Механічна робота: що це і як вона використовується?

Щоб мати можливість охарактеризувати енергетичні характеристики руху, було введено поняття механічної роботи. І саме їй в її різних проявах присвячено окрему статтю. Для розуміння тема одночасно і легка, і досить складна. Автор щиро намагався зробити її більш зрозумілою і доступною для розуміння, і залишається тільки сподіватися, що мета досягнута.

Що називають механічною роботою?

Що ж так називають? Якщо над тілом працює якась сила, і в результаті дії оной тіло переміщається, то це і називається механічною роботою. При підході з точки зору наукової філософії тут можна виділити кілька додаткових аспектів, але в статті буде тема розкрита з точки зору фізики. Механічна робота - це не складно, якщо добре вдуматися в написані тут слова. Але слово "механічна" зазвичай не пишеться, і все скорочується до слова «робота». Але не кожна робота є механічною. Ось сидить людина і думає. Чи працює він? Подумки так! Але механічна це робота? Ні. А якщо людина йде? Якщо тіло переміщається під дією сили, то це механічна робота. Все просто. Іншими словами, сила, що діє на тіло, робить (механічну) роботу. І ще: саме роботою можна охарактеризувати результат дії певної сили. Так ечлі людина йде, то певні сили (тертя, тяжкості і т.д.) здійснюють над людиною механічну роботу, і в результаті їх дії людина змінює точку свого знаходження, іншими словами переміщається.

Робота як фізична величина дорівнює силі, що діє на тіло, множимо на шлях, який вчинила тіло під впливом цієї сили і в напрямку, що вказується нею. Можна сказати, що механічна робота була зроблена, якщо одночасно було дотримано 2 умови: сила діяла на тіло, і воно перемістилося в напрямок її дії. Але вона не відбувалася або не здійснюється, якщо сила діяла, а тіло не змінило своє місцезнаходження в системі координат. Ось невеликі приклади, коли механічна робота не відбувається:

1. Так людина може навалитися на величезний валун з метою зрушити його, але сил не вистачає. Сила діє на камінь, а він не переміщається, і робота не відбувається.
2. Тіло рухається в системі координат, а сила дорівнює нулю або вони все компенсувалися. Таке можна спостерігати під час руху по інерції.
3. Коли напрямок, в якому рухається тіло, перпендикулярно дії сили. Коли поїзд рухається по горизонтальній лінії, то сила тяжіння свою роботу не робить.

Залежно від певних умов механічна робота буває негативною і позитивною. Так, якщо напрямку і сили, і рухи тіла однакові, то відбувається позитивна робота. Прикладом позитивної роботи є дія сили тяжіння на падаючу краплю води. Але якщо сила і напрямок руху протилежні, то значить відбувається негативна механічна робота. Прикладом вже такого варіанту є піднімається вгору повітряну кульку і сила тяжіння, яка здійснює негативну роботу. Коли тіло піддається впливу декількох сил, така робота називається "роботою результуючої сили".

Особливості практичного застосування (кінетична енергія)

Переходимо від теорії до практичної частини. Окремо слід поговорити про механічну роботу і її використанні в фізиці. Як багато напевно згадали, вся енергія тіла ділиться на кінетичну і потенційну. Коли об`єкт знаходиться в положенні рівноваги і нікуди не рухається, його потенційна енергія дорівнює загальній енергії, а кінетична дорівнює нулю. Коли починається рух, потенціальна енергія починає зменшуватися, кінетична рости, але в сумі вони дорівнюють загальній енергії об`єкта. для матеріальної точки кінетичну енергію визначають як роботу сили, яка прискорила точку від нуля до значення Н, а в формульному вигляді кінетика тіла дорівнює frac12- * М * Н, де М - маса. Щоб дізнатися кінетичну енергію об`єкта, який складається з безлічі частинок, необхідно знайти суму всієї кінетичної енергії частинок, і це буде кінетична енергія тіла.

Особливості практичного застосування (потенційна енергія)

У разі, коли всі діючі на тіло сили консервативні, і потенційна енергія дорівнює загальній, то робота не відбувається. Цей постулат відомий як закон збереження механічної енергії. механічна енергія в замкнутій системі є постійною в часовому інтервалі. Закон збереження широко використовують для вирішення задач з класичної механіки.

Особливості практичного застосування (термодинаміка)

У термодинаміки робота, яку здійснює газ при розширенні, розраховують по інтегралу множення тиску на обсяг. Такий підхід можна застосувати не тільки в тих випадках, коли є точна функція обсягу, а й до всіх процесів, що можуть бути відображені в площині тиск / обсяг. Також застосовується знання про механічну роботу не тільки до газам, а й до всього, що може чинити тиск.

Особливості практичного застосування на практиці (теоретична механіка)

У теоретичної механіки всі вищеописані властивості і формули розглядаються більш детально, зокрема це проекції. Вона дає і своє визначення для різних формул механічної роботи (приклад визначення для інтеграла Риммера): межа, до якого прагне сума всіх сил елементарних робіт, коли обмеженість розбиття прагне до нульового значення, називається роботою сили уздовж кривої. Напевно, складно? Але нічого, з теоретичною механікою все. Так вже і вся механічна робота, фізика та інші складності закінчилися. Далі будуть тільки приклади і висновок.

Одиниці виміру механічної роботи

Для вимірювання роботи в СІ використовуються джоулі, а СГС використовує ерг:

1. 1 Дж = 1 кгmiddot-мsup2- / сsup2- = 1 Нmiddot-м
2. 1 ерг = 1 гmiddot-смsup2- / сsup2- = 1 дінmiddot-см
3. 1 ерг = 10^-7 Дж

Приклади механічної роботи

Для того щоб розібратися остаточно з таким поняттям як механічна робота, слід вивчити кілька окремих прикладів, які дозволять розглянути її з безлічі, але далеко не всіх сторін:

1. Коли людина піднімає руками камінь, то відбувається механічна робота за допомогою м`язової сили рук;
2. Коли по рейках їде поїзд, його тягне сила тяги тягача (електровоза, тепловоза і т.д.);
3. Якщо взяти рушницю і вистрілити з нього, то завдяки силі тиску, яку створять порохові гази, буде зроблена робота: куля переміщена уздовж стовбура рушниці одночасно зі збільшенням швидкості самої кулі;
4. Механічна робота є і тоді, коли сила тертя діє на тіло, примушуючи його зменшити швидкість свого руху;
5. Вищеописаний приклад з кулями, коли вони піднімаються в протилежну сторону щодо направлення сили тяжіння, теж є прикладом механічної роботи, але крім сили тяжіння діє ще й сила Архімеда, коли вгору піднімається все, що легше повітря.

Що таке потужність?

Наостанок хочеться торкнутися теми потужності. Роботу сили, яка відбувається в одну одиницю часу, і називають потужністю. По суті потужність - це така фізична величина, яка є відображенням ставлення роботи до певного проміжку часу, під час якого ця робота і відбувалася: М = Р / В, де М - потужність, Р - робота, В - час. Одиницю потужності в СІ позначають в 1 Вт. Ватт дорівнює потужності, яка здійснює роботу в один джоуль за одну секунду: 1 Вт = 1Дж 1с.