Koja je formula za pronalaženje rada sile? Školska enciklopedija
Kako bi se mogla karakterizirati energetska svojstva kretanja, uveden je pojam mehaničkog rada. I članak je posvećen njemu u njegovim različitim pojavnim oblicima. Tema je istovremeno laka i prilično teška za razumijevanje. Autor se iskreno trudio učiniti ga razumljivijim i pristupačnijim za razumijevanje, te se samo može nadati da je cilj postignut.
Kako se naziva mehanički rad?
Kako se zove? Ako na tijelo djeluje neka sila, a uslijed njezina djelovanja tijelo se giba, to se naziva mehanički rad. Kada se pristupi sa stajališta znanstvena filozofija ovdje se može istaknuti nekoliko dodatnih aspekata, ali članak će pokriti temu sa stajališta fizike. Mehanički rad- nije teško ako dobro razmislite o riječima koje su ovdje napisane. Ali riječ "mehanički" obično se ne piše, a sve se skraćuje na riječ "rad". Ali nije svaki posao mehanički. Ovdje sjedi čovjek i razmišlja. Radi li to? Mentalno da! Ali je li to mehanički rad? Ne. Što ako osoba hoda? Ako se tijelo giba pod djelovanjem sile, onda je to mehanički rad. Jednostavno je. Drugim riječima, sila koja djeluje na tijelo vrši (mehanički) rad. I još nešto: rad je taj koji može karakterizirati rezultat djelovanja određene sile. Dakle, ako osoba hoda, tada određene sile (trenje, gravitacija itd.) vrše mehanički rad na osobi, a kao rezultat njihovog djelovanja, osoba mijenja svoju točku lokacije, drugim riječima, pomiče se.
Rad kao fizikalna veličina jednak je sili koja djeluje na tijelo pomnoženoj s putem koji je tijelo prešlo pod utjecajem te sile iu smjeru koji ona pokazuje. Možemo reći da je mehanički rad izvršen ako su istovremeno ispunjena 2 uvjeta: na tijelo je djelovala sila, a ono se kretalo u smjeru svog djelovanja. Ali nije nastupila ili se ne događa ako je sila djelovala i tijelo nije promijenilo svoj položaj u koordinatnom sustavu. Evo malih primjera kada se mehanički rad ne izvodi:
- Dakle, čovjek se može osloniti na veliku gromadu kako bi je pomaknuo, ali nema dovoljno snage. Sila djeluje na kamen, ali se on ne miče i ne dolazi do rada.
- Tijelo se giba u koordinatnom sustavu, a sile su jednake nuli ili su sve kompenzirane. To se može uočiti tijekom kretanja po inerciji.
- Kad je smjer gibanja tijela okomit na djelovanje sile. Kada se vlak kreće duž vodoravne linije, gravitacija ne obavlja svoj posao.
Ovisno o određenim uvjetima, mehanički rad može biti negativan ili pozitivan. Dakle, ako su smjerovi i sila i gibanja tijela isti, tada dolazi do pozitivnog rada. Primjer pozitivnog rada je djelovanje gravitacije na kap vode koja pada. Ali ako su sila i smjer gibanja suprotni, tada dolazi do negativnog mehaničkog rada. Primjer takve opcije je dizanje balon i gravitacija, koja vrši negativan rad. Kada je tijelo podložno utjecaju više sila, takav se rad naziva "rezultantni rad sile".
Značajke praktične primjene (kinetička energija)
Prijeđimo s teorije na praktični dio. Zasebno, trebali bismo razgovarati o mehaničkom radu i njegovoj upotrebi u fizici. Kao što se mnogi vjerojatno sjećaju, sva energija tijela podijeljena je na kinetičku i potencijalnu. Kada je tijelo u ravnoteži i ne kreće se nigdje, njegova potencijalna energija jednaka je ukupnoj energiji, a kinetička energija jednaka je nuli. Kada počne kretanje, potencijalna energija počinje opadati, kinetička energija počinje rasti, ali ukupno su jednake ukupnoj energiji tijela. Za materijalnu točku kinetička energija definirana je kao rad sile koja ubrzava točku od nule do vrijednosti H, au obliku formule kinetika tijela jednaka je ½*M*N, gdje je M masa. Da biste saznali kinetičku energiju objekta koji se sastoji od mnogo čestica, morate pronaći zbroj svih kinetičkih energija čestica, a to će biti kinetička energija tijela.
