В чем измеряется полезная работа в физике

Прежде чем раскрывать тему «В чём измеряется работа», необходимо сделать небольшое отступление. Всё в этом мире подчиняется законам физики. Каждый процесс или явление можно объяснить на основе тех или иных законов физики. Для каждой измеряемой величины существует единица, в которой её принято измерять. Единицы измерения являются неизменными и имеют единое значение во всём мире.

Система международных единиц

Причиной этого является следующее. В тысяча девятьсот шестидесятом году на одиннадцатой генеральной конференции по мерам и весам была принята система измерений, которая признана во всём мире. Эта система получила наименование Le Système International d’Unités, SI (СИ система интернационал). Эта система стала базовой для определений принятых во всём мире единиц измерения и их соотношения.

Физические термины и терминология

В физике единица измерения работы силы называется Дж (Джоуль), в честь английского учёного физика Джеймса Джоуля, сделавшего большой вклад в развитие раздела термодинамики в физике. Один Джоуль равен работе, совершаемой силой в один Н (Ньютон), при перемещении её приложения на один М (метр) в направлении действия силы. Один Н (Ньютон) равен силе, массой в один кг (килограмм), при ускорении в один м/с2 (метр в секунду) в направлении силы.

Формула нахождения работы

К сведению. В физике всё взаимосвязано, выполнение любой работы связано с выполнением дополнительных действий. В качестве примера можно взять бытовой вентилятор. При включении вентилятора в сеть лопасти вентилятора начинают вращаться. Вращающиеся лопасти воздействуют на поток воздуха, придавая ему направленное движение. Это является результатом работы. Но для выполнения работы необходимо воздействие других сторонних сил, без которых выполнение действия невозможно. К ним относятся сила электрического тока, мощность, напряжение и многие другие взаимосвязанные значения.

Электрический ток, по своей сути, – это упорядоченное движение электронов в проводнике в единицу времени. В основе электрического тока лежит положительно или отрицательно заряжённые частицы. Они носят название электрических зарядов. Обозначается буквами C, q, Кл (Кулон), названо в честь французского учёного и изобретателя Шарля Кулона. В системе СИ является единицей измерения количества заряженных электронов. 1 Кл равен объёму заряженных частиц, протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Под единицей времени подразумевается одна секунда. Формула электрического заряда представлена ниже на рисунке.

Формула нахождения электрического заряда

Сила электрического тока обозначается буквой А (ампер). Ампер – это единица в физике, характеризующая измерение работы силы, которая затрачивается для перемещения зарядов по проводнику. По своей сути, электрический ток – это упорядоченное движение электронов в проводнике под воздействием электромагнитного поля. Под проводником подразумевается материал или расплав солей (электролит), имеющий небольшую сопротивляемость прохождению электронов. На силу электрического тока влияют две физические величины: напряжение и сопротивление. Они будут рассмотрены ниже. Сила тока всегда прямо пропорциональна по напряжению и обратно пропорциональна по сопротивлению.

Формула нахождения силы тока

Как было сказано выше, электрический ток – это упорядоченное движение электронов в проводнике. Но есть один нюанс: для их движения нужно определённое воздействие. Это воздействие создаётся путём создания разности потенциалов. Электрический заряд может быть положительным или отрицательным. Положительные заряды всегда стремятся к отрицательным зарядам. Это необходимо для равновесия системы. Разница между количеством положительно и отрицательно заряжённых частиц называется электрическим напряжением.

Формула нахождения напряжения

Мощность – это количество энергии, затрачиваемое на выполнение работы в один Дж (Джоуль) за промежуток времени в одну секунду. Единицей измерения в физике обозначается как Вт (Ватт), в системе СИ W (Watt). Так как рассматривается мощность электрическая, то здесь она является значением затраченной электрической энергии на выполнение определённого действия в промежуток времени.

Формула нахождения электрической мощности

В заключение следует отметить, что единица измерения работы является скалярной величиной, имеет взаимосвязь со всеми разделами физики и может рассматриваться со стороны не только электродинамики или теплотехники, но и других разделов. В статье кратко рассмотрено значение, характеризующее единицу измерения работы силы.

Видео

Мeханическая работа — это физическая величина — скалярная количественная мера действия силы (равнодействующей сил) на тело или сил на систему тел. Зависит от численной величины и направления силы (сил) и от перемещения тела (системы тел).

