Механическая работа

Наши повседневные действия сводятся к тому, что мы используем мышцы для перемещения окружающих вещей или их останавливаем. Эти вещи - инструменты (лопата, молоток, отвертка), в играх— ракетки, мячи, машинки. На производстве и в сельском хозяйстве люди также приводят в движение орудия труда. Механические движения вещей (в физике их называют «тело») окружают нас везде. Например, в процессе работы на тело действует сила для изменения его положения — перемещение грузов на складе или вещей при уборе дома. Или, наоборот, против него действует сила (или несколько усилий) со стороны другого тела (других тел) уменьшающая его скорость — остановить мяч, который катится в ворота. Результат — перемещение или изменения тела под воздействием этой силы. Рассмотрим, как найти работу в физике и почему сила может быть с отрицательным знаком, если работаешь весь день.

Механическая работа – что это в физике

Механическая работа представляет собой величину, которая зависит от силы, действующей на тело, и пути, который тело преодолевает. Работа в физике рассчитывается в джоулях (Дж). Например, надо поднять коляску на 5 этаж в доме без лифта. Тогда физический показатель определим из параметров веса коляски и этажом, на который нужно ее поднять.

Механическая работа рассчитывается по формуле:

A = F × S

Где A — механическая работа (Дж);

F — приложенная сила (Н);

S — путь (м).

Важно! Если воздействие силы равное 1 ньютону приведет к смещению тела на 1 метр, значит данная сила произвела работу в размере 1 джоуля.

Так как сила и путь векторные величины, то между ними может образоваться угол, тогда формула для расчета имеет вид:

A = F × Scosα

Где α — угол, образованный векторами силы и перемещения.

Интересный факт, что результат расчета может быть отрицательным, если вектор движения силы будет противоположным вектору скорости. Проще говоря, если тело не движется от размера силы, придаваемой для его движения, а еще и противостоит ему то она противодействующая. Это как идти против очень сильного ветра. В зависимости от веса каждого из нас, многих уносит в буквальном смысле слова.

Для эффективной работы нужно соблюдение 2 условий:

• сила воздействовала на тело;
• тело двигается под ее воздействием.

Иногда тело может не двигается с одной точки, значит нет механической работы. Например, толкните трамвай? Он не совершит движения, так как очень тяжелый, значит сила будет равна 0.

Механическая работа будет нулевой в следующих случаях:

• Тело не двигается под воздействием силы;
• Тело двигается по инерции без воздействия силы;
• Угол, образованный векторами силы и перемещения прямой.

Полезная и затраченная работа

В мифологии Древней Греции известный персонаж Сизиф однажды обманул богов. В наказание боги заставили его поднимать огромный камень вверх на гору. Камень постоянно скатывался вниз, Сизиф снова поднимал и так продолжалось до бесконечности. Сизиф делал бесполезное дело, а коэффициент полезного труда равнялся 0. Поэтому существует такое выражение «сизифов труд», которым называют безрезультатную работу, как воду носить в решете.

Если бы камень не скатывался, то КПД был бы выше 0 и работа стала полезной.

Полезная работа

Полезная работа всегда равняется потенциальной энергии, которую приобретет камень. А энергия прямо пропорциональна высоте горы. Ведь чем выше Сизиф его закатит. Тем выше его потенциальная энергия.

Потенциальная энергия измеряется по формуле:

Где m — масса тела (кг);

g — ускорение свободного падения (м/с²);

h — высота (м).

Важно! Ускорение Земли g ≈ 9,8м/с²

Таким образом, полезная работа относится к работе, которая направлена на достижение основной цели процесса. Например, для лифта полезной работой будет подъем груза или людей на определенную высоту, а для автомобиля — перемещение на определенное расстояние. Проще говоря, это работа, для которой предназначен инструмент или техника.

Затраченная работа

Затраченная работа у Сизифа — это его механическая работа — приложенная сила и расстояние, на которое нужно закатить камень. Формула для определения механической работу приведена выше.

Получается затраченная работа, включает в себя всю энергию, потраченную системой для выполнения задачи. Это не только полезная работа, но и работа, потраченная на преодоление различных видов потерь, таких как трение, сопротивление воздуха, тепловые потери и другие неэффективности. В идеальном, без потерь мире, затраченная работа была бы равна полезной работе, но на практике это почти никогда не так.

Чтобы определить какая работа является полезной. А какая затраченной задайте себе 2 вопроса:

1. Какая сила двигает тело?
2. Ради какого результат необходимо движение тела?