Značajke praktične primjene (potencijalna energija)
U slučaju kada su sve sile koje djeluju na tijelo konzervativne, a potencijalna energija jednaka ukupnoj, tada nema rada. Ovaj postulat je poznat kao zakon održanja mehaničke energije. Mehanička energija u zatvoreni sustav je konstantan u vremenskom intervalu. Zakon očuvanja naširoko se koristi za rješavanje problema iz klasične mehanike.
Značajke praktične primjene (termodinamika)
U termodinamici, rad koji izvrši plin tijekom širenja izračunava se integralom tlaka i volumena. Ovaj pristup je primjenjiv ne samo u slučajevima kada postoji točna funkcija volumena, već i za sve procese koji se mogu prikazati u ravnini tlak/volumen. Također primjenjuje znanje o mehaničkom radu ne samo na plinove, već i na sve što može vršiti pritisak.
Značajke praktične primjene u praksi (teorijska mehanika)
U teorijska mehanika Sva gore opisana svojstva i formule razmatraju se detaljnije, posebno projekcije. Također daje svoju definiciju za razne formule mehaničkog rada (primjer definicije za Rimmerov integral): granica kojoj teži zbroj svih sila elementarnog rada, kada finoća particije teži nuli, naziva se rad sile duž krivulje. Vjerojatno teško? Ali ništa, s teorijska mehanika Svi. Da, sav mehanički rad, fizika i ostale poteškoće su završile. Dalje će biti samo primjeri i zaključak.
Mjerne jedinice mehaničkog rada
SI koristi džule za mjerenje rada, dok GHS koristi ergove:
- 1 J = 1 kg m²/s² = 1 N m
- 1 erg = 1 g cm²/s² = 1 din cm
- 1 erg = 10 −7 J
Primjeri mehaničkog rada
Da biste konačno razumjeli takav koncept kao mehanički rad, trebali biste proučiti nekoliko pojedinačnih primjera koji će vam omogućiti da ga razmotrite s mnogih, ali ne sa svih strana:
- Kada čovjek podiže kamen rukama, dolazi do mehaničkog rada uz pomoć mišićne snage ruku;
- Kad vlak vozi po tračnicama, vuče ga vučna sila traktora (električna lokomotiva, dizel lokomotiva i dr.);
- Ako uzmete pušku i pucate iz nje, tada će se zahvaljujući sili pritiska koju stvaraju barutni plinovi obaviti posao: metak se pomiče duž cijevi pištolja u isto vrijeme dok se povećava brzina samog metka;
- Mehanički rad postoji i kada na tijelo djeluje sila trenja koja ga prisiljava da smanji brzinu kretanja;
- Gornji primjer s kuglicama, kada se dižu u suprotnom smjeru u odnosu na smjer gravitacije, također je primjer mehaničkog rada, ali osim gravitacije djeluje i Arhimedova sila, kada se sve što je lakše od zraka diže uvis.
Što je moć?
Na kraju bih se dotaknuo teme moći. Rad koji sila izvrši u jednoj jedinici vremena naziva se snaga. Zapravo, snaga je fizikalna veličina koja je odraz omjera rada prema određenom vremenskom razdoblju tijekom kojeg je taj rad obavljen: M=P/B, gdje je M snaga, P rad, B vrijeme. SI jedinica za snagu je 1 W. Watt je jednak snazi koja izvrši jedan džul rada u jednoj sekundi: 1 W=1J\1s.
