Механическая работа. Мощность

Работа – физическая величина

В нашем по­все­днев­ном опыте слово «ра­бо­та» встре­ча­ет­ся очень часто. Но сле­ду­ет раз­ли­чать ра­бо­ту фи­зио­ло­ги­че­скую и ра­бо­ту с точки зре­ния науки фи­зи­ки. Когда вы при­хо­ди­те с уро­ков, вы го­во­ри­те: «Ой, как я устал!». Это ра­бо­та фи­зио­ло­ги­че­ская. Или, к при­ме­ру, ра­бо­та кол­лек­ти­ва в на­род­ной сказ­ке «Репка».

Рис 1. Ра­бо­та в по­все­днев­ном смыс­ле слова

Мы же будем го­во­рить здесь о ра­бо­те с точки зре­ния фи­зи­ки.

Ме­ха­ни­че­ская ра­бо­та со­вер­ша­ет­ся, если под дей­стви­ем силы про­ис­хо­дит пе­ре­ме­ще­ние тела. Ра­бо­та обо­зна­ча­ет­ся ла­тин­ской бук­вой А. Более стро­го опре­де­ле­ние ра­бо­ты зву­чит так.

Ра­бо­той силы на­зы­ва­ет­ся фи­зи­че­ская ве­ли­чи­на, рав­ная про­из­ве­де­нию ве­ли­чи­ны силы на рас­сто­я­ние, прой­ден­ное телом в на­прав­ле­нии дей­ствия силы.

Рис 2. Ра­бо­та – это фи­зи­че­ская ве­ли­чи­на

Фор­му­ла  спра­вед­ли­ва, когда на тело дей­ству­ет по­сто­ян­ная сила.

В меж­ду­на­род­ной си­сте­ме еди­ниц СИ ра­бо­та из­ме­ря­ет­ся в джо­у­лях.

Это озна­ча­ет, что если под дей­стви­ем силы в 1 нью­тон тело пе­ре­ме­сти­лось на 1 метр, то дан­ной силой со­вер­ше­на ра­бо­та 1 джо­уль.

Еди­ни­ца ра­бо­ты на­зва­на в честь ан­глий­ско­го уче­но­го Джейм­са Пре­скот­та Джо­у­ля.

Рис 3. Джеймс Пре­скотт Джо­уль (1818 – 1889)

Работа может равняться нулю и быть отрицательной

Из фор­му­лы для вы­чис­ле­ния ра­бо­ты  сле­ду­ет, что воз­мож­ны три слу­чая, когда ра­бо­та равна нулю.

Пер­вый слу­чай – когда на тело дей­ству­ет сила, но тело не пе­ре­ме­ща­ет­ся. На­при­мер, на дом дей­ству­ет огром­ная сила тя­же­сти. Но она не со­вер­ша­ет ра­бо­ты, по­сколь­ку дом непо­дви­жен.

Вто­рой слу­чай – когда тело пе­ре­ме­ща­ет­ся по инер­ции, то есть на него не дей­ству­ют ни­ка­кие силы. На­при­мер, кос­ми­че­ский ко­рабль дви­жет­ся в меж­га­лак­ти­че­ском про­стран­стве.

Тре­тий слу­чай – когда на тело дей­ству­ет сила, пер­пен­ди­ку­ляр­ная на­прав­ле­нию дви­же­ния тела. В этом слу­чае, хотя и тело пе­ре­ме­ща­ет­ся, и сила на него дей­ству­ет, но нет пе­ре­ме­ще­ния тела в на­прав­ле­нии дей­ствия силы.

Рис 4. Три слу­чая, когда ра­бо­та равна нулю

Сле­ду­ет также ска­зать, что ра­бо­та силы может быть от­ри­ца­тель­ной. Так будет, если пе­ре­ме­ще­ние тела про­ис­хо­дит про­тив на­прав­ле­ния дей­ствия силы. На­при­мер, когда подъ­ем­ный кран с по­мо­щью троса под­ни­ма­ет груз над зем­лей, ра­бо­та силы тя­же­сти от­ри­ца­тель­на (а ра­бо­та силы упру­го­сти троса, на­прав­лен­ная вверх, на­о­бо­рот, по­ло­жи­тель­на).

Мощность – быстрота выполнения работы

Пред­по­ло­жим, при вы­пол­не­нии стро­и­тель­ных работ кот­ло­ван необ­хо­ди­мо за­сы­пать пес­ком. Экс­ка­ва­то­ру для этого по­на­до­бит­ся несколь­ко минут, а ра­бо­че­му с по­мо­щью ло­па­ты при­ш­лось бы тру­дить­ся несколь­ко часов. Но и экс­ка­ва­тор, и ра­бо­чий при этом вы­пол­ни­ли бы одну и ту же ра­бо­ту.

Рис 5. Одну и ту же ра­бо­ту можно вы­пол­нить за раз­ное время

Чтобы оха­рак­те­ри­зо­вать быст­ро­ту вы­пол­не­ния ра­бо­ты в фи­зи­ке ис­поль­зу­ет­ся ве­ли­чи­на, на­зы­ва­е­мая мощ­но­стью.

Мощ­но­стью на­зы­ва­ет­ся фи­зи­че­ская ве­ли­чи­на, рав­ная от­но­ше­нию ра­бо­ты ко вре­ме­ни ее вы­пол­не­ния.

Мощ­ность обо­зна­ча­ет­ся ла­тин­ской бук­вой N.

Еди­ни­цей из­ме­ре­ния мощ­но­сти я си­сте­ме СИ яв­ля­ет­ся ватт.

Один ватт – это мощ­ность, при ко­то­рой ра­бо­та в один джо­уль со­вер­ша­ет­ся за одну се­кун­ду.

Еди­ни­ца мощ­но­сти на­зва­на в честь ан­глий­ско­го уче­но­го, изоб­ре­та­те­ля па­ро­вой ма­ши­ны Джейм­са Уатта.

Рис 6. Джеймс Уатт (1736 – 1819)

Еще одна формула для вычисления мощности

Объ­еди­ним фор­му­лу для вы­чис­ле­ния ра­бо­ты  с фор­му­лой для вы­чис­ле­ния мощ­но­сти.

Вспом­ним те­перь, что от­но­ше­ние пути, прой­ден­но­го телом, S, ко вре­ме­ни дви­же­ния t пред­став­ля­ет собой ско­рость дви­же­ния тела v.

Таким об­ра­зом, мощ­ность равна про­из­ве­де­нию чис­лен­но­го зна­че­ния силы на ско­рость дви­же­ния тела в на­прав­ле­нии дей­ствия силы.

Этой фор­му­лой удоб­но поль­зо­вать­ся при ре­ше­нии задач, в ко­то­рых сила дей­ству­ет на тело, дви­жу­ще­е­ся с из­вест­ной ско­ро­стью.