Механическая работа. Единица работы

На первый взгляд, привести примеры ситуаций, когда выполняется работа, очень легко. Работу выполняют вода и воздух, машины и механизмы, строители и грузчики. А выполняет ли работу учащийся, который неподвижно держит в руках тяжелый портфель? программист, который выполняет задание сидя за компьютером? И вообще, что имеют в виду физики, когда говорят о механической работе?

Выясняем физический смысл механической работы

О механической работеговорят тогда, когда тело изменяет свое положение в пространстве в результате действия силы. Рассмотрим движение баржи, которую тянет буксир (рис. 30.1). Буксир действует на баржу с некоторой силой — силой тяги (_тяги). Груз на барже тоже действует на нее — давит своим весом Р. Физики говорят: сила тяги выполняет механическую работу, поскольку баржа движется в направлении силы тяги, а вот вес груза механическую работу не выполняет, поскольку в направлении веса (то есть вниз) баржа не движется.

Чем больший путь пройдет баржа под действием силы тяги, тем большую механическую работу выполнит эта сила. Механическая работа увеличится и при возрастании силы тяги — если, например, заставить буксир с баржей двигаться с большей скоростью. В общем случае механическая работа, выполняемая некоторой силой, зависит от значения силы и пути, пройденного телом в результате действия этой силы.

Механическая работа — это физическая величина, которая характеризует изменение положения тела под действием силы и равна произведению силы на путь, пройденный телом в направлении этой силы:

где A— механическая работа; F— значение силы, действующей на тело; і — путь, пройденный телом в направлении данной силы.

Единица работы в СИ— джоуль (Дж); названа так в честь английского ученого Джеймса Джоуля(рис. 30.2):

1 Дж равен механической работе, которую выполняет сила1 Н при перемещении тела на 1м в направлении действия этой силы:1 Дж = 1Н · м .

Обратите внимание!Поскольку сила действует на тело со стороны другого тела (буксир тянет баржу), не будет ошибкой говорить не о работе силы(работе силы натяжения троса), а о работе тела(работе буксира).

Узнаем, какие значения может иметь механическая работа

Вы уже знаете, что сила имеет направление, то есть сила — это векторная величина. А вот работа силы не имеет направления, то есть работа — скалярная величина. При этом работа может быть положительной, отрицательнойили равной нулю— в зависимости от того, куда направлена сила относительно направления движения тела:

На рис. 30.3 показаны силы, которые действуют на автомобиль, движущийся по горизонтальному участку дороги: сила тяги, сила сопротивления движению, силы нормальной реакции опоры, сила тяжести. Какая сила, по вашему мнению, выполняет положительную работу? отрицательную работу? Работа каких сил равна нулю?

Выясняем геометрический смысл механической работы

Пусть тело движется под действием постояннойсилы F, направление которой все время совпадает с направлением движения тела. Работа такой силы равна произведению силы на путь: А = Fl.

Построим график зависимости значения силы Fот пути ^ пройденного телом (рис. 30.4). Этот график представляет собой отрезок прямой, параллельной оси абсцисс (оси пути).

Из рисунка видим, что произведение F₁ ■ 1_х — это произведение длины и ширины прямоугольника, что соответствует площади 5 данного прямоугольника. В этом состоит геометрический смысл механической работы:

Если направление действующей на тело силы совпадает с направлением движения тела, то работа этой силы численно равна площади фигуры под графиком зависимости силы от пути, пройденного телом.

Это утверждение распространяется и на случаи, когда значение силы изменяется со временем.

Учимся решать задачи

Задача. С помощью пружины жесткостью 25 Н/м брусок передвигают по столу с постоянной скоростью 5 см/с. Какую работу выполнит сила упругости за 20 с, если удлинение пружины равно 4 см?

Анализ физической проблемы. Работа силы упругости положительна, поскольку брусок движется в направлении действия силы. Для определения работы нужно найти значение силы упругости ((_упр) и путь I, пройденный бруском. Жесткость пружины и ее удлинение известны, поэтому, чтобы найти значение силы упругости, воспользуемся законом Гука. Брусок движется равномерно, значит, его путь равен произведению скорости на время движения. Задачу будем решать в единицах СИ.

,Подводим итоги

Механическая работа — это физическая величина, которая характеризует изменение положения тела под действием силы. Если сила постоянна и действует в направлении движения тела, механическую работу находят по формуле: А = Fl.

Единица механической работы в СИ — джоуль (Дж); 1Дж = 1Н · м.

В зависимости от направления силы и направления движения тела механическая работа может быть положительной, отрицательной или равной нулю.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение механической работы. 2. Какие условия необходимы для выполнения механической работы? 3. Назовите единицу работы в СИ и дайте ее определение. 4. В честь какого ученого получила название единица работы? 5. В каких случаях механическая работа положительна? отрицательна? равна нулю? ^ 6. В чем состоит геометрический смысл механической работы?

Упражнение № 30

1. Груз неподвижно висит на пружине. Выполняет ли работу сила упругости, действующая на груз? Выполняет ли работу сила тяжести?

2. Определите, выполняет ли работу сила тяжести, действующая на баскетбольный мяч, который: а) лежит на земле; б) катится по полу спортивного зала; в) летит вверх; г) падает. Если выполняет, то какую — положительную или отрицательную?

3. Приведите примеры (не рассмотренные в § 30), когда сила, действующая на тело, выполняет положительную работу; выполняет отрицательную работу; не выполняет работу.

4. Прикладывая горизонтальную силу 50 Н, по поверхности стола с постоянной скоростью передвигали груз. Какой путь преодолел груз, если была выполнена работа 150 Дж?

5. Камень массой 4 кг падает с высоты 5 м. Какая сила выполняет положительную работу во время падения камня? Чему равна эта работа?

6. Мальчик ведет велосипед, прикладывая горизонтальную силу 40 Н. При этом велосипед движется равномерно. Определите скорость движения велосипеда, если за 5 мин мальчик выполнил работу 12 кДж.

7. Под давлением газа поршень в цилиндре равномерно переместился на 4 см (см. рисунок). Какую работу выполнил газ? Давление газа в цилиндре постоянно и равно 0,6 МПа; площадь поршня равна 0,005 м².

8. Составьте задачу, обратную задаче в § 30, и решите ее.

9. Какую работу нужно выполнить, чтобы поднять со дна на поверхность озера камень массой 15 кг? Глубина озера равна 2 м, средняя плотность камня — 3000 кг/м³. Сопротивлением воды пренебречь.

Экспериментальное задание

Вычислите работу, которую вы выполняете, поднимая с пола на стул небольшое ведро с водой. Какую работу при этом выполняет сила тяжести, действующая на ведро? Оформите отчет, в котором укажите, какие приборы вы использовали для определения работы, какие измерения и расчеты выполняли, какие результаты получили.

Это материал учебника Физика 7 класс Барьяхтар, Довгий