Vsako gibanje telesa v prostoru, ki vodi do spremembe njegove skupne energije, je povezano z delom. V tem članku bomo razmislili, kaj je ta količina, v čem se meri mehansko delo in kako se to označuje, rešili pa bomo tudi zanimiv problem na to temo.
Deluj kot fizična količina
Preden odgovorimo na vprašanje, v čem se meri mehansko delo, se seznanimo s to vrednostjo. Po definiciji je delo skalarni produkt sile in vektorja premika telesa, ki ga je ta sila povzročila. Matematično lahko zapišemo naslednjo enakost:
A=(F¯S¯).
Okrogli oklepaji označujejo pikčasti produkt. Glede na njene lastnosti bo ta formula izrecno prepisana na naslednji način:
A=FScos(α).
Kjer je α kot med vektorjema sile in premikov.
Iz zapisanih izrazov sledi, da se delo meri v Newtonih na meter (Nm). Kot je znano,ta količina se imenuje joul (J). To pomeni, da se v fiziki mehansko delo meri v enotah dela Joule. En Joule ustreza takemu delu, pri katerem sila enega Newtona, ki deluje vzporedno s gibanjem telesa, povzroči spremembo njegovega položaja v prostoru za en meter.
V zvezi z označevanjem mehanskega dela v fiziki je treba opozoriti, da se za to najpogosteje uporablja črka A (iz nemškega ardeit - delo, delo). V literaturi v angleškem jeziku lahko najdete oznako te vrednosti z latinsko črko W. V literaturi v ruskem jeziku je ta črka rezervirana za moč.
Delo in energija
Ko smo ugotavljali, kako se meri mehansko delo, smo videli, da njegove enote sovpadajo z enotami za energijo. To naključje ni naključno. Dejstvo je, da je obravnavana fizična količina eden od načinov manifestacije energije v naravi. Vsako gibanje teles v poljih sile ali v njihovi odsotnosti zahteva stroške energije. Slednji se uporabljajo za spreminjanje kinetične in potencialne energije teles. Za proces te spremembe je značilno opravljeno delo.
Energija je temeljna značilnost teles. Shranjen je v izoliranih sistemih, lahko se preoblikuje v mehanske, kemične, toplotne, električne in druge oblike. Delo je le mehanska manifestacija energetskih procesov.
Delo v plinih
Zgoraj napisani izraz delujeje osnovna. Vendar ta formula morda ni primerna za reševanje praktičnih problemov z različnih področij fizike, zato se uporabljajo drugi izrazi, ki izhajajo iz nje. Eden takšnih primerov je delo, ki ga opravi plin. Priročno ga je izračunati z naslednjo formulo:
A=∫V(PdV).
Tukaj je P tlak v plinu, V pa njegova prostornina. Če vemo, v čem se meri mehansko delo, je enostavno dokazati veljavnost integralnega izraza:
Pam3=N/m2m3=N m=J.
V splošnem primeru je tlak funkcija prostornine, zato ima lahko integrand poljubno obliko. V primeru izobarnega procesa se širitev ali krčenje plina zgodi pri konstantnem tlaku. V tem primeru je delo plina enako enostavnemu zmnožku vrednosti P in spremembe njegove prostornine.
Delajte med vrtenjem telesa okoli osi
Gibanje rotacije je v naravi in tehnologiji zelo razširjeno. Zanj so značilni koncepti momentov (sila, zagon in vztrajnost). Če želite določiti delo zunanjih sil, ki so povzročile, da se telo ali sistem vrti okoli določene osi, morate najprej izračunati moment sile. Izračuna se takole:
M=Fd.
Kjer je d razdalja od vektorja sile do osi vrtenja, se imenuje rama. Navor M, ki je vodil do vrtenja sistema skozi kot θ okoli neke osi, opravi naslednje delo:
A=Mθ.
Tukaj Mje izražen v Nm, kot θ pa v radianih.
fizikalna naloga za mehansko delo
Kot je bilo rečeno v članku, delo vedno opravi ta ali ona sila. Razmislite o naslednjem zanimivem problemu.
Telo je na ravnini, ki je nagnjena k obzorju pod kotom 25o. Z drsenjem navzdol je telo pridobilo nekaj kinetične energije. To energijo je treba izračunati, pa tudi delo gravitacije. Masa telesa je 1 kg, pot, ki jo prepotuje po ravnini, je 2 metra. Upor drsnega trenja je mogoče zanemariti.
Zgoraj je bilo prikazano, da deluje le del sile, ki je usmerjen vzdolž premika. Preprosto je pokazati, da bo v tem primeru naslednji del sile težnosti deloval vzdolž premika:
F=mgsin(α).
Tukaj je α kot nagiba ravnine. Potem se delo izračuna takole:
A=mgsin(α)S=19,810,42262=8,29 J.
To pomeni, da gravitacija pozitivno deluje.
Sedaj določimo kinetično energijo telesa na koncu spusta. Če želite to narediti, se spomnite drugega Newtonovega zakona in izračunajte pospešek:
a=F/m=gsin(α).
Ker je drsenje telesa enakomerno pospešeno, imamo za določitev časa gibanja pravico uporabiti ustrezno kinematično formulo:
S=at2/2=>
t=√(2S/a)=√(2S/(gsin(α))).
Hitrost telesa na koncu spusta se izračuna na naslednji način:
v=at=gsin(α)√(2S/(gsin(α)))=√(2Sgsin(α)).
Kinetična energija translacijskega gibanja se določi z naslednjim izrazom:
E=mv2/2=m2Sgsin(α)/2=mSgsin(α).
Dobili smo zanimiv rezultat: izkazalo se je, da se formula za kinetično energijo natančno ujema z izrazom za delo gravitacije, ki smo ga dobili prej. To kaže, da je vse mehansko delo sile F usmerjeno v povečanje kinetične energije drsnega telesa. Pravzaprav se zaradi sil trenja delo A vedno izkaže za večje od energije E.
