Механическая работа
Определение работы как физической величины
В повседневной жизни мы часто говорим о «работе». Например, человек работает в огороде, двигатель выполняет работу, поднимая груз, или ветер совершает работу, раскачивая деревья. Но в физике слово работа имеет строгое значение и определяется количественно.
Что такое механическая работа
Если на тело действует сила и под её действием тело перемещается, говорят, что совершается механическая работа.
Работа обозначается буквой A (читается: «а»).
Формула для вычисления работы:
A = F · s,
где
-
A — работа (в джоулях, Дж);
-
F — сила (в ньютонах, Н);
-
s — путь, пройденный телом под действием силы (в метрах, м).
Эта формула верна, если сила направлена так же, как и перемещение тела.
Если тело движется под действием постоянной силы по прямой линии, то работа равна произведению силы на путь.
Пример:
Если на ящик действует сила 20 Н, и он переместился на 3 м, то работа равна:
A = 20 × 3 = 60 Дж.
Это значит, что сила совершила работу 60 джоулей.
Условия, необходимые для совершения работы
Для того чтобы механическая работа была совершена, необходимо выполнение двух условий:
-
На тело должна действовать сила.
Если на тело не действует сила, то никакая работа не совершается. -
Тело должно перемещаться под действием этой силы.
Если тело не движется, то работа равна нулю, даже если сила есть.
Примеры:
-
Если вы держите чемодан, но не двигаете его, вы устаете, но механическая работа не совершается — тело не перемещается.
-
Если же вы несёте чемодан вперёд, то сила, которую вы прикладываете, действительно выполняет работу, потому что чемодан движется.
Работа может быть положительной и отрицательной
Работа может быть положительной, отрицательной или равной нулю — в зависимости от того, как направлены сила и перемещение тела.
-
Положительная работа совершается, если сила и перемещение направлены в одну сторону.
Например, двигатель автомобиля тянет машину вперёд — он совершает положительную работу. -
Отрицательная работа совершается, если сила направлена против движения тела.
Например, сила трения замедляет движение санок — она совершает отрицательную работу, так как действует в сторону, противоположную перемещению. -
Нулевая работа — когда перемещения нет или сила не влияет на движение (например, сила тяжести при горизонтальном движении тела).
Единица работы
Единицей работы в Международной системе (СИ) является джоуль (Дж).
1 джоуль — это работа, совершаемая силой 1 ньютон при перемещении тела на 1 метр в направлении действия силы.
1 Дж = 1 Н × 1 м.
Для больших работ применяют килоджоуль (кДж):
1 кДж = 1000 Дж.
Примеры из жизни
-
Когда поднимают груз вверх, человек совершает положительную работу.
-
При торможении автомобиля тормоза совершают отрицательную работу, превращая механическую энергию в тепло.
-
Когда книга лежит на столе — работа не совершается, хотя сила тяжести и сила реакции опоры действуют.
Вопросы для самопроверки
-
Что называется механической работой?
-
В каком случае работа равна нулю, даже если человек прикладывает усилие?
-
Как определяется работа силы, направленной по движению тела?
-
В каких случаях работа бывает отрицательной?
-
Какая единица измерения работы используется в СИ?
-
Приведите три примера из жизни, где совершается положительная работа.
-
Почему человек устает, удерживая тяжёлый предмет, хотя с точки зрения физики работа не совершается?
-
Сравните работу силы тяжести и силы трения при падении и торможении тела.
-
Если сила 5 Н действует на тело, переместившееся на 4 м, чему равна работа?
-
Может ли одно и то же тело одновременно испытывать положительную и отрицательную работу разных сил? Объясните.