Prije otkrivanja teme “Kako se mjeri rad” potrebno je napraviti malu digresiju. Sve na ovom svijetu pokorava se zakonima fizike. Svaki proces ili pojava može se objasniti na temelju određenih zakona fizike. Za svaku mjerenu veličinu postoji jedinica u kojoj se obično mjeri. Mjerne jedinice su konstantne i imaju isto značenje u cijelom svijetu.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/risunok-1-768x451..jpg 1024w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Sustav međunarodnih jedinica
Razlog tome je sljedeći. Tisuću devetsto šezdesete godine na Jedanaestoj generalnoj konferenciji za utege i mjere usvojen je sustav mjera koji je priznat u cijelom svijetu. Ovaj sustav je nazvan Le Système International d’Unités, SI (SI System International). Taj je sustav postao osnova za određivanje mjernih jedinica prihvaćenih diljem svijeta i njihovih odnosa.
Fizikalni pojmovi i terminologija
U fizici se jedinica za mjerenje rada sile naziva J (Joule), u čast engleskog fizičara Jamesa Joulea, koji je dao veliki doprinos razvoju grane termodinamike u fizici. Jedan Joule jednak je radu koji izvrši sila od jednog N (Newtona) kada se njezina primjena pomakne za jedan M (metar) u smjeru sile. Jedan N (Newton) jednak je sili mase od jednog kg (kilograma) s akceleracijom od jednog m/s2 (metar u sekundi) u smjeru sile.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/risunok-2-2-210x140.jpg 210w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Formula za pronalaženje posla
Za tvoju informaciju. U fizici je sve međusobno povezano; izvođenje bilo kojeg rada uključuje izvođenje dodatnih radnji. Kao primjer možemo uzeti kućni ventilator. Kada je ventilator uključen, lopatice ventilatora počinju se okretati. Rotirajuće lopatice utječu na protok zraka, dajući mu smjer kretanja. Ovo je rezultat rada. Ali za obavljanje rada nužan je utjecaj drugih vanjskih sila bez kojih je djelovanje nemoguće. To uključuje električnu struju, snagu, napon i mnoge druge povezane vrijednosti.
Električna struja, u svojoj srži, je uređeno kretanje elektrona u vodiču po jedinici vremena. Električna struja temelji se na pozitivno ili negativno nabijenim česticama. Zovu se električni naboji. Označava se slovima C, q, Kl (Coulomb), nazvan po francuskom znanstveniku i izumitelju Charlesu Coulombu. U SI sustavu to je mjerna jedinica za broj nabijenih elektrona. 1 C jednak je volumenu nabijenih čestica koje prolaze poprečni presjek vodiča po jedinici vremena. Jedinica vremena je jedna sekunda. Formula za električni naboj prikazana je na donjoj slici.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/risunok-3-768x486..jpg 848w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Formula za određivanje električnog naboja
Jakost električne struje označava se slovom A (amper). Amper je jedinica u fizici koja karakterizira mjerenje rada sile koja se troši za pomicanje naboja duž vodiča. U svojoj srži, struja- ovo je uređeno kretanje elektrona u vodiču pod utjecajem elektromagnetsko polje. Vodič je materijal ili rastaljena sol (elektrolit) koji ima mali otpor prolasku elektrona. Na jakost električne struje utječu dva fizikalne veličine: napon i otpor. O njima će biti riječi u nastavku. Jačina struje uvijek je izravno proporcionalna naponu i obrnuto proporcionalna otporu.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/risunok-4-768x552..jpg 800w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Formula za pronalaženje jakosti struje
Kao što je gore spomenuto, električna struja je uređeno kretanje elektrona u vodiču. Ali postoji jedno upozorenje: potreban im je određeni utjecaj da bi se kretali. Ovaj učinak nastaje stvaranjem razlike potencijala. Električni naboj može biti pozitivan ili negativan. Pozitivni naboji uvijek teže prema negativnim nabojima. To je neophodno za ravnotežu sustava. Razlika između broja pozitivno i negativno nabijenih čestica naziva se električni napon.
