Jokainen ymmärtää, että työ on eräänlaista ihmisen sosiaalista toimintaa, jota hän tarvitsee olemassaolonsa turvaamiseksi. Fysiikassa on kuitenkin myös samanlainen käsite, jolla on täysin erilainen merkitys. Mitä on työ fysiikassa, tämä artikkeli vastaa.
Toimi fyysisenä suurena
Vastaamalla kysymykseen, mitä työtä fysiikassa on, on syytä selventää, että tämä on energia, joka kuluu minkä tahansa toiminnan suorittamiseen. Esimerkiksi henkilö siirtää kuormaa paikasta toiseen samalla kun hän työskentelee kitkavoimia vastaan. Jos tämä henkilö alkaa nostaa kuormaa, hänen työnsä on suunnattu planeetan gravitaatiovoiman voittamiseksi. Toinen esimerkki: männän alla oleva kaasu alkaa kuumennuksen seurauksena lisätä tilavuuttaan, jolloin sanotaan, että se tekee jonkin verran työtä.
Kaikissa yllä mainituissa tapauksissa on yksi yhteinen piirre: työ eroaa nollasta vain silloin, kun esineiden tai niiden osien mekaanista liikettä tapahtuu(työntekijän liikkuminen kuorman kanssa, kaasun laajeneminen).
Työ on siis prosessi, jossa tietylle keholle siirretään energiaa tilasta toiseen, minkä seurauksena tämä keho muuttaa asentoa avaruudessa.
Työkaava
Näytetään nyt, kuinka tutkittava arvo lasketaan kvantitatiivisesti. Energian siirto eri tilojen välillä on mahdollista vain, jos jokin voima on läsnä. Tämä voi olla ihmisen käsien ja jalkojen fyysinen ponnistus, koneiden voima, helposti voimaksi muuntuva paine, polttoaineen palaessa sylinterissä, sähkömoottorin sähkömagneettisen induktion voima ja niin edelleen.
Seuraava kaava vastaa kysymykseen, kuinka löytää fysiikan työpaikka:
A=(F¯l¯)
Työ A on skalaarisuure, kun taas voima F¯ ja siirtymä l¯ ovat vektorisuureita. Siksi A:n laskentakaava käyttää sulkeita osoittamaan, että puhumme vektorien skalaaritulosta. Skalaarimuodossa yllä oleva lauseke voidaan kirjoittaa uudelleen seuraavasti:
A=Flcos(φ)
Tässä φ on voimavektorien F¯ ja siirtymän l¯ välinen kulma.
Koska siirtymä mitataan metreinä ja voima on Newtoneissa, työn yksikkö on Newton per metri (Nm). SI-yksiköllä on oma nimi, joule (J). Osoittautuu, että 1 J:n työ vastaa 1 N:n voimaa, joka siirtymissuunnassa vaikuttaessaan liikutti kehoa1 metri.
Kaasutyö
Analysoimme kysymystä siitä, mitä mekaaninen työ on fysiikassa, ja annoimme kaavan, jolla se voidaan laskea. Laajentuvien kaasujen tapauksessa käytetään kuitenkin eri ilmaisua.
Oletetaan, että meillä on kaasujärjestelmä, joka täyttää tilavuuden V1 ja on paineen alaisena P. Anna sen tilavuuden muuttua jonkin järjestelmään kohdistuvan ulkoisen tai sisäisen vaikutuksen seurauksena ja tuli yhtä suureksi V2. Sitten kaasun A työ voidaan määrittää seuraavalla kaavalla:
A=∫V(P(V)dV)
Jos piirrät P(V)-funktion P-V-akseleille, käyrän alla oleva pinta-ala on numeerisesti yhtä suuri kuin A.
Isobaarisen prosessin (P=const) tapauksessa ihanteellisen kaasun os alta vastaus kysymykseen, kuinka löytää työtä fysiikassa, on seuraava yksinkertainen lauseke:
A=P(V2-V1)
Jos termodynaamisen prosessin seurauksena kaasun tilavuus ei muutu, sen työ on yhtä suuri kuin nolla. Jos V2>V1, kaasu toimii positiivisesti, jos V1>V 2, sitten negatiivinen.
Voimamomenttityö
Voimamomentti on fysikaalinen suure, joka ilmaistaan seuraavalla kaavalla:
M=[F¯r¯]
Toisin sanoen M on yhtä suuri kuin voiman F ja sädevektorin r tulo kiertoakselin ympäri. Voiman momentti ilmaistaan Nm.
Mikä on voimamomentin työ fysiikassa? Tähän kysymykseenseuraava kaava vastaa:
A=Mθ
Tämä yhtälö tarkoittaa, että jos järjestelmään vaikuttava momentti M saa sen pyörimään akselin ympäri kulman θ verran, niin se toimii A. Kulma θ on ilmaistava radiaaneina, jotta työ saadaan jouleina.
Voimamomentin työn laskennalla on tärkeä rooli kaikissa mekaanisissa järjestelmissä, joissa pyörii, kuten pyörät, vaihteet, akselit ja niin edelleen.
Painovoiman työ
Kun on selvitetty, mitä työ on fysiikassa, lasketaan tämä painovoiman arvo. Oletetaan, että kappale, jonka massa on m, putoaa korkeudelta h. Koska painovoima F vaikuttaa pystysuunnassa alaspäin, se tekee positiivista työtä. Se määritetään seuraavalla kaavalla:
A=mgh, jossa F=mg
Monet saadussa A:n arvon kaavassa näkevät kappaleen potentiaalienergian lausekkeen gravitaatiovoimien kentässä. Kehon putoamisen aikana painovoima siirtää kehon potentiaalisen energian sen liikkeen kineettiseksi energiaksi.
