§ 37. Робота сили. Механічна робота

1. Робота — фізична величина. Слово «робота» ми часто використовуємо у побутовій мові, маючи на увазі виконання певних дій — фізичних або розумових. Проте у фізиці поняття роботи набуває наукового змісту — це фізична величина, яку можна якісно і кількісно оцінити. Термін «механічна робота» (або «робота сили») використовується лише тоді, коли під дією сили відбувається переміщення тіла. Наприклад, людина піднімає вантаж (рис. 204), кінь везе воза (рис. 205), буксир тягне баржу (рис. 206). Все це приклади виконання механічної роботи.

Ці та інші приклади показують, що механічна робота виконується за двох умов: якщо є прикладена сила і є переміщення тіла внаслідок дії цієї сили. Ці дві умови називають ознаками виконання роботи.

Робота виконується й тоді, коли сила, діючи на тіло, зменшує його швидкість. Це, наприклад, робота сили тертя, робота сили тяжіння під час руху тіла вгору.

Якщо ж, незважаючи на дію сили, переміщення тіла не відбувається, то сила ніякої роботи не виконує — робота дорівнює нулю. Це має місце у випадку, коли переміщення відбувається у напрямі, перпендикулярному до напряму сили.

2. Від чого залежить значення виконаної роботи? Чим більша сила діє на тіло, тим більшою є виконана цією силою робота. З іншого боку, чим більшою буде відстань, на яку переміщується тіло під дією сили, тим більшу роботу ця сила виконає.

Рис. 204. Людина, піднімаючи вантаж, виконує роботу

Рис. 205. Кінь виконує роботу, коли везе воза

Рис. 206. Буксир тягне баржу, виконуючи при цьому роботу

Робота залежить від величини прикладеної сили та переміщення

Джеймс Джоуль (1818-1889)

На практиці використовують кратні й дольні одиниці роботи: кілоджоуль (кДж), мегаджоуль (МДж), міліджоуль (мДж):

1 кДж = 1000 Дж = 10 3 Дж;

1 МДж = 1000 000 Дж = 10 6 Дж;

1 мДж = 0,001 Дж

Механічна робота (робота сили) — це фізична величина, яка дорівнює добутку сили, що діє на тіло, на переміщення тіла у напрямі дії цієї сили. Механічна робота (робота сили) позначається літерою А. Отже, робота сили = сила x відстань або A = Fs, де А — робота сили, F — величина сили, s — переміщення тіла під дією сили.

Надалі замість термінів «механічна робота» або «робота сили» будемо користуватись терміном «робота».

3. Одиниця роботи. Одиницею роботи в СІ є джоуль (1 Дж), названа на честь видатного англійського фізика Джеймса Джоуля (1818-1889).

1 Дж — це робота, яка виконується силою 1 Н на відстані 1 м.

1 Дж = 1 Н • 1 м = 1 Н • м.

4. Приклад обчислення роботи.

Приклад 1. Яку роботу треба виконати, щоб забезпечити рівномірний рух санчат масою 60 кг на відстані 10 м? Вважати, що коефіцієнт тертя санчат по снігу дорівнює 0,02.

Подумайте і дайте відповідь

• 1. Назвіть дві ознаки того, що має місце виконання роботи.
• 2. Наведіть приклади виконання роботи. 3. Від чого залежить значення виконаної роботи?
• 4. За допомогою якої формули обчислюють роботу?
• 5. Яка одиниця роботи в СІ? Назвіть кратні й дольні одиниці роботи.
• 6. Чи може робота дорівнювати нулю?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

1. Поясніть, в якому із наведених нижче явищ сила тяжіння виконує роботу:

• а) куля котиться горизонтальною поверхнею;
• б) куля підвішена до нерухомого підвісу;
• в) парашутист опускається на тренувальний майданчик.

2. Людина переміщує вантаж на відстань 50 м, прикладаючи до нього силу 300 Н. Яку роботу виконує при цьому людина?

Яке визначення роботи у фізиці?

