§ 50. Механічна робота

Властивості тіла у тому чи іншому стані характеризуються різними фізичними величинами. Наприклад, найголовнішим показником стану людини є її температура. Стан автомобіля у той чи інший момент залежить від швидкості руху, кількості пасажирів, маси вантажу, об’єму палива у баку, температури двигуна та ін. З часом стан тіла може змінюватися, змінюються й величини, які його характеризують. Так, якщо людина захворіла, то її температура підвищується; автомобіль змінив стан — змінюється температура двигуна, кількість палива у баку, покази спідометра і одометра.

Ми розглядаємо механічні явища, тому нас (поки що) цікавитимуть лише зміни величин, які характеризують механічний стан тіл. Механічний стан тіла, що рухається, на той чи інший момент часу визначається, зокрема, силою (рівнодій-ною сил), які діють на нього, та пройденим шляхом.

На дереві висить яблуко. Його механічний стан не змінюється доти, поки воно не зірветься. Достигле яблуко відривається від гілки й падає унаслідок дії сили тяжіння. Зміна стану яблука пов’язана із зміною його положення відносно Землі (гілки) і проходженням під дією сили тяжіння F певного шляху s (мал. 4.1).

Автомобіль, що рухається, теж змінює свій стан: унаслідок дії сили тяги F він змінює своє положення і проходить шлях s (мал. 4.2).

Як чисельно охарактеризувати зміну механічного стану тіла? Змоделюємо рух автомобіля, скориставшись брусочком

(автомобіль) і динамометром. Для зміни стану брусочка, що лежить на столі, потрібно подіяти на нього такою силою F, щоб він змінив швидкість і подолав певний шлях s (мал. 4.3).

Виявляється, для зміни стану яблука, автомобіля, брусочка чи іншого тіла необхідно, щоб на нього діяла сила і під її дією тіло пройшло певний шлях. Отже, зміна стану тіла, яке рухається, визначається прикладеною силою і шляхом, пройденим тілом під дією цієі сили.

Чим більша сила і чим більший шлях пройшло тіло під дією цієї сили, тим більші зміни відбулися в стані тіла. Щоб чисельно характеризувати зміну стану тіла, використовують фізичну величину, яку називають роботою сили і позначають літерою А.

Роботою в механіці називають фізичну величину,

яка визначаться добутком сили на пройдений під ді°ю цієї

сили шлях:

А = Fs.

Очевидно, щоб змінити стан гирі масою 1 кг, піднявши її на висоту 1 метр, необхідно прикласти силу 9,8 Н. Для підняття гирі масою 10 кг на цю саму висоту необхідно прикласти силу, у 10 разів більшу, і виконати роботу, теж у 10 разів більшу. Піднімаючи гирю масою 10 кг на висоту 2 м, потрібно виконати роботу удвічі більшу, тобто у 20 разів більшу, ніж для підняття гирі масою 1 кг на висоту 1 м.

Слід пам’ятати, що сила не завжди може змінювати стан тіла, навіть якщо воно переміщується. Коли автомобіль рухається по горизонтальній дорозі, на нього діє декілька сил, зокрема сила тяги двигуна і сила тяжіння. Проте переміщення автомобіля (а отже, і зміна його механічного стану) відбувається лише внаслідок дії сили тяги двигуна. Тому можна говорити лише про роботу сили тяги, яка забезпечує рух автомобіля по дорозі. Якою б великою не була сила тяжіння, що діє на автомобіль, її робота дорівнює 0. А коли з дерева відривається й падає яблуко, то під дією сили тяжіння воно проходить певний шлях (висоту). У цьому випадку сила тяжіння виконує роботу. Так само, яку б силу ви не прикладали, намагаючись пересунути шафу, якщо шафа не зрушить з місця й під дією прикладеної сили не пройде певний шлях, ваша робота дорівнюватиме 0. (Пізніше ви дізнаєтеся й про інші особливості, пов’язані з визначенням роботи різних сил.)

