§ 92. Одиниця роботи

Так як робота визначається твором сили на переміщення, то за одиницю роботи слід прийняти роботу, що здійснюється силою, що дорівнює одиниці, при переміщенні точки її докладання в напрямку дії сили на відстань, що дорівнює одиниці.

У СІ одиницею роботи служить робота сили, яка дорівнює одному ньютону, при переміщенні один метр. Ця одиниця має назву джоуль (Дж).

У системі СГС, в якій одиницею сили служить діна, а одиницею переміщення сантиметр, за одиницю роботи приймають ерг (ерг) роботу сили, що дорівнює 1 дін, при переміщенні 1 см.

92.1. Знайдіть роботу, яка відбувається протягом 3 хв насосом, що подає за 1 з 50 л води на висоту 20 м.

92.2. Хлопчик тягне санки горизонтальним шляхом, натягуючи прив'язану до них мотузку під кутом 37° до горизонту з силою 20 Н. Яку роботу він здійснить, протягнувши санки на 600 м?

Фізика (7 клас) / Робота та потужність. Енергія

У повсякденному житті під поняттям «робота» ми розуміємо все.

У фізиці поняття робота дещо інше. Це певна фізична величина, отже, її можна виміряти. У фізиці вивчається насамперед механічна робота.

Розглянемо приклади механічної роботи.

Потяг рухається під впливом сили тяги електровоза, у своїй відбувається механічна робота. При пострілі з рушниці сила тиску порохових газів здійснює роботу - переміщає кулю вздовж ствола, швидкість кулі при цьому збільшується.

З цих прикладів видно, що механічна робота відбувається, коли тіло рухається під впливом сили. Механічна робота відбувається у тому разі, коли сила, діючи на тіло (наприклад, сила тертя), зменшує швидкість його руху.

Бажаючи пересунути шафу, ми з силою на неї натискаємо, але якщо вона при цьому в рух не приходить, то механічної роботи ми не робимо. Можна уявити випадок, коли тіло рухається без участі сил (по інерції), у разі механічна робота також відбувається.

Отже, механічна робота відбувається, тільки коли на тіло діє сила, і воно рухається.

Неважко зрозуміти, що чим більша сила діє тіло і що довший шлях, який проходить тіло під впливом цієї сили, тим більша відбувається робота.

Механічна робота прямо пропорційна прикладеній силі та прямо пропорційна пройденому шляху.

Тому, умовилися вимірювати механічну роботу твором сили на шлях, пройдений цим напрямом цієї сили:

робота = сила × шлях

де А - робота, F - сила і s - Пройдений шлях.

За одиницю роботи приймається робота, що здійснюється силою в 1Н, на шляху, що дорівнює 1 м.

Одиниця роботи джоуль (Дж) названа на честь англійського вченого Джоуля. Таким чином,

1 Дж = 1Н · м.

Використовується також кілоджоулі (кДж) .

Формула А = Fs застосовна у тому випадку, коли сила F постійна та збігається з напрямком руху тіла.

Якщо напрямок сили збігається з напрямком руху тіла, то ця сила здійснює позитивну роботу.

Якщо ж рух тіла відбувається у напрямку, протилежному напрямку прикладеної сили, наприклад, сили тертя ковзання, то ця сила здійснює негативну роботу.

Якщо напрям сили, що діє на тіло, перпендикулярно до напрямку руху, то ця сила роботи не здійснює, робота дорівнює нулю:

Надалі, говорячи про механічну роботу, ми коротко називатимемо її одним словом — робота.

приклад. Обчисліть роботу, що здійснюється під час підйому гранітної плити об'ємом 0,5 м3 на висоту 20 м. Щільність граніту 2500 кг/м 3 .

Запишемо умову завдання і вирішимо її.

де F сила, яку потрібно прикласти, щоб рівномірно піднімати плиту вгору. Ця сила по модулю дорівнює силі тяж Fтяж, що діє на плиту, тобто F = Fтяж. А силу тяжкості можна визначити за масою плити: Fтяж = gm. Масу плити обчислимо, знаючи її об'єм та щільність граніту: m = ρV; s = h, тобто шлях дорівнює висоті підйому.

Отже, m = 2500 кг/м3 · 0,5 м3 = 1250 кг.

F = 9,8 Н/кг · 1250 кг ≈ 12250 Н.

A = 12250 Н · 20 м = 245000 Дж = 245 кДж.

Відповідь: А = 245 кДж.