У фізиці робота визначається як сила , яка спричиняє рух або переміщення об’єкта. У разі постійної сили робота є скалярним добутком сили, що діє на об’єкт, і переміщення, викликаного цією силою. Хоча і сила, і переміщення є векторними величинами, робота не має напрямку через природу скалярного добутку (або скалярного добутку) у векторній математиці . Це визначення узгоджується з правильним визначенням, тому що постійна сила інтегрується лише як добуток сили та відстані.

Читайте далі, щоб дізнатися кілька реальних прикладів роботи, а також як розрахувати обсяг виконаної роботи.

Приклади роботи

Прикладів роботи в повсякденному житті багато. Кабінет фізики зазначає декілька: кінь тягне плуг по полю; батько, що штовхає візок з продуктами по проходу продуктового магазину; студентка тримає на плечі рюкзак, повний книг; важкоатлет, що піднімає штангу над головою; і олімпієць, який запускає штовхання ядра.

Загалом, щоб виникла робота, на об’єкт має діяти сила, яка змушує його рухатися. Отже, розчарована людина штовхається об стіну, щоб виснажити себе, не виконує жодної роботи, оскільки стіна не рухається. Але падіння книги зі столу та удар об землю вважатиметься роботою, принаймні з точки зору фізики, тому що на книгу діє сила ( гравітація ), яка змушує її зміщуватися вниз.

Що не працює

Цікаво, що офіціант, який тримає піднос високо над головою, спираючись на одну руку, рівномірним кроком ходить по кімнаті, може подумати, що він важко працює. (Він може навіть пітніти.) Але, за визначенням, він не виконує жодної роботи. Правда, офіціант використовує силу, щоб підштовхнути піднос над головою, і також правда, піднос рухається по кімнаті, коли офіціант йде. Але сила — підняття офіціантом таці — не змушує тацю рухатися. «Щоб викликати зсув, у напрямку зміщення має бути компонент сили», — зазначає The Physics Classroom.

Розрахункова робота

Основний розрахунок роботи насправді досить простий:

Тут «W» означає роботу, «F» — силу, а «d» — переміщення (або відстань, яку проходить об’єкт). Фізика для дітей наводить такий приклад задачі:

Бейсболіст кидає м’яч із силою 10 Ньютонів . М’яч пролітає 20 метрів. Яка загальна робота?

Щоб розв’язати її, вам спочатку потрібно знати, що ньютон визначається як сила, необхідна для забезпечення маси в 1 кілограм (2,2 фунта) з прискоренням 1 метр (1,1 ярда) на секунду. Ньютон, як правило, скорочено “N.” Отже, використовуйте формулу:

W = 10 Н * 20 метрів (де символ “*” означає час)

Робота = 200 джоулів

Джоуль , термін , який використовується у фізиці, дорівнює кінетичній енергії 1 кілограма, що рухається зі швидкістю 1 метр на секунду.

У чому вимірюється механічна робота? Формула для роботи газу і моменту сили. Приклад завдання

Будь-яке переміщення тіла в просторі, що призводить до зміни повної енергії, пов’язане з роботою. У цій статті розглянемо, що це за величина, що вимірюється механічна робота, і як вона позначається, а також вирішимо цікаву задачу по цій темі.

Робота як фізична величина

Перед тим як відповісти на питання, у чому вимірюється механічна робота, познайомимося з цією величиною. Згідно з визначенням, робота являє собою скалярний добуток сили на вектор переміщення тіла, що ця сила викликала. Математично можна записати наступне рівняння:

Круглі дужки вказують на скалярний добуток. Враховуючи його властивості, в явному вигляді ця формула перепишеться так:

Де α є кутом між векторами сили і переміщення.

Із записаних виразів випливає, що робота вимірюється в Ньютонах на метр (Н*м). Як відомо, ця величина називається джоулем (Дж). Тобто у фізиці механічна робота в одиницях роботи Джоулях вимірюється. Одному Джоулю відповідає така робота, при якій сила в один Ньютон, діючи паралельно переміщенню тіла, призводить до зміни його положення в просторі на один метр.

Що стосується позначення механічної роботи у фізиці, то слід зазначити, що для цього найчастіше користуються буквою A (від нім. ardeit – праця, робота). В англомовній літературі можна зустріти позначення цієї величини латинською буквою W. В російськомовній літературі ця буква зарезервована для позначення потужності.