Gif?.gif 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/risunok-5-768x499.gif 768w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Formula za određivanje napona
Snaga je količina energije utrošena da se izvrši jedan J (džul) rada u vremenskom razdoblju od jedne sekunde. Mjerna jedinica u fizici označava se kao W (Watt), u SI sustavu W (Watt). Budući da je u pitanju električna snaga, ovdje se radi o vrijednosti električne energije utrošene za obavljanje određene radnje u nekom vremenskom razdoblju.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/risunok-6-120x74..jpg 750w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Formula za pronalaženje električne snage
Zaključno, valja napomenuti da je mjerna jedinica rada skalarna veličina, povezana je sa svim granama fizike i može se razmatrati iz perspektive ne samo elektrodinamike ili toplinske tehnike, već i drugih odjeljaka. U članku se ukratko razmatra vrijednost koja karakterizira mjernu jedinicu rada sile.
Video
« Fizika - 10. razred"
Zakon održanja energije temeljni je zakon prirode koji nam omogućuje da opišemo većinu pojava.
Opis kretanja tijela također je moguć korištenjem takvih pojmova dinamike kao što su rad i energija.
Prisjetite se što su rad i snaga u fizici.
Poklapaju li se ti pojmovi sa svakodnevnim predodžbama o njima?
Sve naše svakodnevne radnje svode se na to da mi, uz pomoć mišića, ili pokrećemo okolna tijela i održavamo to kretanje, ili zaustavljamo pokretna tijela.
Ova tijela su alati (čekić, olovka, pila), u igrama - lopte, podloške, šahovske figure. U proizvodnji i poljoprivreda ljudi također pokreću alate.
Korištenje strojeva višestruko povećava produktivnost rada zbog upotrebe motora u njima.
Svrha svakog motora je pokrenuti tijela i održati to kretanje, unatoč kočenju i običnim trenjem i "radnim" otporom (rezač ne bi trebao samo kliziti po metalu, već, zarezujući ga, uklanjati strugotine; plug bi trebao rahliti zemlju itd.). U tom slučaju na tijelo koje se kreće mora djelovati sila sa strane motora.
Rad se u prirodi obavlja kad god sila (ili više sila) drugog tijela (drugih tijela) djeluje na tijelo u smjeru njegova gibanja ili protiv njega.
Sila gravitacije djeluje kada kišne kapi ili kamenje padaju s litice. Pritom rad vrši i sila otpora koja djeluje na padajuće kapi ili na kamen iz zraka. Elastična sila vrši rad i kada se drvo savijeno vjetrom ispravlja.
Definicija rada.
Newtonov drugi zakon u obliku impulsa Δ = Δt omogućuje vam da odredite kako se brzina tijela mijenja u veličini i smjeru ako na njega djeluje sila tijekom vremena Δt.
Utjecaj sila na tijela koje dovode do promjene modula njihove brzine karakterizira vrijednost koja ovisi i o silama i o gibanju tijela. U mehanici se ta veličina naziva rad sile.
Promjena brzine u apsolutnoj vrijednosti moguća je samo u slučaju kada je projekcija sile F r na smjer gibanja tijela različita od nule. Upravo ta projekcija određuje djelovanje sile koja modulo mijenja brzinu tijela. Ona obavlja posao. Stoga se rad može smatrati umnoškom projekcije sile F r s modulom pomaka |Δ| (Sl. 5.1):
A = F r |Δ|. (5.1)
Ako kut između sile i pomaka označimo s α, tada Fr = Fcosα.
Stoga je rad jednak:
A = |Δ|cosα. (5.2)
Naša svakodnevna predodžba o radu razlikuje se od definicije rada u fizici. Držite težak kofer, a čini vam se da radite posao. Međutim, s fizičke točke gledišta, vaš rad je ravan nuli.
Rad stalne sile jednak je umnošku modula sile i pomaka točke djelovanja sile i kosinusa kuta između njih.