Важелі. Потужність. Енергія

На здійснення однієї і тієї ж роботи різним двигунам потрібен різний час. Наприклад, підйомний кран на за кілька хвилин піднімає на верхній поверх будівлі сотні цегли. Якби ця цегла перетягувала робітника, то йому для цього знадобилося б кілька годин. Інший приклад. Гектар землі кінь може зорати за 10-12 год, трактор з багатолемішним плугом (леміш - Частина плуга, що підрізає пласт землі знизу і передає його на відвал; багатолемішний - багато лемешів), цю роботу виконає на 40-50 хв.

Зрозуміло, що підйомний кран ту ж роботу здійснює швидше, ніж робітник, а трактор — швидше за коня. Швидкість виконання роботи характеризують особливою величиною, яка називається потужністю.

Потужність дорівнює відношенню роботи до часу, за який вона була здійснена.

Щоб обчислити потужність, треба розділити роботу на час, протягом якого виконана ця робота. потужність = робота/час.

де N - Потужність, A - робота, t - Час виконаної роботи.

Потужність - величина постійна, коли за кожну секунду відбувається однакова робота, в інших випадках відношення A/t визначає середню потужність:

Nср = A/t . За одиницю потужності прийняли таку потужність, коли він у 1 з відбувається робота у Дж.

Ця одиниця називається ватом (Вт) на честь ще одного англійського вченого Уатта.

1 ват = 1 джоуль/ 1 секунда, або 1 Вт = 1 Дж/с.

Ватт (джоуль за секунду) — Вт (1 Дж/с).

У техніці широко використовується більші одиниці потужності. кіловат (кВт), мегават (МВт) .

1 МВт = 1000000 Вт

1 Вт = 0,000001 МВт

Гребля з потоком падаючої води

приклад. Знайти потужність потоку води, що протікає через греблю, якщо висота падіння води 25 м, а витрата її - 120 м 3 за хвилину.

Запишемо умову задачі та вирішимо її.

Дано:
Висота греблі h = 25 м
Об'єм води V = 120 м 3
Щільність води ρ = 1000 кг/м3
Час протікання води t = 60 с
Прискорення вільного падіння g = 9,8 м/с 2

Знайти: потужність потоку води N -?

Рішення: Маса падаючої води дорівнює щільності води ρ помноженої на об'єм води V: m = ρV,
m = 1000 кг/м 3 · 120 м 3 = 120 000 кг (або 12 · 10 4 кг).

Сила тяжіння F, що діє на воду, дорівнює прискоренню вільного падіння g помноженого на масу води m: F = gm,
F = 9.8 м/с2 · 120 000 кг ≈ 1 200 000 Н (або 12 · 10 5 Н)

Робота A, що здійснюється падаючим з висоти потоком, дорівнює силі F помноженої на висоту h: A = Fh,
А = 1200000 Н · 25 м = 30000000 Дж (або 3 · 10 7 Дж).

Потужність потоку N дорівнює роботі A, поділеної на час t протягом якого ця робота була зроблена: N = A/t,
N = 30000000 Дж / 60 с = 500000 Вт або 0,5 МВт.

Відповідь: N = 0.5 МВт
(вимовляється: півмегавата)

Різні двигуни мають потужності від сотих і десятих часток кіловата (двигун електричної бритви, швейної машини) до сотень тисяч кіловат (водяні та парові турбіни).

Потужність деяких двигунів, квт.

На кожному двигуні є табличка (паспорт двигуна), на якій вказані деякі дані про двигун, у тому числі його потужність.

Потужність людини за нормальних умов роботи у середньому дорівнює 70-80 Вт. Здійснюючи стрибки, збігаючи сходами, людина може розвивати потужність до 730 Вт, а в окремих випадках і ще більшу.

Знаючи потужність двигуна, можна розрахувати роботу, що здійснюється цим двигуном протягом якогось проміжку часу.

З формули N = A/t випливає, що

Щоб обчислити роботу, необхідно потужність помножити на час, протягом якого відбувалася ця робота.

приклад. Двигун кімнатного вентилятора має потужність 35 Вт. Яку роботу він здійснює за 10 хв?

Запишемо умову задачі та вирішимо її.

A = 35 Вт * 600с = 21000 Вт * с = 21000 Дж = 21 кДж.

Відповідь A = 21 кДж.

Прості механізми.

З давніх-давен людина використовує для здійснення механічної роботи різні пристосування.

Кожному відомо, що важкий предмет (камінь, шафа, верстат), який неможливо зрушити руками, можна зрушити за допомогою довгої палиці — важеля.

На даний момент вважається, що за допомогою важелів три тисячі років тому при будівництві пірамід у Стародавньому Єгипті пересували та піднімали на велику висоту важкі кам'яні плити.