Используемые обозначения

Работа обычно обозначается буквой A (от нем. Arbeit — работа, труд) или буквой W (от англ. work — работа, труд).

Определение

Работа силы, приложенной к материальной точке

Суммарная работа по перемещению одной материальной точки, совершаемая несколькими силами, приложенными к этой точке, определяется как работа равнодействующей этих сил (их векторной суммой). Поэтому дальше будем говорить об одной силе, приложенной к материальной точке.

При прямолинейном движении материальной точки и постоянном значении приложенной к ней силы, работа (этой силы) равна произведению проекции вектора силы на направление движения и длины вектора перемещения, совершённого точкой:

A=Fss=Fs cos(F,s)=F→⋅s→{displaystyle A=F_{s}s=Fs mathrm {cos} (F,s)={vec {F}}cdot {vec {s}}}

Здесь точкой обозначено скалярное произведение, s→{displaystyle {vec {s}}} — вектор перемещения; подразумевается, что действующая сила F→{displaystyle {vec {F}}} постоянна в течение времени, за которое вычисляется работа.

В общем случае, когда сила не постоянна, а движение не прямолинейно, работа вычисляется как криволинейный интеграл второго рода по траектории точки:

A=∫F→⋅ds→.{displaystyle A=int {vec {F}}cdot {vec {ds}}.}

(подразумевается суммирование по кривой, которая является пределом ломаной, составленной из последовательных перемещений ds→,{displaystyle {vec {ds}},} если вначале считать их конечными, а потом устремить длину каждого к нулю).

Если существует зависимость силы от координат, интеграл определяется следующим образом:

A=∫r→0r→1F→(r→)⋅dr→{displaystyle A=int limits _{{vec {r}}_{0}}^{{vec {r}}_{1}}{vec {F}}left({vec {r}}right)cdot {vec {dr}}},

где r→0{displaystyle {vec {r}}_{0}} и r→1{displaystyle {vec {r}}_{1}} — радиус-векторы начального и конечного положения тела соответственно.

  • Следствие. Если направление приложенной силы ортогонально перемещению тела или перемещение равно нулю, то работа (этой силы) равна нулю.

Работа сил, приложенных к системе материальных точек

Работа сил по перемещению системы материальных точек определяется как сумма работ этих сил по перемещению каждой точки (работы, совершённые над каждой точкой системы, суммируются в работу этих сил над системой).

Даже если тело не является системой дискретных точек, его можно разбить (мысленно) на множество бесконечно малых элементов (кусочков), каждый из которых можно считать материальной точкой, и вычислить работу в соответствии с определением выше. В этом случае дискретная сумма заменяется на интеграл.

  • Эти определения могут быть использованы как для вычисления работы конкретной силы или класса сил, так и для вычисления полной работы, совершаемой всеми силами, действующими на систему.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия вводится в механике в прямой связи с понятием работы.

Схема рассуждений такова: 1) попробуем записать работу, совершаемую всеми силами, действующими на материальную точку и, пользуясь вторым законом Ньютона (позволяющим выразить силу через ускорение), попытаться выразить ответ только через кинематические величины, 2) убедившись, что это удалось, и что этот ответ зависит только от начального и конечного состояния движения, введём новую физическую величину, через которую эта работа будет просто выражаться (это и будет кинетическая энергия).

Если Atotal{displaystyle A_{total}} — полная работа, совершённая над частицей, определяемая как сумма работ, совершенных приложенными к частице силами, то она выражается как:

Atotal=Δ(mv22)=ΔEk,{displaystyle A_{total}=Delta left({frac {mv^{2}}{2}}right)=Delta E_{k},}

где Ek{displaystyle E_{k}} называется кинетической энергией. Для материальной точки кинетическая энергия определяется как половина произведения массы этой точки на квадрат её скорости и выражается как:

Ek=12mv2.{displaystyle E_{k}={frac {1}{2}}mv^{2}.}

Для сложных объектов, состоящих из множества частиц, кинетическая энергия тела равна сумме кинетических энергий частиц.

