Що це — робота у фізиці? Енергія і робота. Формула. Робота газів і сил тертя

Кожній людині зі свого життєвого досвіду відомо, що для підйому вантажу на певну висоту або для його перенесення на деяку відстань необхідно докласти певне зусилля. З фізичної точки зору кажуть, що слід зробити деяку роботу. Що це — робота у фізиці, розглянемо докладніше в статті.

Енергія і робота

Розглядаючи питання, що це — робота у фізиці, слід в першу чергу згадати про поняття енергії. Так, кожен школяр знає, що підняте над поверхнею землі тіло володіє потенційною енергією, а рухається з деякою швидкістю предмет характеризується кінетичної енергією. Якщо згадати фізику газів, то тут на перший план виходить внутрішня енергія системи. У чому сенс всіх цих типів енергій? З точки зору фізики енергія — це можливість зробити роботу. Остання не може бути виконана без наявності енергетичних запасів будь-якого виду у тіла. Наприклад, якщо предмет перебуває в потенційній ямі деякого зовнішнього поля електричного, гравітаційного) і не має кінетичної енергією, то він не може виконати над іншим тілом яку-небудь роботу.

Виконана робота проявляється у зміні просторових координат тіла або його геометричних розмірів. Так, робота по переміщенню вантажу — це зміна просторових координат останнього, а розширення газу — це зміна габаритів самої системи. Зауважимо, що поняття роботи завжди передбачає наявність механічного переміщення тіла або його частин. Якщо ж певний тип енергії був витрачений на нагрів іншого тіла, то в такому випадку говорять про зміну внутрішнього стану останнього, а не про виконану роботу першого.

Формула роботи у фізиці

Оскільки розглянута величина є фізичної, то для її обчислення існує конкретна формула. Згідно з визначенням роботи у фізиці, вона являє собою визначається у відповідності з наступним рівністю величину:

A = (F*L)

Це рівність говорить про те, що робота здійснюється з допомогою діючої на тіло сили F. Ця сила викликає переміщення тіла на вектор L. Скалярний добуток цих величин буде роботою A. Оскільки розглядається саме скалярний твір, то роботу здійснює лише проекція вектора F на вектор переміщення L. Якщо записати в явному вигляді формулу роботи у фізиці, то вийде наступне вираз:

A = F*L*cos(φ)

Де φ є кутом між розглянутими векторами.

Таким чином, ми з’ясували, що всяка робота у фізиці — це результат дії деякої сили по зміні параметрів тіла і його координат у просторі.

Одиниці вимірювання величини A

В ніж у фізиці вимірюється робота? Із записаних в пункті вище виразів випливає, що її одиницею є ньютон на метр (Н*м). Остання називається джоулем (Дж). Зазначимо, що одиниця Н*м зарезервована для кількісного визначення крутного моменту.

Нагадаємо, що енергія також вимірюється в Джоулях. Останнє є недивним, адже робота відображає переклад різних видів енергії в механічне рух тел.

Робота газів

Гази є текучими субстанціями, які ні форму, ні обсяг не зберігають при мінімальному зовнішньому впливі на них. Якщо газову систему нагрівати, то збільшення кінетичної енергії її атомів і молекул призводить до зростання тиску. Останнє змушує всю систему розширюватися. Коли газ розширюється, то говорять, що він робить позитивну роботу. Навпаки, стиснення системи відповідає негативній роботі. Якщо скористатися записаним вище виразом для A, то у випадку газів воно прийме таку форму:

A = ∫V(P*dV)

Згадуючи геометричний зміст інтеграла, можна сказати, що для газу у фізиці робота — це площа під кривою тиску, зображеної на плоскому графіку в осях P-V.

У загальному випадку тиск є функцією обсягу, тому даний інтеграл можна представити в явному вигляді. Тим не менш, для деяких випадків це виявляється можливим. Наприклад, для изобарного процесу одержуємо такий вираз для A:

A = P*(V2 — V1)

Де V2 і V1 — кінцевий і початковий обсяги системи.

Сили тертя і робота

Як відомо, під час будь-якого механічного руху тіла в будь-якому середовищі або по твердій поверхні виникають сили тертя. Оскільки вони діють в процесі переміщення тіла і перешкоджають йому, то роблять вони завжди негативну роботу. Розрахувати її можна так:

A = -Ft*L

Де сила тертя Ft розраховується за відповідною формулою. Наприклад, при ковзанні поверхонь твердих тіл один по одному для її обчислення використовують таку рівність:

Ft = µ*N

Тут µ і N — коефіцієнт тертя і реакція опори відповідно.

Під час переміщення тіла в текучою субстанції (в рідині або газі) величина Ft залежить від швидкості тіла прямо пропорційна або пропорційно квадрату її. Цей факт означає, що негативна робота сил тертя в текучих субстанціях швидко збільшується з підвищенням швидкості руху тіла в них.

Сили тертя в абсолютній більшості випадків є причиною зниження ККД різних механізмів і систем, включаючи такі прості пристрої, як важіль або блок.