У багатьох випадках замість того, щоб піднімати важкий вантаж на деяку висоту, його можна вкочувати або втягувати на ту ж висоту по похилій площині або піднімати за допомогою блоків.

Пристосування, що служать для перетворення сили, називаються механізмами.

До простих механізмів відносяться: важелі та його різновиди блок, комір; похила площина та її різновиди — клин, гвинт. У більшості випадків прості механізми застосовують для того, щоб отримати виграш у силі, тобто збільшити силу, що діє на тіло, у кілька разів.

Прості механізми є і в побутових, і у всіх складних заводських і фабричних машинах, які ріжуть, скручують і штампують великі листи сталі або витягають найтонші нитки, з яких робляться потім тканини. Ці ж механізми можна виявити і в сучасних складних автоматах, друкарських та лічильних машинах.

Важіль. Рівновага сил на важелі.

Розглянемо найпростіший і найпоширеніший механізм — важіль.

Важель є твердим тілом, яке може обертатися навколо нерухомої опори.

На малюнках показано, як робітник для підняття вантажу як важіль, використовує брухт. У першому випадку робітник із силою F натискає на кінець брухту B, у другому - піднімає кінець B.

Робочому потрібно подолати вагу вантажу P силу, спрямовану вертикально вниз. Він повертає для цього брухт навколо осі, що проходить через єдину нерухому точку брухту — точку його опори Про. Сила F, з якою робітник діє на важіль, менше сили P, таким чином, робітник отримує виграш у силі. За допомогою важеля можна підняти такий важкий вантаж, який самотужки підняти не можна.

На малюнку зображено важіль, вісь обертання якого Про (точка опори) розташована між точками докладання сил А і У. На іншому малюнку показано схему цього важеля. Обидві сили F1 і F2, що діють на важіль, спрямовані в один бік.

Найкоротша відстань між точкою опори і прямою, вздовж якої діє важіль сила, називається плечем сили.

Щоб знайти плече сили, треба з точки опори опустити перпендикуляр на лінію дії сили.

Довжина цього перпендикуляра і буде плечимом даної сили. На малюнку показано, що ОА - плече сили F1; ОВ - плече сили F2 . Сили, що діють на важіль, можуть повернути його навколо осі у двох напрямках: по ходу або проти ходу годинникової стрілки. Так, сила F1 обертає важіль по ходу годинникової стрілки, а сила F2 обертає його проти годинникової стрілки.

Умову, у якому важіль перебуває у рівновазі під впливом доданих щодо нього сил, можна встановити з досвіду. При цьому треба пам'ятати, що результат дії сили залежить не тільки від її числового значення (модуля), але і від того, в якій точці вона прикладена до тіла, або як спрямована.

До важеля (див. мал.) по обидва боки від точки опори підвішуються різні вантажі так, що кожного разу важіль залишався в рівновазі. Сила, що діють на важіль, дорівнюють терезам цих вантажів. Для кожного випадку вимірюються модулі сил та їхні плечі. З досвіду, зображеного на малюнку 154, видно, що сила 2 Н врівноважує силу 4 Н. При цьому, як видно з малюнка, плече меншої сили в 2 рази більше за плече більшою силою.

З таких дослідів було встановлено умова (правило) рівноваги важеля.

Важель перебуває в рівновазі тоді, коли сили, що діють на нього, обернено пропорційні плечам цих сил.

Це правило можна записати у вигляді формули:

F1/F2 = l2/l1,

де F1 і F2- сили, що діють на важіль, l1 і l2, - плечі цих сил (див. мал.).

Правило рівноваги важеля встановлено Архімедом близько 287—212 гг. до зв. е. (Але в минулому параграфі говорилося, що важелі використовувалися єгиптянами? Чи тут важливу роль відіграє слово «встановлене»?)

З цього правила випливає, що меншою силою можна врівноважити за допомогою важеля більшу силу. Нехай одне плече важеля в 3 рази більше за інше (див рис.). Тоді, прикладаючи в точці силу, наприклад, в 400 Н, можна підняти камінь вагою 1200 Н. Щоб підняти ще більш важкий вантаж, потрібно збільшити довжину плеча важеля, на яке діє робітник.

приклад. За допомогою важеля робітник піднімає плиту масою 240 кг (див. рис. 149). Яку силу прикладає він до більшого плеча важеля, що дорівнює 2,4 м, якщо менше плече дорівнює 0,6 м?

Запишемо умову завдання і вирішимо її.

