Οποιαδήποτε κίνηση ενός σώματος στο χώρο, που οδηγεί σε αλλαγή της συνολικής του ενέργειας, σχετίζεται με την εργασία. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τι είναι αυτή η ποσότητα, με ποια μηχανική εργασία μετράται και πώς δηλώνεται, και θα λύσουμε επίσης ένα ενδιαφέρον πρόβλημα σχετικά με αυτό το θέμα.
Εργασία ως φυσική ποσότητα
Πριν απαντήσουμε στην ερώτηση με ποια μηχανική εργασία μετράται, ας εξοικειωθούμε με αυτήν την τιμή. Σύμφωνα με τον ορισμό, έργο είναι το βαθμωτό γινόμενο της δύναμης και του διανύσματος μετατόπισης του σώματος που προκάλεσε αυτή η δύναμη. Μαθηματικά, μπορούμε να γράψουμε την ακόλουθη ισότητα:
A=(F¯S¯).
Οι στρογγυλές αγκύλες υποδεικνύουν το προϊόν με κουκκίδες. Δεδομένων των ιδιοτήτων του, ρητά αυτός ο τύπος θα ξαναγραφεί ως εξής:
A=FScos(α).
Όπου α είναι η γωνία μεταξύ των διανυσμάτων δύναμης και μετατόπισης.
Από τις γραπτές εκφράσεις προκύπτει ότι το έργο μετριέται σε Newton ανά μέτρο (Nm). Ως γνωστόν,αυτή η ποσότητα ονομάζεται τζάουλ (J). Δηλαδή, στη φυσική, το μηχανικό έργο μετριέται σε μονάδες εργασίας Joules. Ένα Joule αντιστοιχεί σε ένα τέτοιο έργο, στο οποίο μια δύναμη ενός Newton, που ενεργεί παράλληλα με την κίνηση του σώματος, οδηγεί σε αλλαγή της θέσης του στο διάστημα κατά ένα μέτρο.
Όσον αφορά τον προσδιορισμό της μηχανικής εργασίας στη φυσική, θα πρέπει να σημειωθεί ότι το γράμμα Α χρησιμοποιείται συχνότερα για αυτό (από τα γερμανικά ardeit - εργασία, εργασία). Στην αγγλόφωνη λογοτεχνία, μπορείτε να βρείτε τον προσδιορισμό αυτής της τιμής με το λατινικό γράμμα W. Στη ρωσική λογοτεχνία, αυτό το γράμμα προορίζεται για δύναμη.
Εργασία και ενέργεια
Καθορίζοντας το ερώτημα πώς μετριέται το μηχανικό έργο, είδαμε ότι οι μονάδες του συμπίπτουν με εκείνες για την ενέργεια. Αυτή η σύμπτωση δεν είναι τυχαία. Το γεγονός είναι ότι η θεωρούμενη φυσική ποσότητα είναι ένας από τους τρόπους εκδήλωσης της ενέργειας στη φύση. Οποιαδήποτε κίνηση σωμάτων σε πεδία δύναμης ή απουσία τους απαιτεί ενεργειακό κόστος. Τα τελευταία χρησιμοποιούνται για την αλλαγή της κινητικής και δυναμικής ενέργειας των σωμάτων. Η διαδικασία αυτής της αλλαγής χαρακτηρίζεται από την εργασία που γίνεται.
Η ενέργεια είναι θεμελιώδες χαρακτηριστικό των σωμάτων. Αποθηκεύεται σε απομονωμένα συστήματα, μπορεί να μετατραπεί σε μηχανικές, χημικές, θερμικές, ηλεκτρικές και άλλες μορφές. Η εργασία είναι μόνο μια μηχανική εκδήλωση ενεργειακών διεργασιών.
Εργασία σε αέρια
Η έκφραση που γράφτηκε παραπάνω λειτουργείείναι βασικό. Ωστόσο, αυτός ο τύπος μπορεί να μην είναι κατάλληλος για την επίλυση πρακτικών προβλημάτων από διαφορετικούς τομείς της φυσικής, επομένως χρησιμοποιούνται άλλες εκφράσεις που προέρχονται από αυτόν. Μια τέτοια περίπτωση είναι η δουλειά που κάνει το αέριο. Είναι βολικό να το υπολογίσετε χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
A=∫V(PdV).
Εδώ P είναι η πίεση στο αέριο, V είναι ο όγκος του. Γνωρίζοντας σε ποια μηχανική εργασία μετριέται, είναι εύκολο να αποδειχθεί η εγκυρότητα της ολοκληρωμένης έκφρασης, πράγματι:
Pam3=N/m2m3=N m=J.
