Механічна робота – фізика простими словами

3 роки тому 0

Фізика – слово, яке в одних людей викликає захват, в той час як в інших від нього пробігають мурашки по тілу. Перше враження, яке у вас склалось, багато в чому залежить від того шкільного вчителя, який викладав вам цей предмет. Тому шкода, якщо у вас залишились лише негативні спогади. Адже фізика – це дивовижна наука, яка допомагає пізнати світ, що нас оточує, а також зрозуміти його закони та правила.

Коли ми кажемо, що фізика може пояснити майже все, ми не гіперболізуємо. Кожен ваш рух, кожна ваша діяльність – це не лише про співпрацю людського тіла з мозком, а й про фізику, а точніше – механічну роботу. І зараз ми вам це доведемо.

Якщо простими словами, то механічна робота – це фізична величина, яка вимірюється прикладеною до тіла силою та шляхом, який подолало це тіло. Її формула виглядає так:

A = FS

До прикладу, вам потрібно підняти важку посилку сходами до квартири. В такій ситуації роботу визначаємо за допомогою двох чинників: скільки важить посилка, та на якому поверсі знаходиться квартира.

У чому вимірюється робота?

Вище ми вже згадували про вигляд формули механічної роботи, де A=FS. Тобто для розрахунку роботи (А), нам потрібно чисельне значення прикладеної тілом сили (F) помножити на шлях (S), яке подолало тіло у напрямку сили.

Кожне із цих значень мають свої величини вимірювання. Сила вимірюється в ньютонах (Н), шлях – у метрах (м), а робота – в джоулях (Дж). Щоби легше було це зрозуміти, наведемо простий приклад: якщо тіло перемістилося на відстань в 1 метр під дією сили в 1 ньютон, то, за формулою A=1F*1S, виконана робота становитиме 1 джоуль.

Робота (А) – це скалярна величина, тобто вона не має напрямку. Проте його може мати шлях (F) та сила (S), оскільки вони є векторними величинами. Саме тому в більш складних випадках із заданим вектором, формула роботи може виглядати наступним чином:

А = FScosα

Давайте поглянемо на таку ситуацію: віслюк тягне віз із зерном по дорозі. В такій ситуації нашими вихідними даними для знаходження значення роботи є не лише шлях, який подолала тварина та сила, яку вона приклала, а й напрям цієї сили.

Можливі значення механічної роботи

Як ви вже могли зрозуміти з останнього прикладу, значення роботи може бути не лише додатним, а й нульовим чи навіть від’ємним. Все залежить від напрямку сили у співвідношенні із напрямком руху тіла.

В ситуації із віслюком, робота сили тяги тварини буде додатною, оскільки тут відбувається переміщення в напрямку дії сили – тобто напрямок сили в даному випадку збігається із напрямком руху тіла.

Механічна робота буде дорівнювати нулю якщо напрямок сили перпендикулярний у співвідношенні із напрямком руху тіла. Крім цього, нульове значення роботи виникає ще у двох випадках: коли об’єкт переміщується по інерції без доданої сили, або ж коли відсутнє переміщення при доданій силі.

Якщо напрямок сили буде протилежний напрямку руху, то значення роботи буде від’ємним. Яскравим прикладом цьому є м’яч, кинутий вертикально вгору. Оскільки на нього діє сила тяжіння, що протилежна напрямку руху, то в цьому випадку робота сили його ваги буде від’ємною.

Кожне тіло, що здійснює ту чи іншу роботу, крім вищезазначених, має ще два значення: корисна та затрачена робота.

Корисна робота – це, по суті, та мінімальна робота, яку потрібно виконати, якщо ви хочете перемістити чи підняти той чи інший предмет на певну висоту. Вона завжди дорівнює зміні потенціальної енергії тіла. А потенційну енергію, в свою чергу, ми визначаємо за формулою:

Еп = mgh,

де m – маса тіла (в кілограмах), g – прискорення вільного падіння (на нашій планеті це значення завжди ≈ 9,8 м/с2 ), а h – висота (у метрах).

Затрачена робота – це механічна робота, необхідна для здійснення переміщення чи піднесення того ж таки предмета. Відношення між корисною і затраченою роботою називають коефіцієнтом корисної дії (ККД), який вимірюється у відсотках:

ККД = А корисна \ А затрачена

А оскільки затрачена робота, крім зміни потенціальної енергії, витрачається також і на роботу проти сили опору, то ККД завжди менше 100%.

Потужність

Ще одне фізична величина, яку варто розібрати, говорячи про механічну роботу, це потужність. Вона визначається співвідношенням механічної роботи із часом, який було затрачено на її виконання. Наприклад, потужність автоматизованої машини, яка загортає шоколад в обгортки буде більшою, ніж потужність людини за цією ж самою роботою. Із цього простого співвідношення випливає формула:

N = A/t,

де N – це потужність (вимірюється у Ватах). Тобто робота в 1 джоуль, яка виконується за 1 секунду, матиме потужність в 1 Ват.

Існує ще одна формула потужності, яка виглядає так:

N = Fv

Тут F позначає прикладену силу (Н), а v – швидкість (м\с).

Так само як і зі значеннями механічної роботи, в залежності від заданого вектору, потужність може бути додатною і від’ємною. В такому випадку ми використовує наступну формулу для визначення потужності:

N = Fvcosα,

де cosα – кут, отриманий між векторами сили (F) та швидкості (v).

Приклади розв’язування задач

№	Задача	Розв’язок
1	Велосипед поволі тоне у трясовинні. На нього діє сила земного тяжіння, сила тертя та виштовхувальна сила. Завдання: із вищезазначених укажіть силу, яка виконує додатну роботу при русі цього тіла.	Додатну роботу виконує сила тяжіння, оскільки її вектор спрямований в ту ж сторону, що й переміщення тіла.
2	Батько перемістив візочок із сином по дорозі на відстань у 10 м. Для цього він використав горизонтальну силу в 100 Н. Завдання: визначте роботу, яку виконав батько.	Нам дано: s = 10 м. F = 100 Н. А – ? Для розв’язання цієї задачі потрібно лише підставити дані у відому формулу: A = Fs. [А] = Нм = Дж. А = 100*10 = 1000 (Дж).
3	Підйомний кран піднімає на 50-метрову висоту балку, вагою в 10 кг. Завдання: з’ясуйте роботу, яку виконує підйомний кран.	Нам дано: s = 50 м. m = 10 кг. Розв’язування: 1. Щоби підняти балку, спершу потрібно подолати силу тяжіння, яка на неї діє. Тобто сила (F), з якою піднімається тіло, дорівнює силі земного тяжіння (g) – нагадуємо, на нашій планеті воно завжди близько 9,8 (заокруглюємо до 10).; 2. Дещо змінюємо відому формулу, підставляючи всі необхідні дані: A = smg. [A] = мкгН\кг. А = 501010 = 5000 (Дж).