За правилом рівноваги важеля F1/F2 = l2/l1, звідки F1 = F2 l2/l1, де F2 = Р - вага каменю. Вага каменю asd = gm, F = 9,8 Н · 240 кг ≈ 2400 Н

Тоді, F1 = 2400 Н · 0,6/2,4 = 600 Н.

Відповідь : F1 = 600 Н.

У прикладі робочий долає силу 2400 Н, прикладаючи до важеля силу 600 Н. Але при цьому плече, на яке діє робітник, у 4 рази довше за те, на яке діє вага каменю (l1 : l2 = 2,4 м: 0,6 м = 4).

Застосовуючи правило важеля, можна меншою силою врівноважити більшу силу. При цьому плече меншої сили має бути довшим за плече більшої сили.

Момент сили.

Вам вже відомо правило рівноваги важеля:

F1 / F2 = l2 / l1,

Користуючись властивістю пропорції (твор її крайніх членів, дорівнює добутку її середніх членів), запишемо його в такому вигляді:

F1l1 = F2l2 .

У лівій частині рівності стоїть добуток сили F1 на її плече l1, а у правій - добуток сили F2 на її плече l2 .

Твір модуля сили, що обертає тіло, на її плече називається моментом сили; він позначається літерою М. Значить,

Важель знаходиться в рівновазі під дією двох сил, якщо момент сили, що обертає його за годинниковою стрілкою, дорівнює моменту сили, що обертає його проти годинникової стрілки.

Це правило, зване правилом моментів, Можна записати у вигляді формули:

Справді, у розглянутому нами досвіді (§ 56) діючі сили дорівнювали 2 Н і 4 Н, їхні плечі відповідно становили 4 і 2 тиску важеля, тобто моменти цих сил однакові при рівновазі важеля.

Момент сили, як і будь-яка фізична величина, можна виміряти. За одиницю моменту сили приймається момент сили 1 Н, плече якої дорівнює 1 м.

Ця одиниця називається ньютон-метр (Н · м).

Момент сили характеризує дію сили, і показує, що вона залежить одночасно і від модуля сили, і її плеча. Справді, ми вже знаємо, наприклад, що дія сили на двері залежить і від модуля сили, і від того, де прикладена сила. Двері тим легше повернути, чим далі від осі обертання прикладена сила, що діє на неї. Гайку, краще відвернути довгим гайковим ключем, ніж коротким. Відро тим легше підняти з колодязя, чим довша ручка ворота, і т.д. буд.

Важелі в техніці, побуті та природі.

Правило важеля (чи правило моментів) лежить в основі дії різноманітних інструментів і пристроїв, що застосовуються в техніці та побуті там, де потрібен виграш в силі або в дорозі.

Виграш у силі ми маємо під час роботи з ножицями. Ножиці — це важіль (Рис), вісь обертання якого, відбувається через гвинт, що з'єднує обидві половини ножиць. Чинною силою F1 є м'язова сила руки людини, що стискає ножиці. Протидіючою силою F2 - сила опору такого матеріалу, який ріжуть ножицями. Залежно від призначення ножиць, їх пристрій буває різним.Конторські ножиці, призначені для різання паперу, мають довгі леза та майже таку ж довжину ручки. Для різання паперу не потрібна велика сила, а довгим лезом зручніше різати по прямій лінії. Ножиці для різання листового металу (рис.) мають ручки набагато довші за леза, оскільки сила опору металу велика і для її врівноваження плече діючої сили доводиться значно збільшувати. Ще більша різниця між довжиною ручок і відстанню ріжучої частини та осі обертання в кусачках (Рис.), призначених для перекушування дроту.

Важелі різного виду є у багатьох машин. Ручка швейної машини, педалі або ручне гальмо велосипеда, педалі автомобіля та трактора, клавіші піаніно - все це приклади важелів, що використовуються в цих машинах та інструментах.

Приклади застосування важелів – це рукоятки лещат і верстатів, важіль свердлильного верстата тощо.

На принципі важеля заснована дія і важелів (рис.). Навчальні ваги, зображені на малюнку 48 (с. 42), діють як рівноплечий важіль. У десяткових вагах плече, до якого підвішена чашка з гирями, в 10 разів довша за плече, що несе вантаж. Це значно полегшує зважування великих вантажів. Зважуючи вантаж на десяткових терезах, слід помножити масу гир на 10.

Пристрій ваг для зважування вантажних вагонів автомобілів також ґрунтується на правилі важеля.

Важелі зустрічаються також у різних частинах тіла тварин і людини. Це, наприклад, руки, ноги, щелепи. Багато важелів можна знайти в тілі комах (прочитавши книгу про комах та будову їхнього тіла), птахів, у будові рослин.

