоулях.

Це означає, що якщо під дією сили в 1 ньютон тіло перемістилося на 1 метр, то цією силою виконана робота 1 джоуль.

Одиницю роботи названо на честь англійського вченого Джеймса Прескотта Джоуля.

Рис 3. Джеймс Прескотт Джоуль (1818 – 1889)

З формули для обчислення роботи випливає, що можливі три випадки, коли робота дорівнює нулю.

Перший випадок – коли на тіло діє сила, але тіло не переміщається. Наприклад, додому діє величезна сила тяжіння. Але вона не робить роботи, оскільки будинок нерухомий.

Другий випадок – коли тіло переміщається за інерцією, тобто на нього не діють жодні сили. Наприклад, космічний корабельрухається у міжгалактичному просторі.

Третій випадок – коли на тіло діє сила, перпендикулярна до напрямку руху тіла. У цьому випадку, хоч і тіло переміщається, і сила на нього діє, але немає переміщення тіла у напрямі дії сили.

Рис 4. Три випадки, коли робота дорівнює нулю

Слід також сказати, робота сили може бути негативною. Так буде, якщо рух тіла відбувається проти напряму дії сили. Наприклад, коли підйомний кран за допомогою троса піднімає вантаж над землею, робота сили тяжіння є негативною (а робота сили пружності троса, спрямована вгору, навпаки, позитивна).

Припустимо, при виконанні будівельних робіт котлован необхідно засипати піском. Екскаватору для цього знадобиться кілька хвилин, а робітнику за допомогою лопати довелося б працювати кілька годин. Але й екскаватор, і робітник при цьому виконали б ту саму роботу.

Рис 5. Одну і ту ж роботу можна виконати за різний час

Щоб охарактеризувати швидкість виконання у фізиці використовується величина, звана потужністю.

Потужністю називається фізична величина, що дорівнює відношенню роботи до часу її виконання.

Потужність позначається латинською літерою N.

Одиницею вимірювання потужності системи СІ є ват.

Один ват – це потужність, при якій робота в один джоуль відбувається за одну секунду.

Одиницю потужності названо на честь англійського вченого, винахідника парової машини Джеймса Уатта.

Рис 6. Джеймс Уатт (1736 – 1819)

Об'єднаємо формулу для обчислення роботи з формулою для обчислення потужності.

Згадаймо тепер, що відношення шляху, пройденого тілом, S, на час руху tявляє собою швидкість руху тіла v.

Таким чином, потужність дорівнює добутку чисельного значення сили на швидкість руху тіла у напрямку дії сили.

Цією формулою зручно користуватися під час вирішення завдань, у яких сила діє тіло, що рухається з відомою швидкістю.

Список літератури

1. Лукашик В.І., Іванова О.В. Збірник завдань із фізики для 7-9 класів загальноосвітніх установ. - 17-те вид. - М: Просвітництво, 2004.
2. Перишкін А.В. фізика. 7 кл. - 14-те вид., стереотип. - М: Дрофа, 2010.
3. Перишкін А.В. Збірник завдань із фізики, 7-9 кл.: 5-те вид., стереотип. – М: Видавництво «Іспит», 2010.

1. Інтернет-портал Physics.ru().
2. Інтернет-портал Festival.1september.ru().
3. Інтернет-портал Fizportal.ru().
4. Інтернет-портал Elkin52.narod.ru().

Домашнє завдання

1. У яких випадках робота дорівнює нулю?
2. Як знаходиться робота на шляху, пройденому у напрямку дії сили? У протилежному напрямку?
3. Яку роботу здійснює сила тертя, що діє на цеглу, при її переміщенні на 0,4 м? Сила тертя дорівнює 5 н.

Кінь тягне віз з деякою силою, позначимо його Fтяги. Дідусь, що сидить на возі, тисне на неї з певною силою. Позначимо її Fтиск. Віз рухається вздовж напрямку сили тяги коня (вправо), а в напрямку сили тиску дідуся (вниз) віз не переміщається. Тому у фізиці кажуть, що Fтяги здійснює роботу над возом, а Fтиск не здійснює роботу над возом.

Отже, робота сили над тілом або механічна робота– фізична величина, модуль якої дорівнює добутку сили на шлях, пройдений тілом вздовж напрямку дії цієї силиы:

На честь англійського вченого Д. Джоуля одиниця механічної роботи отримала назву 1 джоуль(Згідно з формулою, 1 Дж = 1 Н·м).

