Механическая работа

Что такое механическая работа

В результате воздействия силы определенной интенсивности тело меняет свое положение в пространстве. В качестве примеров можно рассмотреть поднятие человеком груза на высоту, подкидывание вверх предмета, толкание впереди себя нагруженной тележки и т.п. В перечисленных случаях человек силой своих мышечных сокращений способствует возникновению движения тела. С другой стороны, мяч, падающий сверху вниз, движется под действием обычной силы тяжести. Таким образом, не само тело производит работу, а сила, которая на него действует.

Исходя из определения понятно, что для вычисления работы (A) необходимо знать модуль действующей силы (F) и расстояние (S), на которое тело перемещается. Умножив эти две величины, можно судить о работе, для измерения которой введена единица — Джоуль.

\(A=F\times S\)

Направление действующей силы может быть не только параллельно поверхности, по которой ему предстоит двигаться. На рисунке показаны примеры воздействия под углом:

В таком случае формула для вычисления работы выглядит следующим образом:

\(A=F\times r\times\cos\alpha\)

В чем измеряется в физике, единицы

Для количественного выражения величины механической работы в физике введена специальная единица — Джоуль. При этом считается, что один Джоуль (Международная система единиц) равняется той работе, которую совершает сила величиной 1 Ньютон, перемещая при этом тело на 1 метр.

С другой стороны, для примера, допустим в состоянии невесомости, космонавт толкает от себя предмет, который двигается от него. В этой ситуации работы также нет, поскольку космонавт не прикладывает к предмету силы (условия космоса). Такой вид движения является инерцией.

Для измерения работы используется также килоджоуль (кДж), который равен 1000 Дж.

Как найти, основные формулы и примеры вычислений

Кроме формул, приведенных выше, для нахождения механической работы применяются следующие способы математических расчетов:

1. Через известное значение кинетической энергии: A=E_k2-E_k1, где E_k2 и E_k1 — значения начальной и конечной кинетической энергии тела. При этом скорости движения тел значения не имеют.
2. Через значения потенциальной энергии: A=-(E_p2-E_p1), где E_p2 и E_p1 — значения начальной и конечной потенциальной энергии тела. 
3. При совершении работы силой упругости пружины: A=(kx₁²)\(\div\)2-(kx₂²)\(\div\)2; (k — коэффициент упругости, х₁ и х₂ — координаты тела до и после совершения работы силой упругости, т.е. величина растяжения пружины).
4. При совершении работы силой Кулона (при передвижении электрического заряда): A=(q₁\(\times\)q₂)\(\div4\pi\xi \)_or₁-(q₁\(\times\)q₂)\(\div4\pi\xi \)_or₂ (r₁ и r₂ — радиусы нахождения заряда в начале и конце движения, q₁ и q₂ — величины этих зарядов). Если расстояние между зарядами увеличивается, силы отталкивания «работают положительно», если уменьшается — «отрицательно».
5. Для определения работы, совершаемой силами гравитации: A=\(ϒ\times\)(m₁\(\times\)m₂\(\div\)r₂)-\(ϒ\times\)(m₁\(\times\)m₂\(\div\)r₁). В данном случае расчет производится с привлечением гравитационной постоянной величины ϒ.  Механическая работа сил гравитации определяется исходя из радиус-векторов в начальной и конечной точках движения.

Особенности практического применения механической работы

Если две силы, различные по своей величине, совершают аналогичную работу, то время, затраченное на передвижение тела, будет различным. Величина этой разницы зависит от мощности силы.

Для обозначения мощности используется буква N. Это понятие вводится для возможности сравнения потенциальных характеристик сил (приборов, оборудования). Мощность равна работе, соотнесенной к временному промежутку, в течение которого она была произведена.

Смысл понятия заключается в представлении о том, какую работу может совершить сила за единицу времени.

\(N=A\div t\\\)

Где N — мощность, A — работа, t — промежуток времени. 

Для общего обозначения мощности в СИ применяется Ватт. Ватт равняется мощности силы, которая за 1 секунду совершает работу величиной 1 Джоуль.

В размерности существуют единицы: киловатт (кВт), мегаватт (МВт). Кроме того, 1 Вт равняется одному вольт-амперу.