Застосування закону рівноваги важеля до блоку.

Блок є колесом з жолобом, укріплене в обоймі. По жолобу блоку пропускається мотузка, трос чи ланцюг.

Нерухомим блоком називається такий блок, вісь якого закріплена, і під час підйому вантажів не піднімається і опускається (рис).

Нерухомий блок можна розглядати як рівноплечий важіль, у якого плечі сил дорівнюють радіусу колеса (рис): ОА = ОВ = r. Такий блок не дає виграшу у силі. (F1 = F2), але дозволяє змінювати напрямок дії сили. Рухомий блок - Це блок. вісь якого піднімається і опускається разом із вантажем (рис.). На малюнку показаний відповідний важіль: Про - точка опори важеля, ОА - плече сили Р і ОВ - плече сили F. Бо плече ОВ у 2 рази більше плеча ОА, то сила F у 2 рази менше сили Р:

Таким чином, рухомий блок дає виграш у силі у 2 рази.

Це можна довести та користуючись поняттям моменту сили. При рівновазі блоку моменти сил F і Р рівні один одному. Але плече сили F у 2 рази більше плеча сили Р, а, отже, сама сила F у 2 рази менше сили Р.

Зазвичай практично застосовують комбінацію нерухомого блоку з рухомим (рис.). Нерухомий блок застосовується лише для зручності. Він не дає виграшу в силі, але змінює напрямок дії сили. Наприклад, дозволяє піднімати вантаж, стоячи землі. Це знадобиться багатьом людям чи робітникам. Тим не менш, він дає виграш в силі в 2 рази більше, ніж звичайно!

Рівність робіт під час використання простих механізмів. "Золоте правило" механіки.

Розглянуті нами прості механізми застосовуються під час виконання роботи у випадках, коли треба дією однієї сили врівноважити іншу силу.

Звичайно, виникає питання: даючи виграш у силі чи шляху, чи не дають прості механізми виграшу в роботі? Відповідь на запитання можна отримати з досвіду.

Врівноваживши на важелі дві якісь різні за модулем сили F1 і F2 (рис.), наводимо важіль у рух. При цьому виявляється, що за той самий час точка докладання меншої сили F2 проходить більший шлях s2 , а точка докладання більшої сили F1 - менший шлях s1. Вимірявши ці шляхи та модулі сил, знаходимо, що шляхи, пройдені точками докладання сил на важелі, обернено пропорційні силам:

s1 / s2 = F2 / F1.

Таким чином, діючи на довге плече важеля, ми виграємо в силі, але при цьому стільки ж разів програємо в дорозі.

Твір сили F на шлях s є робота. Наші досліди показують, що роботи, які здійснюються силами, прикладеними до важеля, рівні один одному:

F1 s1 = F2 s2, тобто А1 = А2.

Отже, при використанні важеля виграшу у роботі не вийде.

Користуючись важелем, ми можемо виграти або силою, або відстані. Діючи ж силою на коротке плече важеля, ми виграємо на відстані, але стільки ж разів програємо в силі.

Існує легенда, що Архімед, захоплений відкриттям правила важеля, вигукнув: Дайте мені точку опори, і я переверну Землю!.

Звичайно, Архімед не міг би впоратися з таким завданням, якби навіть йому дали б точку опори (яка мала б бути поза Землею) і важіль потрібної довжини.

Для підйому землі всього на 1 см довге плече важеля мало б описати дугу величезної довжини. Для переміщення довгого кінця важеля цим шляхом, наприклад, зі швидкістю 1 м/с, знадобилися б мільйони років!

Не дає виграшу в роботі та нерухомий блок, у чому легко переконатись на досвіді (див. рис.). Шляхи, що проходять точками докладання сил F і F, однакові, однакові й сили, отже, однакові роботи.

Можна виміряти і порівняти між собою роботи, які здійснюються за допомогою рухомого блоку.Щоб за допомогою рухомого блоку підняти вантаж на висоту h, необхідно кінець мотузки, до якого прикріплений динамометр, як показує досвід (рис.), перемістити на висоту 2h.

Таким чином, отримуючи виграш в силі в 2 рази, програють у 2 рази в дорозі, отже, і рухливий блок, що дає виграшу в роботі.

Багатовікова практика показала, що жоден із механізмів не дає виграш у роботі. Застосовують різні механізми для того, щоб в залежності від умов роботи виграти в силі або в дорозі.

Вже давнім вченим було відомо правило, яке стосується всіх механізмів: у скільки разів виграємо в силі, у стільки ж разів програємо на відстані. Це правило назвали «золотим правилом» механіки.

