Механическая работа. Мощность

Введение

В жизни мы часто говорим: «Человек много работает», «Машина работает», «Ветер совершает работу».
В физике слово работа имеет строгое значение. Это не просто усилия или старание — это результат действия силы, если под её действием тело перемещается.

Например, когда ты поднимаешь портфель, растягиваешь пружину или катишь тележку — сила, приложенная тобой, вызывает движение. В этом случае выполняется механическая работа.

---

Что такое механическая работа

Чтобы сила совершала работу, должны выполняться два условия:

1. На тело действует сила.

2. Под действием этой силы тело перемещается.

Если сила приложена, но движения нет (например, человек толкает стену), работа не совершается.

Механическая работа обозначается буквой A и рассчитывается по формуле:

где

• A — работа (в джоулях, Дж),

• F — сила (в ньютонах, Н),

• s — путь, пройденный телом под действием силы (в метрах, м).

Если сила направлена не вдоль движения, а под углом, то учитывают только её проекцию на направление движения:

где $\alpha$ — угол между направлением силы и движением.

---

Пример расчёта

Пример. Рабочий поднимает ящик массой 20 кг на высоту 1,5 м. Какую работу он совершает?

Сначала определим силу тяжести, равную весу ящика:

Теперь найдём работу:

Ответ: работа равна 294 джоулям.

---

Единицы измерения работы

Основная единица работы — джоуль (Дж).
1 Дж — это работа, совершаемая силой в 1 ньютон при перемещении тела на 1 метр.

Для больших или малых значений используют кратные и дольные единицы:

• 1 кДж = 1000 Дж

• 1 МДж = 1 000 000 Дж

• 1 мДж = 0,001 Дж

---

Что такое мощность

Два человека могут совершить одинаковую работу, но один сделает это быстрее.
Тот, кто выполнит работу за меньшее время, имеет большую мощность.

Мощность показывает, как быстро совершается работа.

​

где

• N — мощность (в ваттах, Вт),

• A — работа (в джоулях, Дж),

• t — время (в секундах, с).

Если за 1 секунду совершается работа 1 джоуль, мощность равна 1 ватту:

---

Пример расчёта мощности

Пример. Лифт поднимает груз массой 400 кг на высоту 12 м за 10 секунд. Найдём мощность двигателя.

1. Определим силу тяжести:

2. Найдём работу:

3. Найдём мощность:

Ответ: мощность двигателя составляет примерно 4,7 кВт.

---

Практическое значение мощности

Мощность — важнейшая характеристика любой машины, двигателя или механизма.

• Электродвигатели и бытовые приборы имеют маркировку (например, 1000 Вт = 1 кВт).

• Автомобили измеряются в лошадиных силах:
  1 л.с. = 735 Вт.

Таким образом, двигатель мощностью 100 л.с. имеет мощность около 73,5 кВт.

---

Влияние угла и направления силы

Если человек тянет санки, держа верёвку под углом, то часть силы идёт на подъём верёвки вверх, а не на движение вперёд. Поэтому фактическая работа меньше.
Чем ближе направление силы к движению, тем больше работа.

---

Заключение

Механическая работа и мощность — понятия, которые описывают движение, действие сил и скорость выполнения работы.
Работа показывает, сколько энергии было передано телу, а мощность — как быстро это произошло.
Понимание этих величин помогает объяснить, почему одни машины выполняют задачу быстрее других, как экономить энергию и почему важно учитывать время при оценке производительности.

---

Вопросы для самопроверки

1. При каких условиях сила совершает механическую работу?

2. Какая формула выражает работу силы?

3. В каких единицах измеряется работа?

4. Что такое мощность и как она вычисляется?

5. Какую работу совершает сила 100 Н, перемещая тело на 5 м?

6. Что больше — 1 кДж или 1000 Дж?

7. Лифт поднимает человека массой 60 кг на 10 м за 12 секунд. Определи мощность лифта.

8. Что произойдёт с мощностью, если ту же работу выполнить вдвое быстрее?

9. Почему человек, несущий тяжёлый груз без движения, не совершает работу в физическом смысле?

10. Почему у спортивных автомобилей мощность двигателя выше, чем у обычных машин?