Όλοι καταλαβαίνουν ότι η εργασία είναι ένα είδος κοινωνικής δραστηριότητας ενός ατόμου που χρειάζεται για να εξασφαλίσει την ύπαρξή του. Ωστόσο, στη φυσική υπάρχει επίσης μια παρόμοια έννοια που έχει εντελώς διαφορετική σημασία. Τι είναι η εργασία στη φυσική, αυτό το άρθρο θα απαντήσει.
Εργασία ως φυσική ποσότητα
Απαντώντας στο ερώτημα τι είναι η εργασία στη φυσική, θα πρέπει να διευκρινιστεί ότι αυτή είναι η ενέργεια που δαπανάται για την εκτέλεση οποιασδήποτε ενέργειας. Για παράδειγμα, ένα άτομο μεταφέρει ένα φορτίο από το ένα μέρος στο άλλο, ενώ κάνει εργασία ενάντια στις δυνάμεις τριβής. Εάν αυτό το άτομο αρχίσει να σηκώνει το φορτίο, τότε το έργο του θα έχει ως στόχο να ξεπεράσει τη βαρυτική δύναμη του πλανήτη. Ένα άλλο παράδειγμα: το αέριο κάτω από το έμβολο, ως αποτέλεσμα της θέρμανσης, αρχίζει να αυξάνει τον όγκο του, οπότε λέγεται ότι κάνει κάποια δουλειά.
Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις, υπάρχει ένα κοινό χαρακτηριστικό: η εργασία διαφέρει από το μηδέν μόνο όταν υπάρχει κάποιο είδος μηχανικής κίνησης αντικειμένων ή μερών τους(μετακίνηση εργάτη με φορτίο, διαστολή αερίου).
Έτσι, εργασία είναι η διαδικασία μεταφοράς ενέργειας από μια κατάσταση σε άλλη για ένα δεδομένο σώμα, ως αποτέλεσμα της οποίας αυτό το σώμα αλλάζει θέση στο διάστημα.
Τύπος εργασίας
Ας δείξουμε τώρα πώς να υπολογίσουμε ποσοτικά την υπό μελέτη τιμή. Η μεταφορά ενέργειας μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων είναι δυνατή μόνο εάν υπάρχει κάποια δύναμη. Αυτό μπορεί να είναι η σωματική προσπάθεια των ανθρώπινων χεριών και ποδιών, η δύναμη των μηχανών, η πίεση που δημιουργείται, η οποία μετατρέπεται εύκολα σε δύναμη, σε περίπτωση καύσης καυσίμου σε έναν κύλινδρο, η δύναμη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής ενός ηλεκτροκινητήρα και ούτω καθεξής.
Ο ακόλουθος τύπος θα απαντήσει στην ερώτηση πώς να βρείτε δουλειά στη φυσική:
A=(F¯l¯)
Το έργο Α είναι ένα βαθμωτό μέγεθος, ενώ η δύναμη F¯ και η μετατόπιση l¯ είναι διανυσματικά μεγέθη. Γι' αυτό ο τύπος για τον υπολογισμό του Α χρησιμοποιεί παρενθέσεις για να δείξει ότι μιλάμε για το βαθμωτό γινόμενο των διανυσμάτων. Σε βαθμωτή μορφή, η παραπάνω έκφραση μπορεί να ξαναγραφτεί ως εξής:
A=Flcos(φ)
Εδώ φ είναι η γωνία μεταξύ των διανυσμάτων δύναμης F¯ και της μετατόπισης l¯.
Δεδομένου ότι η μετατόπιση μετριέται σε μέτρα και η δύναμη σε Newton, η μονάδα εργασίας είναι Newton ανά μέτρο (Nm). Η μονάδα SI έχει το δικό της όνομα, το joule (J). Αποδεικνύεται ότι το έργο του 1 J αντιστοιχεί σε μια δύναμη 1 N, η οποία, ενεργώντας κατά την κατεύθυνση της μετατόπισης, κίνησε το σώμα κατά1 μέτρο.