Сизиф двигает своей силой камень чтобы он поднялся на гору, а значит приобрел энергию. Так как Сизиф двигает камень — он делает затраченную работу.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с примерами, где важно понимать разницу между полезной и затраченной работой. Например, при выборе бытовой техники мы часто обращаем внимание на ее энергоэффективность, которая является отражением КПД. Энергоэффективные устройства потребляют меньше энергии для выполнения той же работы, что и менее эффективные, что приводит к экономии ресурсов и снижению затрат

Но кроме физической силы есть механическая — сила машин и оборудования на производственных предприятиях. Например, нужно закрыть крышки на 100 бутылках воды. Робот сделает работу за 3 минуты, тогда как человек потратит не менее часа. Получается, что одна и так же работа выполняется разное время. Чтобы измерить скорость выполнения механической работы нужна формула мощности.

Мощность — физическая величина, которая равна отношению работы и времени ее выполнения.

Мощность рассчитывается по формуле:

Где N — мощность (Вт);

A — механическая работа (Дж);

t — время (секунд).

Ватт — мощность, при которой работа равная 1 джоулю совершается за 1 секунду.

Есть еще одна формула мощности:

N = F × ∨

Где F — приложенная сила;

∨ — скорость (метров/секунду).

Как и для механической работы, для мощности действует правило знаков: если векторы направлены в противоположные стороны, мощность будет отрицательной.

Сила и скорость тоже векторные величины, которые могут быть соединены под углом, тогда мощность рассчитывается по формуле:

N = F × ∨cosα

Где α — угол между векторами силы и скорости.

Задачи для самопроверки – примеры и решение

Рассмотрим задачи по теме.

Задача 1.

Ложка погружается в банку меда под силой тяжести. Вязкость продукта не дает ей опуститься быстро. Какая сила совершает положительную работу, а какая отрицательную?

Ответ: Так как ложка падает ее движение направлено вниз. Способствует такому движению сила тяжести. Значит она и выполняет положительную работу. С отрицательным знаком работа у силы вязкости и чем гуще продукт, тем больше будет такая сила. Сила трения влияния не оказывает и равна 0.

Задача 2.

Ящик тянут веревкой, длина которой 40 метров с постоянной скоростью. Поверхность горизонтальная без наклонов. Модульное значение силы трения соответствует 80Н. Определите силу тяги на 1 обороте?

Ответ: Если ящик перемещают с одной силой, то изменения кинетической энергии не будет. Энергия, направленная на движение ящика и механическую работу силы трения по поверхности поступает благодаря силы тяги:

Задача 3.

Тело весом 2 кг под воздействием силы перемещается по наклону на 5 метров. При движении вверх расстояние от земли увеличилось и составило 3 метра. Вектор силы обеспечивает движение ящика параллельно поверхности и составляет 30Н. Какую работу совершила сила при перемещении тела?

Ответ: Так как нужно найти силу при движении тела под наклоном в расчет возьмем силу и длину пути. Рассчитаем работу силы:

A = F × I = 30 × 5 = 150 Дж

FAQ

Как связаны работа и энергия?

Работа и энергия тесно связаны, так как работа является мерой передачи или преобразования энергии. Если на тело влияет работа его энергия изменяется — увеличивается или замедляется. Это соотношение описывается законом сохранения энергии.

Может ли механическая работа быть отрицательной?

Да. Физический показатель может быть отрицательным, если влияние силы оказывает действие, мешающее движению тела. Это означает, что энергия передается от объекта, а не к нему.

Что такое КПД?

Коэффициент полезного действия — разница между полезной и затраченной работой. Коэффициент рассчитывается как отношение 2 видов работ, где числитель — полезная работа, знаменатель — затраченная. Полученный результат требуется умножить на 100. КПД является важным показателем во многих областях, включая производство, транспорт, энергетику и другие. Он позволяет нам сравнивать различные системы и машины, а также искать способы улучшения их работы, сокращения потерь и повышения общей эффективности.

Вместо вывода сделаем резюме по статье:

1. Механическая работа появляется только тогда, когда тело начинает движение.
2. Механическая работы — показатель равный произведению силы на расстояние и косинуса угла, образованного векторами.
3. Работа рассчитывается по формуле (в зависимости от исходных данных они отличаются), а результат получается в джоулях.
4. Механическая работа — показатель, который может быть отрицательным, положительным или нулевым.