Механическая работа – это скалярная физическая величина, которая характеризует изменение положения тела под действием силы и равна произведению модуля силы на модуль перемещения (путь).
A = Fs
За единицу измерения работы в СИ принят 1 джоуль .
[А] = 1Н×1м = 1 Дж
Анализ формулы механической работы:
1. Работа силы положительная
А > 0
, если направление силы и направление перемещения совпадают;
Пример: кот падает с крыши. Направление движение кота совпадает с направлением действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести положительная .
2. Работа силы отрицательна
А < 0
, если направление силы и направление перемещения направлены в противоположные стороны;
Пример: кота подбросили вверх. Направление движение кота противоположно направлению действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести отрицательная .
3. Работа силы равна нулю
А = 0
, если
1. под действием силы тело не перемещается, т.е когда s = 0
2. величина силы равна нулю, т.е. F = 0
3. угол
между направлениями перемещения и силой равен 90°.
Пример: кот просто идёт по дорожке. Направление движения кота перпендикулярно направлению действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести равна нулю .
Если построить график зависимости значения силы от перемещения (пути), пройдённого телом, то этот график будет представлять собой отрезок прямой, параллельной оси перемещения (пути).
Из рисунка видно, что заштрихованная область под графиком представляет собой прямоугольник со сторонами F и s. Площадь данного прямоугольника равна F s.
Геометрический смысл механической работы
заключается в том, что работа силы численно
равна площади фигуры под графиком зависимости силы от перемещения тела.
Определение
В том случае, если под воздействием силы происходит изменение модуля скорости движения тела, то говорят о том, что сила совершает работу . Считают, что если скорость увеличивается, то работа является положительной, если скорость уменьшается, то работа, которую совершает сила – отрицательна. Изменение кинетической энергии материальной точки в ходе ее движения между двумя положениями равно работе, которую совершает сила:
Действие силы на материальную точку можно охарактеризовать не только с помощью изменения скорости движения тела, но при помощи величины перемещения, которое совершает рассматриваемое тело под действием силы ().
Элементарная работа
Элементарная работа некоторой силы определяется как скалярное произведение:
Радиус – вектор точки, к которой приложена сила, - элементарное перемещение точки по траектории, – угол между векторами и . Если является тупым углом работа меньше нуля, если угол острый, то работа положительная, при
В декартовых координатах формула (2) имеет вид:
где F x ,F y ,F z – проекции вектора на декартовы оси.
При рассмотрении работы силы, приложенной к материальной точке можно использовать формулу:
где – скорость материальной точки, – импульс материальной точки.
Если на тело (механическую систему) действуют несколько сил одновременно, то элементарная работа, которую совершают эти силы над системой, равна:
где проводится суммирование элементарных работ всех сил, dt – малый промежуток времени, за который совершается элементарная работа над системой.
Результирующая работа внутренних сил, даже если твердое тело движется, равна нулю.
Пусть твердое тело вращается около неподвижной точки - начала координат (или неподвижной оси, которая проходит через эту точку). В таком случае, элементарная работа всех внешних сил (допустим, что их число равно n), которые действуют на тело, равна:
где – результирующий момент сил относительно точки вращения, – вектор элементарного поворота, – мгновенная угловая скорость.
Работа силы на конечном участке траектории
Если сила выполняет работу по перемещению тела на конечном участке траектории его движения, то работа может быть найдена как:
В том случае, если вектор силы – величина постоянная на всем отрезке перемещения, то:
где – проекция силы на касательную к траектории.
Единицы измерения работы
Основной единицей измерения момента работы в системе СИ является: [A]=Дж=Н м
В СГС: [A]=эрг=дин см
1Дж=10 7 эрг
Примеры решения задач
Пример
Задание. Материальная точка движется прямолинейно (рис.1) под воздействием силы, которая задана уравнением: . Сила направлена по движению материальной точки. Чему равна работа данной силы на отрезке пути от s=0 до s=s 0 ?
Решение. За основу решения задачи примем формулу расчёта работы вида:
где , та как по условию задачи . Подставим выражение для модуля силы заданное условиями, возьмем интеграл:
Ответ.
Пример
Задание. Материальная точка перемещается по окружности. Ее скорость изменяется в соответствии с выражением: . При этом работа силы, которая действует на точку, пропорциональна времени: . Каково значение n?
Одно из важнейших понятий механики – работа силы .
Работа силы
Все физические тела в окружающем нас мире приводятся в движение с помощью силы. Если на движущееся тело в попутном или противоположном направлении действует сила или несколько сил со стороны одного или нескольких тел, то говорят, что совершается работа .
То есть, механическая работу совершает действующая на тело сила. Так, сила тяги электровоза приводит в движение весь поезд, тем самым совершая механическую работу. Велосипед приводится в движение мускульной силой ног велосипедиста. Следовательно, эта сила также совершает механическую работу.
В физике работой силы называют физическую величину, равную произведению модуля силы, модуля перемещения точки приложения силы и косинуса угла между векторами силы и перемещения.
A = F · s · cos (F, s) ,
где F модульсилы,
s – модуль перемещения.
Работа совершается всегда, если угол между ветрами силы и перемещения не равен нулю. Если сила действует в направлении, противоположном направлению движения, величина работы имеет отрицательное значение.
Работа не совершается, если на тело не действуют силы, или если угол между приложенной силой и направлением движения равен 90 о (cos 90 o = 0).