Якщо на тіло, що розглядається, діє деяка сила, значить, на нього діє деяке тіло. Тому робота сили над тілом та робота тіла над тілом – повні синоніми.Однак робота першого тіла над другим і робота другого тіла над першим – часткові синоніми, оскільки модулі цих робіт завжди рівні, а їх знаки завжди протилежні. Саме тому у формулі є знак «±». Обговоримо знаки роботи докладніше.

Числові значення сили та шляхи – завжди невід'ємні величини. На відміну від них механічна робота може мати як позитивний, і негативний знаки. Якщо напрямок сили збігається з напрямком руху тіла, то роботу сили вважають позитивною.Якщо напрям сили протилежний напрямку руху тіла, роботу сили вважають негативною(беремо "-" з "±" формули). Якщо напрям руху тіла перпендикулярно до напрямку дії сили, то така сила роботу не здійснює, тобто A = 0.

Розгляньте три ілюстрації з трьох аспектів механічної роботи.

Здійснення силою роботи може виглядати по-різному з погляду різних спостерігачів.Розглянемо приклад: дівчинка їде у ліфті вгору. Чи здійснює вона механічну роботу? Дівчинка може виконувати роботу лише з тих тілами, куди діє силою. Таке тіло лише одне - кабіна ліфта, тому що дівчинка тисне на її підлогу своєю вагою. Тепер треба з'ясувати, чи проходить кабіна певний шлях. Розглянемо два варіанти: з нерухомим і спостерігачем, що рухається.

Нехай спочатку хлопчик-спостерігач сидить на землі. По відношенню до нього кабіна ліфта рухається нагору і проходить деякий шлях. Вага дівчинки спрямована у протилежний бік – вниз, отже, дівчинка здійснює над кабіною негативну механічну роботу: Aдів< 0. Вообразим, что мальчик-наблюдатель пересел внутрь кабины движущегося лифта. Как и ранее, вес девочки действует на пол кабины. Но теперь по отношению к такому наблюдателю кабина лифта не движется. Поэтому с точки зрения наблюдателя в кабине лифта девочка не совершает механическую работу: Aдів = 0.

У повсякденному життічасто доводиться зустрічатися з таким поняттям, як робота. Що це слово означає у фізиці та як визначити роботу сили пружності? Відповіді на ці запитання ви дізнаєтесь у статті.

Механічна робота

Робота - це скалярна величина алгебри, яка характеризує зв'язок між силою і переміщенням. При збігу напрямку цих двох змінних вона обчислюється за такою формулою:

• F- модуль вектора сили, яка виконує роботу;
• S- Модуль вектора переміщення.

Не завжди сила, що діє на тіло, виконує роботу. Наприклад, робота сили тяжіння дорівнює нулю, якщо її напрямок перпендикулярно до переміщення тіла.

Якщо вектор сили утворює відмінний від нуля кут із вектором переміщення, то для визначення роботи слід скористатися іншою формулою:

A=FScosα

α - Кут між векторами сили та переміщення.

Значить, механічна робота - це добуток проекції сили на напрямок переміщення та модуля переміщення, або добуток проекції переміщення на напрямок сили та модуля цієї сили.

Знак механічної роботи

Залежно від напрямку сили щодо переміщення тіла робота A може бути:

• позитивною (0°≤ α<90°);
• негативною (90 °<α≤180°);
• рівної нулю (? = 90 °).

Якщо A>0, то швидкість тіла збільшується. Приклад - падіння яблука з дерева на землі. При A<0 сила препятствует ускорению тела. Например, действие силы трения скольжения.

Одиниця виміру роботи у СІ (Міжнародній системі одиниць) - Джоуль (1Н*1м=Дж). Джоуль - це робота сили, значення якої дорівнює 1 Ньютон, при переміщенні тіла на 1 метр у напрямку дії сили.

Робота сили пружності

Роботу сили можна визначити і графічним способом. Для цього обчислюється площа криволінійної фігури під графіком Fs(x).

Так, за графіком залежності сили пружності від подовження пружини можна вивести формулу роботи сили пружності.

Вона дорівнює:

A=kx 2 /2

• k- Жорсткість;
• x- Абсолютне подовження.

Що ми дізналися?

Механічна робота відбувається при дії на тіло сили, що призводить до переміщення тіла. Залежно від кута, який виникає між силою і переміщенням, робота може дорівнювати нулю або мати негативний або позитивний знак. На прикладі сили пружності ви дізналися про графічний спосіб визначення роботи.