В чем измеряется работа силы
Содержание
Слово «работа» имеет несколько значений: результат труда, действие механизма, любая деятельность или её готовый продукт. В чём измеряется работа, можно говорить лишь после того, как станет понятно, о каком процессе идёт речь. В физике рассматриваются такие её виды, как: механическая, термодинамическая или работа выхода – количество энергии, приданное отрицательно заряженной частице (электрону) для удаления его из твёрдого вещества.
Работа как составная часть процесса
Определение
Когда на тело действует некоторая сила, заставляющая его проделать путь в определённом направлении, есть смысл говорить о совершённой им полезной работе. Это физическая мера, в механике равна скалярному значению силы, влияющей на тело.
Работа силы, приложенной к материальной точке
Сила F→ постоянной величины и направления воздействует на точку. Траектория движения точки прямолинейная. Соответствующая A такой силы будет равна произведению её проекции F→ на направление перемещения (касательную) и длину элементарного смещения точки:
A = Fs*s = F*s*cos(F,s) = F→*s→ ,
где:
- А – работа;
- F→ – сила;
- s→ – вектор смещения.
Как видно из формулы, это произведение скалярное.
Такая формула справедлива только для прямолинейного перемещения точки и F→ = const. В противном случае рассчитать работу поможет интеграл:
А = ∫ F→*ds→,
тут интеграл второго рода является криволинейным и суммирует все перемещения по кривой. При этом необходимо принимать перемещения ds→ конечными, в итоге длину каждого сделать стремящейся к нулю.
Приложение силы к реальной точке
Работа сил, приложенных к системе материальных точек
Возникает, когда необходимо измерить значение для сил, влияющих на систему реальных точек. Её можно получить путём сложения работ для сил, способствующих передвижению каждой точки такой системы.
Для случаев, когда тело не представляет собой систему, состоящую из дискретных точек, применяют его мысленное разбиение на элементы. Бесконечно маленький размер такого элемента позволяет считать его материальной точкой. Применение интегрирования вместо дискретной суммы даст возможность рассчитать значение A.
Кинетическая энергия
Это часть полной энергии, определяющая энергетику движения. В системе СИ измеряется в джоулях (Дж), в СГС – в эргах (эрг).
Как связать понятие работы с кинетической энергией? Формула кинетической энергии имеет вид:
Ek = m*v2/2.
В этой формуле физическая величина Ek равна 1/2 от массы тела, умноженной на скорость этого тела в квадрате.
Кинетическая энергия
Далее отображается работа сил, воздействующих на точку при помощи 2-го закона Ньютона. Формула закона позволяет через ускорение (а) выразить силу (F):
F = m*a,
где:
- m – масса тела;
- a – ускорение тела.
Оперируя с кинематическими величинами и обратив внимание на формулу А = F*s, пробуют выразить желаемую взаимосвязь.
Случай прямолинейного ускоренного движения, где скорость и перемещение можно выразить формулой:
s = v22-v21/2a,
где:
- v1 – модуль вектора начальной скорости (в начале участка);
- v2 – модуль вектора конечной скорости (в конце участка).
Следует подставить значение величины перемещения s и F в формулу работы:
А = m*a*(v22-v21)/2a = m*v22/2 – m*v21/2.
Уменьшаемое или вычитаемое, отображаемые во второй части полученного равенства, имеют общий вид:
m*v/2.
Это есть кинетическая энергия, её обычно обозначают – Ek.
Из всего этого следует, что работа, выполняемая над телом, равнодействующих сил, соответствует изменению Ek.
Второй закон Ньютона
Потенциальная энергия
Эта физическая характеристика является частью полной механической энергии. Описывает расположение тела в силовом поле (источнике силы). Причём эта величина может давать оценку только для целой системы. Она бесполезна для характеристики отдельных точек. При этом оценивается не величина, а ее изменение.
Единицей измерения является Дж или Эрг. Наиболее часто применяемые графические обозначения – U, Ep, W.