U općem slučaju, kada se kruto tijelo giba, pomaci njegovih različitih točaka su različiti, ali kada se određuje rad sile, mi smo pod Δ razumijemo kretanje njegove točke primjene. Tijekom translatornog gibanja krutog tijela, gibanje svih njegovih točaka podudara se s gibanjem točke primjene sile.
Rad, za razliku od sile i pomaka, nije vektorska, već skalarna veličina. Može biti pozitivan, negativan ili nula.
Predznak rada određen je predznakom kosinusa kuta između sile i pomaka. Ako je α< 90°, то А >0, budući da je kosinus oštri kutovi pozitivan. Za α > 90° rad je negativan jer je kosinus tupih kutova negativan. Pri α = 90° (sila okomita na pomak) nema rada.
Ako na tijelo djeluje više sila, tada je projekcija rezultante sile na pomak jednaka zbroju projekcija pojedinih sila:
F r = F 1r + F 2r + ... .
Stoga za rad rezultantne sile dobivamo
A = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + ... = A 1 + A 2 + .... (5.3)
Ako na tijelo djeluje više sila, tada je ukupni rad (algebarski zbroj radova svih sila) jednak radu rezultantne sile.
Rad sile može se prikazati grafički. Objasnimo to prikazivanjem na slici ovisnosti projekcije sile o koordinatama tijela kada se ono kreće pravocrtno.
Neka se tijelo giba duž osi OX (sl. 5.2).
Fcosα = F x, |Δ| = Δ x.
Za rad sile dobivamo
A = F|Δ|cosα = F x Δx.
Očito, površina pravokutnika osjenčanog na slici (5.3, a) brojčano je jednaka radu obavljenom prilikom pomicanja tijela iz točke s koordinatom x1 u točku s koordinatom x2.
Formula (5.1) vrijedi u slučaju kada je projekcija sile na pomak konstantna. U slučaju krivuljaste putanje, konstantne ili promjenjive sile, trajektoriju dijelimo na male segmente, koji se mogu smatrati pravocrtnim, a projekciju sile na mali pomak Δ - konstantno.
Zatim, izračunavanje rada na svakom pokretu Δ
a zatim zbrajanjem ovih radova, određujemo rad sile na konačnom pomaku (slika 5.3, b). Jedinica rada.
Jedinica rada može se utvrditi temeljnom formulom (5.2). Ako pri gibanju tijela po jedinici duljine na njega djeluje sila čiji je modul jednak jedan, a smjer sile podudara se sa smjerom gibanja njezine točke djelovanja (α = 0), tada je rad bit će jednak jedan. U Međunarodni sustav(SI) jedinica za rad je džul (označava se J):
1 J = 1 N 1 m = 1 N m.
Džul- to je rad sile od 1 N na pomak 1 ako se smjerovi sile i pomaka podudaraju.
Često se koristi više jedinica za rad: kilodžul i megadžul:
1 kJ = 1000 J,
1 MJ = 1000000 J.
Posao se može završiti u dugom ili vrlo kratkom roku. U praksi, međutim, nije svejedno može li se raditi brzo ili sporo. Vrijeme tijekom kojeg se obavlja rad određuje performanse bilo kojeg motora. Mali elektromotor može obaviti puno posla, ali će trebati puno vremena. Stoga se uz rad uvodi i veličina koja karakterizira brzinu kojom se proizvodi - snaga.
Snaga je omjer rada A i vremenskog intervala Δt tijekom kojeg se taj rad obavlja, odnosno snaga je brzina rada:
Zamjenom u formulu (5.4) umjesto rada A njegov izraz (5.2), dobivamo
Dakle, ako su sila i brzina tijela konstantne, tada je snaga jednaka umnošku veličine vektora sile s veličinom vektora brzine i kosinusa kuta između smjerova tih vektora. Ako su te veličine promjenjive, tada pomoću formule (5.4) možemo odrediti prosječnu snagu slično definiciji Prosječna brzina pokreti tijela.