Коефіцієнт корисної дії механізму.

Розглядаючи пристрій та дію важеля, ми не враховували тертя, а також вагу важеля. у цих ідеальних умовах робота, досконала прикладеною силою (цю роботу ми називатимемо повної), дорівнює корисний роботі з підйому вантажів або подолання якогось опору.

На практиці досконала за допомогою механізму повна робота завжди дещо більша за корисну роботу.

Частина роботи відбувається проти сили тертя у механізмі і з переміщенню окремих частин. Так, застосовуючи рухомий блок, доводиться додатково виконувати роботу з підйому самого блоку, мотузки та визначення сили тертя в осі блоку.

Якого ми механізму ми не взяли, корисна робота, виконана з його допомогою, завжди становить лише частину повної роботи. Отже, позначивши корисну роботу літерою Ап, повну (витрачену) роботу літерою Аз, можна записати:

Відношення корисної роботи до роботи називається коефіцієнтом корисної дії механізму.

Скорочено коефіцієнт корисної дії позначається ККД.

ККД зазвичай виражається у відсотках і позначається грецькою буквою η, читається він як «ця»:

приклад: На короткому плечі важеля підвішено вантаж масою 100 кг. Для його підйому до довгого плеча прикладена сила 250 Н. Вантаж підняли на висоту h1 = 0,08 м, при цьому точка застосування рушійної сили опустилася на висоту h2 = 0,4 м. Знайти ККД важеля.

Запишемо умову задачі та вирішимо її.

Повна (витрачена) робота Аз = Fh2.

Корисна робота Ап = Рh1

Р = 9,8 · 100 кг ≈ 1000 Н.

Ап = 1000 Н · 0,08 = 80 Дж.

Аз = 250 Н · 0,4 м = 100 Дж.

η = 80 Дж/100 Дж · 100% = 80%.

Відповідь : η = 80%.

Але «золоте правило» виконується й у разі. Частина корисної роботи - 20% її - витрачається на подолання тертя в осі важеля і опору повітря, а також на рух самого важеля.

ККД будь-якого механізму завжди менше 100%. Конструюючи механізми, люди прагнуть збільшити їх ККД. Для цього зменшуються тертя в осях механізмів та їх вага.

Енергія.

На заводах та фабриках, верстати та машини наводяться в рухи за допомогою електродвигунів, які витрачають при цьому електричну енергію (звідси й назва).

Автомобілі і літаки тепловози і теплоходи працюють, витрачаючи енергію палива, що горить, гідротурбіни — енергію падаючої з висоти води. Та й самі ми, щоб жити, навчатися та працювати, відновлюємо свій запас енергії за допомогою їжі, яку ми їмо.

Слово «енергія» вживається часто й у побуті. Так, наприклад, людей, які можуть швидко виконувати велику роботу, ми називаємо енергійними, які мають велику енергію. Що таке енергія? Щоб відповісти це питання, розглянемо приклади.

Стиснута пружина (рис), розпрямляючись, зробити роботу, підняти на висоту вантаж, або змусити рухатися візок.

Піднятий над землею нерухомий вантаж не виконує роботи, але якщо цей вантаж впаде, він може зробити роботу (наприклад, може забити в землю палю).

Здатністю зробити роботу має і всяке тіло, що рухається. Так, сталева кулька А (рис), що скотилася з похилої площини, ударившись об дерев'яний брусок В, пересуває його на деяку відстань. У цьому відбувається робота.

Якщо тіло або кілька тіл, що взаємодіють між собою (система тіл) можуть здійснити роботу, говориться, що вони мають енергію.

Енергія - фізична величина, що показує, яку роботу може здійснити тіло (або кілька тіл). Енергія виявляється у системі СІ у тих самих одиницях, як і роботу, тобто у джоулях.

Чим більшу роботу може зробити тіло, тим більшою енергією воно має.

При виконанні роботи енергія тіл змінюється. Досконала робота дорівнює зміні енергії.

Потенційна та кінетична енергія.

Потенційною (від лат. потенція - Можливість) енергією називається енергія, яка визначається взаємним становищем взаємодіючих тіл і частин одного і того ж тіла.

Потенційною енергією, наприклад, має тіло, підняте щодо поверхні Землі, тому що енергія залежить від взаємного становища його та Землі. та їх взаємного тяжіння. Якщо вважати потенційну енергію тіла, що лежить на Землі, що дорівнює нулю, то потенційна енергія тіла, піднятого на деяку висоту, визначиться роботою, яку зробить сила тяжкості під час падіння тіла на Землю. Позначимо потенційну енергію тіла Еп, оскільки Е = А , А робота, як ми знаємо, дорівнює добутку сили на шлях, то

де F - Сила тяжіння.