Потенциальная энергия

Сила называется потенциальной, если существует скалярная функция координат, известная как потенциальная энергия и обозначаемая Ep{displaystyle E_{p}}, такая, что

F→=−∇Ep.{displaystyle {vec {F}}=-nabla E_{p}.}

Если все силы, действующие на частицу, консервативны, и Ep{displaystyle E_{p}} является полной потенциальной энергией, полученной суммированием потенциальных энергий, соответствующих каждой силе, тогда:

F→⋅Δs→=−∇→Ep⋅Δs→=−ΔEp⇒−ΔEp=ΔEk⇒Δ(Ek+Ep)=0{displaystyle {vec {F}}cdot Delta {vec {s}}=-{vec {nabla }}E_{p}cdot Delta {vec {s}}=-Delta E_{p}Rightarrow -Delta E_{p}=Delta E_{k}Rightarrow Delta (E_{k}+E_{p})=0}.

Этот результат известен как закон сохранения механической энергии и утверждает, что полная механическая энергия в замкнутой системе, в которой действуют консервативные силы,

∑E=Ek+Ep{displaystyle sum E=E_{k}+E_{p}}

является постоянной во времени. Этот закон широко используется при решении задач классической механики.

Работа в термодинамике

В термодинамике работа, совершённая газом при расширении, рассчитывается как интеграл давления по объёму:

A1→2=∫V1V2PdV.{displaystyle A_{1rightarrow 2}=int limits _{V_{1}}^{V_{2}}PdV.}

Работа, совершённая над газом, совпадает с этим выражением по абсолютной величине, но противоположна по знаку.

  • Естественное обобщение этой формулы применимо не только к процессам, где давление есть однозначная функция объёма, но и к любому процессу (изображаемому любой кривой в плоскости PV), в частности, к циклическим процессам.
  • В принципе, формула применима не только к газу, но и к чему угодно, способному оказывать давление (надо только чтобы давление в сосуде было всюду одинаковым, что неявно подразумевается в формуле).

Эта формула прямо связана с механической работой. Действительно, попробуем написать механическую работу при расширении сосуда, учитывая, что сила давления газа будет направлена перпендикулярно каждой элементарной площадке, равна произведению давления P на площадь dS площадки, и тогда работа, совершаемая газом для смещения h одной такой элементарной площадки будет

dA=PdSh.{displaystyle dA=PdSh.}

Видно, что это и есть произведение давления на приращение объёма вблизи данной элементарной площадкой. А просуммировав по всем dS, получим конечный результат, где будет уже полное приращение объёма, как и в главной формуле раздела.

Работа силы в теоретической механике

Рассмотрим несколько детальнее, чем это было сделано выше, построение определения энергии как риманова интеграла.

Пусть материальная точка M{displaystyle M} движется по непрерывно дифференцируемой кривой G={r=r(s)}{displaystyle G={r=r(s)}}, где s — переменная длина дуги, 0≤s≤S{displaystyle 0leq sleq S}, и на неё действует сила F(s){displaystyle F(s)}, направленная по касательной к траектории в направлении движения (если сила не направлена по касательной, то будем понимать под F(s){displaystyle F(s)} проекцию силы на положительную касательную кривой, таким образом сведя и этот случай к рассматриваемому далее). Величина F(ξi)△si,△si=si−si−1,i=1,2,…,iτ{displaystyle F(xi _{i})triangle s_{i},triangle s_{i}=s_{i}-s_{i-1},i=1,2,…,i_{tau }}, называется элементарной работой силы F{displaystyle F} на участке Gi{displaystyle G_{i}} и принимается за приближённое значение работы, которую производит сила F{displaystyle F}, воздействующая на материальную точку, когда последняя проходит кривую Gi{displaystyle G_{i}}. Сумма всех элементарных работ ∑i=1iτF(ξi)△si{displaystyle sum _{i=1}^{i_{tau }}F(xi _{i})triangle s_{i}} является интегральной суммой Римана функции F(s){displaystyle F(s)}.

В соответствии с определением интеграла Римана, можем дать определение работе:

Предел, к которому стремится сумма ∑i=1iτF(ξi)△si{displaystyle sum _{i=1}^{i_{tau }}F(xi _{i})triangle s_{i}} всех элементарных работ, когда мелкость |τ|{displaystyle |tau |} разбиения τ{displaystyle tau } стремится к нулю, называется работой силы F{displaystyle F} вдоль кривой G{displaystyle G}.