Если лошадь тянет телегу, то мускульная сила лошади, или сила тяги, направленная по ходу движения телеги, совершает работу. А сила тяжести, с которой извозчик давит на телегу, работы не совершает, так как она направлена вниз, перпендикулярно направлению перемещения.
Работа силы – величина скалярная.
Единица работы в системе измерений СИ - джоуль. 1 джоуль – это работа, которую совершает сила величиной в 1 ньютон на расстоянии 1 м, если направления силы и перемещения совпадают.
Если на тело или материальную точку действуют несколько сил, то говорят о работе, совершаемой их равнодействующей силой.
В случае, если приложенная сила непостоянна, то её работа вычисляется как интеграл:
Мощность
Сила, приводящая в движение тело, совершает механическую работу. Но как совершается эта работа, быстро или медленно, иногда очень важно знать на практике. Ведь одна и та же работа может быть совершена за разное время. Работу, которую выполняет большой электромотор, может выполнить и маленький моторчик. Но ему для этого понадобится гораздо больше времени.
В механике существует величина, характеризующая быстроту выполнения работы. Эта величина называется мощностью .
Мощность – это отношение работы, выполненной за определённый промежуток времени, к величине этого промежутка.
N = A /∆ t
По определению А = F · s · cos α , а s/∆ t = v , следовательно
N = F · v · cos α = F · v ,
где F – сила, v скорость, α – угол между направлением силы и направление скорости.
То есть мощность – это скалярное произведение вектора силы на вектор скорости движения тела .
В международной системе СИ мощность измеряется в ваттах (Вт).
Мощность в 1 ватт – это работа в 1 джоуль (Дж), совершаемая за 1 секунду (с).
Мощность можно увеличить, если увеличить силу, совершающую работу, или скорость, с которой эта работа совершается.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Механическая работа – это произведение силы, приложенной к объекту, на перемещение, совершённое этой силой.
– работа (может обозначаться как ), – сила, – перемещение.
Единица измерения работы — Дж (джоуль) .
Указанная формула применима к телу, движущемуся прямолинейно и постоянном значении воздействующей на него силы. Если между вектором силы и прямой, описывающей траекторию тела есть угол, то формула принимает вид:
Кроме того, понятие работы можно определить как изменение энергии тела:
Именно такое применение этого понятия чаще всего встречается в задачах.
Примеры решения задач по теме «Механическая работа»
ПРИМЕР 1
| Задание | Двигаясь по окружности радиусом 1м тело переместилось на противоположную точку окружности под действием силы 9Н. Найти работу, совершённую этой силой. |
| Решение | Согласно формуле, работу нужно искать исходя не из пройденного пути, а из перемещения, то есть не нужно считать длину дуги окружности. Достаточно просто учесть, что при перемещении на противоположную точку окружности тело совершило перемещение, равное диаметру окружности, то есть 2м. По формуле: |
| Ответ | Совершенная работа равна Дж. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Под действием некоторой силы тело движется вверх по наклонной плоскости под углом к горизонту. Найти силу, действующую на тело, если при продвижении тела на 5 м в вертикальной плоскости его энергия увеличилась на 19 Дж. |
| Решение | По определению изменение энергии тела и есть работа, над ним совершённая.
Однако, мы не можем найти силу, подставив исходные данные в формулу, так как не знаем перемещение тела. Нам известно только его перемещение по оси (обозначим его ). Найдём перемещение тела с помощью определения функции : |
Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы .
Если действующая на тело сила вызывает его перемещение s, то действие этой силы характеризуется величиной, называемой механической работой (или, сокращенно, просто работой ).
Механическая работа А — скалярная величина, равная произведению модуля силы F, действующей на тело, и модуля перемещения s, совершаемого телом в направлении действия этой силы.
Если направления перемещения тела и приложенный силы не совпадают, то работу можно вычислить как произведение модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла α между векторами силы и перемещения (рис. 1.18.1):
Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительной (0° ≤ α < 90°), так и отрицательной (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж) .
Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 Н на перемещении 1 м в направлении действия силы.
Если проекция силы на направление перемещения не остается постоянной, работу следует вычислять для малых перемещений Δs i и суммировать результаты:
Это сумма в пределе (Δs i → 0) переходит в интеграл.
Графически работа определяется по площади криволинейной фигуры под графиком F s (x ) (рис. 1.18.2).
Примером силы, модуль которой зависит от координаты, может служить сила упругости пружины, подчиняющаяся закону Гука. Для того, чтобы растянуть пружину, к ней нужно приложить внешнюю силу модуль которой пропорционален удлинению пружины (рис. 1.18.3).
Зависимость модуля внешней силы от координаты x изображается на графике прямой линией (рис. 1.18.4).
По площади треугольника на рис. 1.18.4 можно определить работу, совершенную внешней силой, приложенной к правому свободному концу пружины:
Этой же формулой выражается работа, совершенная внешней силой при сжатии пружины. В обоих случаях работа упругой силы равна по модулю работе внешней силы и противоположна ей по знаку.
Если к телу приложено несколько сил, то общая работа всех сил равна алгебраической сумме работ, совершаемых отдельными силами. При поступательном движении тела, когда точки приложения всех сил совершают одинаковое перемещение, общая работа всех сил равна работе равнодействующей приложенных сил .
Мощность
Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью . Мощность N это физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t , в течение которого совершена эта работа.