Pojam snage uvodi se za procjenu rada u jedinici vremena koji izvrši bilo koji mehanizam (pumpa, dizalica, motor stroja itd.). Stoga se u formulama (5.4) i (5.5) uvijek misli na vučnu silu.
U SI se snaga izražava u vati (W).
Snaga je jednaka 1 W ako se u 1 s izvrši rad od 1 J.
Uz vat koriste se veće (višestruke) jedinice snage:
1 kW (kilovat) = 1000 W,
1 MW (megavat) = 1.000.000 W.
Imajte na umu da rad i energija imaju iste mjerne jedinice. To znači da se rad može pretvoriti u energiju. Na primjer, da bi se tijelo podiglo na određenu visinu, ono će imati potencijalnu energiju, potrebna je sila koja će izvršiti taj rad. Rad sile dizanja pretvorit će se u potencijalnu energiju.
Pravilo za određivanje rada prema grafu ovisnosti F(r): rad je numerički jednak površini figure ispod grafa sile prema pomaku.
Kut između vektora sile i pomaka
1) Pravilno odrediti smjer sile koja vrši rad; 2) Prikazujemo vektor pomaka; 3) Vektore prenesemo u jednu točku i dobijemo željeni kut.
Na slici na tijelo djeluju sila teže (mg), reakcija oslonca (N), sila trenja (Ftr) i sila zatezanja užeta F pod čijim utjecajem se tijelo razvija. pomiče r.
Rad sile teže
Reakcija na tlo
Rad sile trenja
Rad koji se izvodi zatezanjem užeta
Rad rezultantne sile
Rad rezultantne sile može se pronaći na dva načina: 1. metoda - kao zbroj radova (uzimajući u obzir predznake “+” ili “-”) svih sila koje djeluju na tijelo, u našem primjeru
Metoda 2 - prije svega pronađite rezultantnu silu, a zatim izravno njen rad, pogledajte sliku
Rad elastične sile
Za iznalaženje rada elastične sile potrebno je uzeti u obzir da se ta sila mijenja jer ovisi o produljenju opruge. Iz Hookeovog zakona slijedi da s povećanjem apsolutnog istezanja raste i sila.
Za izračun rada elastične sile pri prijelazu opruge (tijela) iz nedeformiranog stanja u deformirano stanje koristi se formula
Vlast
Skalarna veličina koja karakterizira brzinu rada (može se povući analogija s akceleracijom koja karakterizira brzinu promjene brzine). Određeno formulom
Učinkovitost
Učinkovitost je omjer korisnog rada koji stroj izvrši prema svom utrošenom radu (dobavljenoj energiji) tijekom istog vremena
Koeficijent korisna radnja izraženo u postotku. Što je ovaj broj bliži 100%, veća je izvedba stroja. Učinkovitost ne može biti veća od 100, jer je nemoguće izvršiti više rada s manje energije.
Učinkovitost nagnute ravnine je omjer rada gravitacije i rada utrošenog na kretanje duž nagnute ravnine.
Glavna stvar koju treba zapamtiti
1) Formule i mjerne jedinice;
2) Rad se izvodi prisilno;
3) Znati odrediti kut između vektora sile i pomaka
Ako je rad sile pri gibanju tijela po zatvorenoj putanji jednak nuli, tada se takve sile nazivaju konzervativan ili potencijal. Rad sile trenja pri gibanju tijela po zatvorenoj putanji nikada nije jednak nuli. Sila trenja za razliku od sile teže ili elastične sile je nekonzervativan ili nepotencijalni.
Postoje uvjeti pod kojima se formula ne može koristiti 
Ako je sila promjenljiva, ako je putanja gibanja zakrivljena linija. U tom slučaju staza se dijeli na male dionice za koje su ispunjeni ovi uvjeti i izračunava se elementarni rad na svakoj od tih dionica. Pun posao u ovom slučaju jednak je algebarskom zbroju elementarnih radova: 
Vrijednost rada određene sile ovisi o izboru referentnog sustava.