Значить, і потенційна енергія Еп дорівнює:

де g - прискорення вільного падіння, m - Маса тіла, h - Висота, на яку піднято тіло.

Величезною потенційною енергією має вода в річках, що утримується греблями. Падаючи вниз, вода здійснює роботу, рухаючи потужні турбіни електростанцій.

Потенційну енергію молота копра (мал.) використовують у будівництві для здійснення роботи із забивання паль.

Відкриваючи двері з пружиною, здійснюється робота з розтягування (або стиснення) пружини. За рахунок набутої енергії пружина, скорочуючись (або розпрямляючись), виконує роботу, закриваючи двері.

Енергію стислих і розкручених пружин використовують, наприклад, у ручному годиннику, різноманітних заводних іграшках та ін.

Потенційною енергією має будь-яке пружне деформоване тіло. Потенційну енергію стиснутого газу використовують у роботі теплових двигунів, у відбійних молотках, які широко застосовують у гірській промисловості, при будівництві доріг, виїмці твердого ґрунту тощо.

Енергія, якою володіє тіло внаслідок свого руху, називається кінетичною (від грец. кінема - Рух) енергією.

Кінетична енергія тіла позначається буквою Едо.

Вода, що рухається, приводячи в обертання турбіни гідроелектростанцій, витрачає свою кінетичну енергію і здійснює роботу. Кінетичною енергією володіє і рухоме повітря - вітер.

Від чого залежить кінетична енергія? Звернемося до досвіду (див. мал.). Якщо скочувати кульку А з різних висот, то можна помітити, що чим з більшої висоти скочується кулька, тим більша її швидкість і тим далі вона просуває брусок, тобто робить велику роботу. Отже, кінетична енергія тіла залежить від швидкості.

За рахунок швидкості великою кінетичною енергією володіє куля, що летить.

Кінетична енергія тіла залежить від його маси. Ще раз проробимо наш досвід, але скочуватимемо з похилої площини іншу кульку — більшої маси. Брусок В пересунеться далі, тобто буде виконана більша робота. Значить, і кінетична енергія другої кульки, більша, ніж першої.

Чим більша маса тіла і швидкість, з якою він рухається, тим більша його кінетична енергія.

Для того, щоб визначити кінетичну енергію тіла, застосовується формула:

де m - Маса тіла, v - Швидкість руху тіла.

Кінетичну енергію тіл використовують у техніці. Утримувана греблею вода має, як було вже сказано, велику потенційну енергію. При падінні з греблі вода рухається і має таку ж велику кінетичну енергію. Вона надає руху турбіну, з'єднану з генератором електричного струму. За рахунок кінетичної енергії води виробляється електрична енергія.

Енергія води, що рухається має велике значення в народному господарстві. Цю енергію використовують за допомогою потужних гідроелектростанцій.

Енергія падаючої води є екологічно чистим джерелом енергії на відміну енергії палива.

Всі тіла в природі щодо умовного нульового значення мають або потенційну, або кінетичну енергію, а іноді ту й іншу разом. Наприклад, літак, що летить, володіє відносно Землі і кінетичною і потенційною енергією.

Ми познайомилися із двома видами механічної енергії. Інші види енергії (електрична, внутрішня та ін) будуть розглянуті в інших розділах курсу фізики.

Перетворення одного виду механічної енергії на інший.

У природі, техніці та побуті можна часто спостерігати перетворення одного виду механічної енергії в інший: потенційну на кінетичну та кінетичну на потенційну. Наприклад, при падінні води з греблі її потенційна енергія перетворюється на кінетичну. У маятнику, що коливається, періодично ці види енергії переходять один в одного.

Явище перетворення одного виду механічної енергії на інший дуже зручно спостерігати на приладі, зображеному малюнку. Накручуючи на вісь нитку, піднімають диск приладу. Диск, піднятий вгору, має деяку потенційну енергію. Якщо його відпустити, він, обертаючись, почне падати. У міру падіння потенційна енергія диска зменшується, але водночас зростає його кінетична енергія. Наприкінці падіння диск має такий запас кінетичної енергії, що може знову піднятися майже до колишньої висоти. (Частина енергії витрачається на роботу проти сили тертя, тому диск не досягає початкової висоти.) Піднявшись нагору, диск знову падає, а потім знову піднімається. У цьому досвіді при русі диска вниз його потенційна енергія перетворюється на кінетичну, а при русі вгору кінетична перетворюється на потенційну.

