Седьмой класс → Энергия, работа и мощность ↓
Работа, совершаемая силой, и её расчет
В повседневной жизни мы постоянно говорим о работе. Однако концепция работы в физике достаточно специфична. Когда мы обсуждаем работу в контексте физики, мы описываем что-то совсем другое по сравнению с повседневным использованием этого слова. Работа в физике связана с силами и перемещениями, которые они вызывают.
Что такое работа в физике?
В физике работа совершается, когда сила вызывает ускорение объекта. Чтобы работа была выполнена, должны произойти три вещи:
- К объекту должна быть приложена сила.
- Объект должен двигаться в направлении действия силы.
- Перемещение объекта должно быть в направлении действия силы.
Работа, совершаемая силой, рассчитывается по следующей формуле:
Работа (W) = Сила (F) x Расстояние (d) x cos(θ)Где:
- W — работа (измеряется в джоулях, Дж).
- F — приложенная сила (в ньютонах, Н).
- d — расстояние, на котором приложена сила (в метрах, м).
- θ — угол между силой и направлением движения.
Понимание компонентов
Рассмотрим каждый из этих компонентов подробнее:
Сила (F)
Сила — это толчок или тяга, приложенные к объекту. Она измеряется в ньютонах (Н). Например, когда вы толкаете тележку для покупок, вы прикладываете к ней силу. Чем больше сила, которую вы прикладываете, тем больше работы вы можете выполнить.
Расстояние (d)
Расстояние — это расстояние, которое проходит объект, когда к нему приложена сила. В контексте работы важно отметить, что пройденное расстояние должно быть в направлении силы, чтобы работа была выполнена. Если объект не двигается, независимо от того, насколько велика приложенная сила, никакая работа не выполняется.
Угол (θ)
Угол θ важен, потому что он определяет компонент силы, который совершает работу. Если сила приложена в том же направлении, что и движение, то θ равен 0 градусов, и формула упрощается до:
Работа (W) = Сила (F) x Расстояние (d)Если сила перпендикулярна направлению движения, например при перемещении тяжелого объекта по ровной поверхности, то θ равен 90 градусов, и работа в направлении движения не совершается.
Пример для демонстрации выполненной работы
Пример 1:
Представьте, что вы тянете сани по снегу. Вы прикладываете силу в 10 Н на расстоянии 5 м в том же направлении, в котором движетесь. Сколько работы выполнено?
Поскольку сила и скорость находятся в том же направлении, θ равен 0 градусов.
Работа (W) = 10 Н x 5 мx cos(0°)Так как cos(0°) = 1, расчет будет следующим:
Работа (W) = 10 Н x 5 м = 50 ДжТаким образом, была выполнена работа в 50 джоулей.
Визуальный пример:
Эта диаграмма показывает силу, приложенную горизонтально на прямом расстоянии. Вектор силы и расстояния выровнены.
Пример 2:
Предположим, вы поднимаете коробку весом 20 Н на высоту 3 м. Сколько работы будет выполнено?
В этом сценарии сила (20 Н) направлена в сторону перемещения (3 м вверх), так что θ равен 0.
Работа (W) = 20 Н x 3 мx cos(0°)Упрощение следующее:
Работа (W) = 20 Н x 3 м = 60 ДжТаким образом, была выполнена работа в 60 джоулей.
Ситуация без работы
Существуют ситуации, когда к объекту прикладывается сила, но работа не выполняется. Это происходит, когда:
- Сила перпендикулярна направлению движения.
- Перемещения объекта нет.
Пример 3:
Если вы сильно толкаете стену, но стена не движется, вы прилагаете силу, но так как перемещения нет, работа не выполняется.
Визуализация сил и работы
Часто проще понять, как работа выполняется, с помощью визуального пособия. Ниже приведен пример, иллюстрирующий силы под углом:
Эта диаграмма показывает силу, приложенную под углом θ к горизонтальному направлению движения. Горизонтальная компонента силы выполняет работу, а вертикальная нет.
Заключение
Понимание работы в физике связано с признанием взаимодействия силы, расстояния и угла между ними. Понимание этих концепций позволяет нам рассчитывать передачу энергии в различных сценариях, что является основополагающим в физике и инженерии.
Продолжая изучать физику, запоминание этих базовых концепций поможет вам понять более сложные идеи, связанные с энергией, мощностью и машинами.
Комментарии