Εργασία αερίου
Αναλύσαμε το ερώτημα του τι είναι το μηχανικό έργο στη φυσική και δώσαμε έναν τύπο με τον οποίο μπορεί να υπολογιστεί. Στην περίπτωση των διαστελλόμενων αερίων, ωστόσο, χρησιμοποιείται διαφορετική έκφραση.
Υποθέστε ότι έχουμε ένα σύστημα αερίου που γεμίζει τον όγκο V1 και είναι υπό πίεση P. Αφήστε τον όγκο του να αλλάξει ως αποτέλεσμα κάποιας εξωτερικής ή εσωτερικής επιρροής στο σύστημα και έγινε ίσο με V2. Τότε το έργο του αερίου Α μπορεί να προσδιοριστεί με τον ακόλουθο τύπο:
A=∫V(P(V)dV)
Αν σχεδιάσετε τη συνάρτηση P(V) στους άξονες P-V, τότε η περιοχή κάτω από την καμπύλη θα είναι αριθμητικά ίση με A.
Στην περίπτωση μιας ισοβαρικής διεργασίας (P=const) για ένα ιδανικό αέριο, η απάντηση στο ερώτημα πώς να βρείτε εργασία στη φυσική θα είναι η ακόλουθη απλή έκφραση:
A=P(V2-V1)
Αν ως αποτέλεσμα μιας θερμοδυναμικής διεργασίας ο όγκος του αερίου δεν αλλάξει, τότε το έργο του θα είναι ίσο με μηδέν. Εάν V2>V1, τότε το αέριο λειτουργεί θετικά εάν V1>V 2, μετά αρνητικό.
Έργο ροπής δύναμης
Η ροπή της δύναμης είναι ένα φυσικό μέγεθος, το οποίο εκφράζεται με τον ακόλουθο τύπο:
M=[F¯r¯]
Δηλαδή, το M είναι ίσο με το διανυσματικό γινόμενο της δύναμης F και του διανύσματος ακτίνας r γύρω από τον άξονα περιστροφής. Η ροπή της δύναμης εκφράζεται σε Nm.
Ποιο είναι το έργο μιας στιγμής δύναμης στη φυσική; Σε αυτή την ερώτησηο παρακάτω τύπος θα απαντήσει:
A=Mθ
Αυτή η ισότητα σημαίνει ότι εάν η στιγμή M, που ενεργεί στο σύστημα, το κάνει να περιστρέφεται γύρω από τον άξονα κατά γωνία θ, τότε λειτουργεί Α. Η γωνία θ εδώ πρέπει να εκφραστεί σε ακτίνια για να ληφθεί το έργο σε joules.
Ο υπολογισμός του έργου της ροπής δύναμης παίζει σημαντικό ρόλο σε όλα τα μηχανικά συστήματα όπου υπάρχει περιστροφή, όπως τροχοί, γρανάζια, άξονες και ούτω καθεξής.
Έργο βαρύτητας
Έχοντας καταλάβει τι είναι η εργασία στη φυσική, ας υπολογίσουμε αυτήν την τιμή για τις δυνάμεις της βαρύτητας. Ας υποθέσουμε ότι ένα σώμα μάζας m πέφτει από ύψος h. Εφόσον η βαρύτητα F δρα κατακόρυφα προς τα κάτω, έχει θετική δράση. Καθορίζεται από τον ακόλουθο τύπο:
A=mgh, όπου F=mg
Πολλοί στον τύπο που προκύπτει για την τιμή του Α μπορούν να δουν την έκφραση για τη δυναμική ενέργεια ενός σώματος στο πεδίο των βαρυτικών δυνάμεων. Κατά την πτώση του σώματος, η βαρύτητα κάνει το έργο της μεταφοράς της δυναμικής ενέργειας του σώματος στην κινητική ενέργεια της κίνησής του.