Одиниці роботи. Одиницею роботи в СІ є джоуль (1 Дж). Ця одиниця названа на честь Д.Джоуля, видатного англійського вченого. Оскільки в СІ одиницею сили є 1 Н, а одиницею шляху 1 м, то з формули для визначення роботи сили випливає: 1 Дж = 1 Н • 1 м.

1 Дж — це робота, яку виконує сила в 1 Н, переміщуючи тіло на 1 м.

Прикладом виконання роботи в 1 Дж є підняття гирьки масою 100 г на висоту, дещо більшу за 1 м (102 см).

Задача 1. Важкоатлет піднімає штангу масою 100 кг на висоту 2 м. Яку роботу він виконує?

Щоб підняти штангу масою m = 100 кг, необхідно прикласти силу, яка дорівнює вазі штанги Р, і перемістити її на висоту h = 2 м. Робота, виконана важкоатлетом, дорівнює добутку прикладеної ним сили на пройдений штангою шлях: A = Fs.

Оскільки F = P = mg, s = h, то A = Fs = mgh.

Підставивши в одержану формулу значення відповідних величин, отримаємо

Відповідь: А = 2 кДж.

Робота сила тяги електровоза, що тягне за собою довгу низку вагонів, залежно від пройденого шляху може становити мільйони джоулів. Але якщо діюча сила і пройдений шлях малі, то робота може становити сотні й тисячні частки джоуля. Тому використовують кратні й часткові одиниці роботи:

1 кДж (кілоджоуль) = 1000 Дж, 1 МДж (мегаджоуль) = = 1 000 000 Дж, 1 мДж (міліджоуль) = 0,001 Дж.

Термін робота у повсякденному житті використовують дуже часто. Роботою називаємо різну діяльність людини: робота слюсаря, робота будівельника, розумова робота, навчальна робота та ін. В усіх цих випадках - унаслідок виконання роботи відбуваються зміни в стані навколишнього середовищі або самої людини. Виконуючи роботу, будівельники зводять новий будинок. Робота вченого зумовлює відкриття нових явищ і законів природи. Унаслідок роботи конструкторів з’являються нові машини. Завдяки роботі на уроці учень отримує нові знання про навколишній світ.

У механіці вважають, що робота здійснюється лише тоді, коли на тіло діє сила і під дією цієї сили воно переміщується.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Що розуміють під механічною роботою?

2.    Які дві умови необхідні для виконання механічної роботи?

3.    Від яких двох величин залежить значення виконаної роботи?

4.    Запишіть формулу для обчислення роботи.

5.    Що є одиницею роботи?

6.    Чи виконує роботу учень, натискаючи на поверхню стола із силою 20 Н?

7.    По гладенькому льоду ковзає шайба. Припустимо, що опору рухові шайби немає (відсутнє тертя об лід і опір повітря). Чи виконується при цьому механічна робота?

8.    У яких із наведених нижче випадків виконується механічна робота: важкоатлет стоїть із піднятою угору штангою; дівчинка грає на піаніно; вода тисне на греблю водосховища; хлопчик піднімається на другий поверх?

9.    Під час оранки трактор тягне плуг із силою 1000 Н. Яку роботу виконує при цьому трактор на шляху 200 м?

10.    Яка робота виконується силою тяжіння під час вільного падіння яблука масою 100 г з висоти 2 м?

11.    Яку роботу виконують, переміщуючи дерев’яний брусок масою 200 г по горизонтальній поверхні на відстань 25 см, якщо коефіцієнт тертя між бруском і поверхнею 0,3?

12.    Сила тяги автомобіля під час рівномірного руху по шосе

з швидкістю 72 км/год становить 1500 Н. Визначте роботу, виконану двигуном автомобіля за 1 год руху.

13.    Яка сила удару молотка, якщо під час забивання гвіздка на глибину 5 см виконується робота 18 Дж?

Це матеріал з підручника Фізика 7 клас Бойко, Венгер, Мельничук.