Перетворення енергії з одного виду в інший відбувається також при ударі двох якихось пружних тіл, наприклад гумового м'яча об підлогу або сталевої кульки об сталеву плиту.

Якщо підняти над сталевою плитою сталеву кульку (рис) і випустити її з рук, вона падатиме. У міру падіння кульки його потенційна енергія зменшується, а кінетична зростає, оскільки збільшується швидкість руху кульки. При ударі кульки об плиту відбудеться стиск як кульки, і плити. Кінетична енергія, якою кулька мала, перетвориться на потенційну енергію стиснутої плити та стисненої кульки.Потім завдяки дії пружних сил плита і кулька приймуть свою початкову форму. Кулька відскочить від плити, а їх потенційна енергія знову перетвориться на кінетичну енергію кульки: кулька відскочить вгору зі швидкістю, майже рівною швидкості, яку мав у момент удару об плиту. При підйомі вгору швидкість кульки, отже, та її кінетична енергія зменшуються, потенційна енергія збільшується. відскочивши від плити, кулька піднімається майже до тієї ж висоти, з якої почала падати. У верхній точці підйому вся його кінетична енергія знову перетвориться на потенційну.

Явища природи зазвичай супроводжується перетворенням одного виду енергії на інший.

Енергія може і передаватися від одного тіла до іншого. Так, наприклад, при стрільбі з лука потенційна енергія натягнутої тятиви переходить у кінетичну енергію стріли, що летить.

Як розрахувати роботу

Співавтором цієї статті є Anne Schmidt, наш постійний співавтор. Постійні співавтори wikiHow працюють у тісній співпраці з нашими редакторами, щоб забезпечити максимальну точність та повноту статей.

Кількість переглядів цієї статті: 12 823.

У фізиці поняття "робота" має інше визначення, ніж те, що використовується у повсякденному житті. Зокрема термін "робота" використовується, коли фізична сила змушує об'єкт переміщатися. Загалом, якщо потужна сила змушує об'єкт переміщатися дуже далеко, виконується багато роботи. І якщо сила – невелика чи об'єкт не переміщається дуже далеко, – то лише невелика робота. Сила може бути розрахована за формулою: Робота = F × D × косинус(θ), де F = сила (в Ньютонах), D = зміщення (в метрах), і θ = кут між вектором сили та напрямом руху.

Знаходження значення роботи в одному вимірі

• Щоб зробити цей процес легким для розуміння, давайте наслідувати приклад завдання. Скажімо, іграшковий вагон тягнеться прямо вперед поїздом перед ним. В цьому випадку вектор сили та напрямок руху поїзда вказують на однаковий шлях. вперед. На наступних кроках ми будемо використовувати цю інформацію, щоб допомогти знайти роботу, виконану об'єктом.

• Зверніть увагу, що одиниці вимірювання відстані повинні бути за метри у формулі для обчислення роботи.
• У нашому прикладі іграшкового поїзда припустимо, що знаходимо роботу, виконану поїздом, коли він проходить трасою. Якщо він стартує у певній точці і зупиняється на місці близько 2 метрів по трасі, то ми можемо використовувати 2 метри для нашого значення "D" у формулі.

• Зверніть увагу, що одиниці виміру сили мають бути в Ньютонах для обчислення формули роботи.
• У нашому прикладі припустимо, що не знаємо величину сили. Тим не менш, давайте припустимо, що знаємощо іграшковий поїзд має масу 0,5 кг і що сила змушує його прискорюватися зі швидкістю 0,7 метрів/секунду 2 . У цьому випадку можемо знайти величину шляхом множення M × A = 0.5 × 0.7 = 0.35 Ньютон.

• Настав час вирішити наш приклад завдання. При значенні сили 0,35 Ньютон та значенні усунення - 2 метри, наша відповідь є питанням простого множення: 0.35 × 2 = 0.7 Джоулей.
• Ви, можливо, помітили, що у формулі, наведеній у вступі, є додаткова частина формули: косинус (θ). Як обговорювалося вище, у цьому прикладі сила та напрямок руху застосовуються в одному напрямку. Це означає, що кут між ними дорівнює 0 o . Оскільки косинус (0) = 1, ми не повинні включати його — ми просто множимо на 1.

• Зверніть увагу, що Джоуль також має альтернативне визначення - 1 Ватт потужності, що випромінюється за одну секунду. [4] X Джерело інформації Читайте нижче про детальніше обговорення потужності та її співвідношення до роботи.