Различают следующие типы потенциальной энергии:
- в пределах земного притяжения;
- в зоне действия электростатических полей;
- в системах механической природы.
Для тела, расположенного поблизости от земной поверхности, формула имеет вид:
Ер = m*g*h,
где:
- m – масса;
- g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2);
- h – высота центра массы тела над нулевым уровнем.
Уровень нуля можно выбирать произвольно.
Электрически заряженная материальная точка, имеющая потенциал φ(r→), находясь в зоне электростатического поля, обладает потенциальной энергией Ер. Она вычисляется с помощью выражения:
Ер = qp* φ(r→),
где qp – электрический заряд, которым эта точка обладает.
В механических системах при упругих деформациях тела разные его точки взаимодействуют между собой. Такие взаимодействия можно охарактеризовать потенциальной энергией.
Упругая деформация может быть записана как:
Ep = k*(∆x)2/2.
Здесь k – это жёсткость (упругость), ∆x – величина смещения от равновесного положения.
Работа в термодинамике
В чем измеряется работа сил в термодинамике? Термодинамика рассматривает процессы преобразования системы, в результате которых меняется объём. При этом внутреннее изменение энергии тела есть работа. Лучше всего разобрать это на примере воздействия газа на поршень. Пусть газ давит на поверхность поршня с силой F→’. Она, согласно 3-му закону Ньютона, направлена в противоположную сторону той силе, с которой поршень воздействует на газ. Это значит, F→’ = — F→.
Под давлением газа (p) поршень начинает совершать перемещение ∆h. В случае, если оно мало, то можно говорить о том, что p = const. Тогда работа будет равна A’ = F’*∆h. Можно подставить сюда значение F’= p*S, где S – площадь поверхности, на которую давит газ. После этого выражение примет вид:
A’ = p*S*∆h = p*∆V,
где ∆V – изменение объёма.
Работа в термодинамике
Работа силы в теоретической механике
При изучении в теоретической механике преобразований любых форм механического движения в иные типы движения используют понятие работы силы. При расчётах подразумевают, что и направление, и модуль этой силы F постоянны, выражение имеет вид:
A = F→*s→ = F*s*cos(F→,s→) = F*s*cos α.
От угла α зависит знак А, от направления зависит величина работы:
- если угол α между направлением силы и перемещением равен нулю, то A = F*s;
- работа А имеет положительное значение, если α меньше 900, и отрицательное, если он больше 900;
- при α = 900 между направлениями силы и перемещения работа равна нулю;
- при α = 0, когда направления F и s совпадают, А = F*s;
- при α = 1800 (сила и перемещение противоположны по направлению), А = — F*s.
Отдельными случаями в теоретической механике рассматривают воздействие сил при перемещениях точек по криволинейным траекториям и их вращениях по оси.
Размерность и единицы
Работа, совершаемая в процессах физики, имеет почти одинаковые обозначения, измерять её можно, зная единицы.
Основная единица измерения работы – 1 джоуль (Дж). Он равен:
1 Дж = 1 Н*м = 1 кг*м²/с².
1 эрг = 1 г*см²/с² = 1 дин*см = 10−7 Дж.
Работа двигателя внутреннего сгорания соразмерна тяге одной лошади. Одна лошадиная сила равна поднятию лошадью тяжести весом 75 кг. Хотя это не совсем верно. В данном случае речь идёт о мощности, это не что иное, как работа двигателя, выполняемая им ежесекундно.
(В*А*с) – это тоже единица измерения, работа, совершаемая электрическим током при перемещении заряженных зарядов по цепи за единицу времени. Сама формула пишется так:
А = U*I*t,
где:
- U – напряжение, (вольт);
- I – ток (ампер);
- t – время (cекунда).
Виды А некоторых сил
Сила трения, которая не только изнашивает трущиеся детали, но и помогает движению транспорта, также совершает определённую работу. Её выполняет и сила тяжести. На определение величины работы тех или иных сил влияют условия, при которых она совершается.
