Qualsiasi movimento di un corpo nello spazio, che porta a un cambiamento nella sua energia totale, è associato al lavoro. In questo articolo, considereremo qual è questa quantità, in quale lavoro meccanico viene misurato e come viene indicato, e risolveremo anche un problema interessante su questo argomento.
Lavora come quantità fisica
Prima di rispondere alla domanda su in che cosa si misura il lavoro meccanico, facciamo conoscenza con questo valore. Secondo la definizione, il lavoro è il prodotto scalare della forza per il vettore di spostamento del corpo che questa forza ha causato. Matematicamente, possiamo scrivere la seguente uguaglianza:
LA=(FA¯S¯).
Le parentesi tonde indicano il prodotto punto. Date le sue proprietà, esplicitamente questa formula verrà riscritta come segue:
LA=FScos(α).
Dove α è l'angolo tra i vettori forza e spostamento.
Dalle espressioni scritte ne consegue che il lavoro si misura in Newton per metro (Nm). Come è noto,questa quantità è chiamata joule (J). Cioè, in fisica, il lavoro meccanico è misurato in unità di lavoro Joule. Un Joule corrisponde a tale lavoro, in cui una forza di un Newton, agendo parallelamente al movimento del corpo, porta ad una variazione della sua posizione nello spazio di un metro.
Per quanto riguarda la designazione del lavoro meccanico in fisica, va notato che la lettera A è usata più spesso per questo (dal tedesco ardeit - lavoro, lavoro). Nella letteratura in lingua inglese, puoi trovare la designazione di questo valore con la lettera latina W. Nella letteratura in lingua russa, questa lettera è riservata al potere.
Lavoro ed energia
Determinando la domanda su come si misura il lavoro meccanico, abbiamo visto che le sue unità coincidono con quelle dell'energia. Questa coincidenza non è casuale. Il fatto è che la quantità fisica considerata è uno dei modi di manifestazione dell'energia in natura. Qualsiasi movimento di corpi in campi di forza o in loro assenza richiede costi energetici. Questi ultimi sono usati per cambiare l'energia cinetica e potenziale dei corpi. Il processo di questo cambiamento è caratterizzato dal lavoro svolto.
L'energia è una caratteristica fondamentale dei corpi. È immagazzinato in sistemi isolati, può essere trasformato in forme meccaniche, chimiche, termiche, elettriche e di altro tipo. Il lavoro è solo una manifestazione meccanica dei processi energetici.
Lavorare con i gas
L'espressione scritta sopra per funzionareè fondamentale. Tuttavia, questa formula potrebbe non essere adatta per risolvere problemi pratici di diverse aree della fisica, quindi vengono utilizzate altre espressioni da essa derivate. Uno di questi casi è il lavoro svolto dal gas. È conveniente calcolarlo usando la seguente formula:
LA=∫V(PdV).
Qui P è la pressione nel gas, V è il suo volume. Sapendo in che cosa si misura il lavoro meccanico, è facile provare la validità dell'espressione integrale, infatti:
Pam3=N/m2m3=N m=J.
Nel caso generale, la pressione è una funzione del volume, quindi l'integrando può assumere una forma arbitraria. Nel caso di un processo isobarico, l'espansione o la contrazione di un gas avviene a pressione costante. In questo caso, il lavoro del gas è uguale al prodotto semplice del valore P e la variazione del suo volume.
Lavora ruotando il corpo attorno all'asse
Il movimento di rotazione è diffuso in natura e tecnologia. È caratterizzato dai concetti di momenti (forza, quantità di moto e inerzia). Per determinare il lavoro delle forze esterne che hanno causato la rotazione di un corpo o di un sistema attorno a un determinato asse, devi prima calcolare il momento della forza. Si calcola in questo modo:
M=Fd.
Dove d è la distanza dal vettore forza all'asse di rotazione, si chiama spalla. La coppia M, che ha portato alla rotazione del sistema di un angolo θ attorno ad un asse, fa il seguente lavoro:
LA=Mθ.
Qui Mè espresso in Nm e l'angolo θ è in radianti.
Attività di fisica per lavori meccanici
Come è stato detto nell'articolo, il lavoro è sempre svolto da questa o quella forza. Considera il seguente problema interessante.
Il corpo si trova su un piano inclinato rispetto all'orizzonte con un angolo di 25o. Scivolando verso il basso, il corpo ha acquisito una certa energia cinetica. È necessario calcolare questa energia, così come il lavoro di gravità. La massa di un corpo è di 1 kg, il percorso da esso percorso lungo il piano è di 2 metri. La resistenza all'attrito scorrevole può essere trascurata.
È stato mostrato sopra che solo la parte della forza che è diretta lungo lo spostamento funziona. È facile mostrare che in questo caso la seguente parte della forza di gravità agirà lungo lo spostamento:
F=mgpeccato(α).
Qui α è l'angolo di inclinazione del piano. Quindi il lavoro viene calcolato in questo modo:
LA=mgsin(α)S=19.810.42262=8.29 J.
Cioè, la gravità fa un lavoro positivo.
Ora determiniamo l'energia cinetica del corpo alla fine della discesa. Per fare ciò, ricorda la seconda legge newtoniana e calcola l'accelerazione:
a=Fa/m=solpeccato(α).
Poiché lo scorrimento del corpo è uniformemente accelerato, abbiamo il diritto di utilizzare la formula cinematica corrispondente per determinare il tempo del movimento:
S=at2/2=>
t=√(2S/a)=√(2S/(gpeccato(α))).
La velocità del corpo al termine della discesa si calcola come segue:
v=at=gsin(α)√(2S/(gsin(α)))=√(2Sgpeccato(α)).
L'energia cinetica del movimento traslatorio è determinata usando la seguente espressione:
E=mv2/2=m2Sgsin(α)/2=mSgsin(α).
Abbiamo ottenuto un risultato interessante: si scopre che la formula per l'energia cinetica corrisponde esattamente all'espressione per il lavoro di gravità, che è stata ottenuta in precedenza. Ciò indica che tutto il lavoro meccanico della forza F è finalizzato ad aumentare l'energia cinetica del corpo scorrevole. Infatti, a causa delle forze di attrito, il lavoro A risulta sempre maggiore dell'energia E.