Σε γενική περίπτωση, η πίεση είναι συνάρτηση του όγκου, επομένως το ολοκλήρωμα μπορεί να πάρει αυθαίρετη μορφή. Στην περίπτωση μιας ισοβαρικής διεργασίας, η διαστολή ή η συστολή ενός αερίου συμβαίνει σε σταθερή πίεση. Στην περίπτωση αυτή, το έργο του αερίου είναι ίσο με το απλό γινόμενο της τιμής P και τη μεταβολή του όγκου του.
Εργαστείτε ενώ περιστρέφετε το σώμα γύρω από τον άξονα
Η κίνηση της περιστροφής είναι ευρέως διαδεδομένη στη φύση και την τεχνολογία. Χαρακτηρίζεται από τις έννοιες των ροπών (δύναμη, ορμή και αδράνεια). Για να προσδιορίσετε το έργο των εξωτερικών δυνάμεων που προκάλεσαν την περιστροφή ενός σώματος ή συστήματος γύρω από έναν συγκεκριμένο άξονα, πρέπει πρώτα να υπολογίσετε τη στιγμή της δύναμης. Υπολογίζεται ως εξής:
M=Fd.
Όπου d είναι η απόσταση από το διάνυσμα της δύναμης έως τον άξονα περιστροφής, ονομάζεται ώμος. Η ροπή M, η οποία οδήγησε στην περιστροφή του συστήματος μέσω μιας γωνίας θ γύρω από κάποιον άξονα, κάνει την ακόλουθη εργασία:
A=Mθ.
Εδώ Μεκφράζεται σε Nm και η γωνία θ είναι σε ακτίνια.
Εργασία φυσικής για μηχανικές εργασίες
Όπως ειπώθηκε στο άρθρο, τη δουλειά την κάνει πάντα αυτή ή η άλλη δύναμη. Εξετάστε το ακόλουθο ενδιαφέρον πρόβλημα.
Το σώμα βρίσκεται σε ένα επίπεδο που έχει κλίση προς τον ορίζοντα υπό γωνία 25o. Γλιστρώντας προς τα κάτω, το σώμα απέκτησε κάποια κινητική ενέργεια. Είναι απαραίτητο να υπολογιστεί αυτή η ενέργεια, καθώς και το έργο της βαρύτητας. Η μάζα ενός σώματος είναι 1 κιλό, η διαδρομή που διανύει κατά μήκος του αεροπλάνου είναι 2 μέτρα. Η αντίσταση τριβής ολίσθησης μπορεί να παραμεληθεί.
Δείχθηκε παραπάνω ότι μόνο το μέρος της δύναμης που κατευθύνεται κατά μήκος της μετατόπισης λειτουργεί. Είναι εύκολο να δείξουμε ότι στην περίπτωση αυτή το ακόλουθο τμήμα της δύναμης της βαρύτητας θα ενεργήσει κατά μήκος της μετατόπισης:
F=mgsin(α).
Εδώ α είναι η γωνία κλίσης του επιπέδου. Τότε η εργασία υπολογίζεται ως εξής:
A=mgsin(α)S=19,810,42262=8,29 J.
Δηλαδή, η βαρύτητα λειτουργεί θετικά.
Τώρα ας προσδιορίσουμε την κινητική ενέργεια του σώματος στο τέλος της κατάβασης. Για να το κάνετε αυτό, θυμηθείτε τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα και υπολογίστε την επιτάχυνση:
a=F/m=gsin(α).
Δεδομένου ότι η ολίσθηση του σώματος επιταχύνεται ομοιόμορφα, έχουμε το δικαίωμα να χρησιμοποιήσουμε τον αντίστοιχο κινηματικό τύπο για τον προσδιορισμό του χρόνου κίνησης:
S=at2/2=>
t=√(2S/a)=√(2S/(gsin(α))).
Η ταχύτητα του σώματος στο τέλος της κατάβασης υπολογίζεται ως εξής:
v=at=gsin(α)√(2S/(gsin(α)))=√(2Sgsin(α)).
Η κινητική ενέργεια της μεταγραφικής κίνησης προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη έκφραση:
E=mv2/2=m2Sgsin(α)/2=mSgsin(α).
Πήραμε ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα: αποδεικνύεται ότι ο τύπος για την κινητική ενέργεια ταιριάζει ακριβώς με την έκφραση για το έργο της βαρύτητας, που ελήφθη νωρίτερα. Αυτό δείχνει ότι όλο το μηχανικό έργο της δύναμης F στοχεύει στην αύξηση της κινητικής ενέργειας του ολισθαίνοντος σώματος. Στην πραγματικότητα, λόγω των δυνάμεων τριβής, το έργο Α αποδεικνύεται πάντα μεγαλύτερο από την ενέργεια E.