Таким образом, если обозначить эту работу буквой W{displaystyle W}, то, в силу данного определения,

W=lim|τ|→0∑i=1iτF(ξi)△si{displaystyle W=lim _{|tau |rightarrow 0}sum _{i=1}^{i_{tau }}F(xi _{i})triangle s_{i}},

следовательно,

W=∫0sF(s)ds{displaystyle W=int limits _{0}^{s}F(s)ds} (1).

Если положение точки на траектории её движения описывается с помощью какого-либо другого параметра t{displaystyle t} (например, времени) и если величина пройденного пути s=s(t){displaystyle s=s(t)}, a≤t≤b{displaystyle aleq tleq b} является непрерывно дифференцируемой функцией, то из формулы (1) получим

W=∫abFs′(t)dt.{displaystyle W=int limits _{a}^{b}Fs'(t)dt.}

Размерность и единицы

Единицей измерения работы в Международной системе единиц (СИ) является джоуль, в СГС — эрг

1 Дж = 1 кг·м²/с² = 1 Н·м 1 эрг = 1 г·см²/с² = 1 дин·см 1 эрг = 10−7Дж

См. также

  • Закон сохранения энергии
  • Теорема о кинетической энергии системы
  • Механические приложения криволинейных интегралов

Примечания

  1. Тарг С. М. Работа силы // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — С. 193-194. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
  2. ↑ Это делается исходя из того, что можно разбить суммарное конечное перемещение на маленькие последовательные перемещения ds→{displaystyle {vec {ds}}}, на каждом из которых сила будет почти постоянной, а значит можно будет воспользоваться определением для постоянной силы, введенным выше. Затем работы на всех этих перемещениях ds→{displaystyle {vec {ds}}} суммируется, что и дает в результате интеграл.
  3. ↑ Как это очень часто бывает. Например, в случае кулоновского поля, растягивающейся пружины, силы тяготения планеты итд итд.
  4. ↑ По сути через предыдущий, поскольку здесь F→(t)=F→(r→(t)){displaystyle {vec {F}}(t)={vec {F}}({vec {r}}(t))}; вектор же малого перемещения ds→{displaystyle {vec {ds}}} совпадает с dr→{displaystyle d{vec {r}}}.
  5. Тарг С. М. Кинетическая энергия // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 360. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.
  6. ↑ Работа, совершаемая газом при его сжатии, очевидно отрицательна, но вычисляется по той же формуле. Работа, совершаемая газом (или над газом) без его расширения или сжатия (например, в процессе перемешивания мешалкой), в принципе может быть выражена подобной формулой, но всё же не прямо этой, так как она требует обобщения: дело в том, что в формуле ∫PdV{displaystyle int PdV} давление подразумевается одинаковым по всему объему (что часто выполняется в термодинамике, поскольку речь там часто идет о процессах, близких к равновесным), что и приводит к наиболее простой формуле (в случае же вращающейся мешалки, например, давление будет разным на передней и задней стороне лопасти, что приведет к необходимому усложнению формулы, если мы захотим применить её к такому случаю; эти соображения относятся и ко всем другим неравновесным случаям, когда давление неодинаково в разных частях системы).

Литература

  • История механики с древнейших времен до конца XVIII в. В 2 т. М.: Наука, 1972.
  • Кирпичёв В. Л. Беседы о механике. М.-Л.: Гостехиздат, 1950.
  • Льоцци М. История физики. М.: Мир, 1970.
  • Мах Э. Принцип сохранения работы: История и корень его. СПб., 1909.
  • Мах Э. Механика. Историко-критический очерк её развития. Ижевск: РХД, 2000.
  • Тюлина И. А. История и методология механики. М.: Изд-во МГУ, 1979.

Источник: Решебник по физике за 10 класс (В.А.Касьянов, 2009 год),
задача №1
к главе «4. Законы сохранения. §30. Работа силы. Ответы на вопросы».

Все задачи >

1. Работа — это скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на ось X на перемещение, совершенное телом под действием этой силы.

Работа измеряется в джоулях. Работа показывает, как изменяется энергия в данном процессе.

← 5. Снаряд, вылетевший из орудия, разорвался в верхней точке траектории на высоте 1960 м на два равных осколка Скорость снаряда перед разрывом равна 100 м/с. Один из осколков полетел горизонтально в обратном направлении со скоростью, вдвое большей На каком2. При каких условиях работа силы положительна? отрицательна? равна нулю? →