Czym jest praca w fizyce?? Praca sił, praca przy rozprężaniu gazu i praca pędu

Każdy człowiek rozumie, że praca jest rodzajem aktywności społecznej człowieka, która jest mu potrzebna do zapewnienia bytu. Niemniej jednak w fizyce istnieje również podobne pojęcie, które ma zupełnie inne znaczenie. Czym jest praca w fizyce?.

Praca jako wielkość fizyczna

Aby odpowiedzieć na pytanie, czym jest praca w fizyce, należy wyjaśnić, że jest to energia wydatkowana na wykonanie czegoś. Na przykład człowiek przenosi ładunek z jednego miejsca na drugie, wykonując pracę wbrew siłom tarcia. Jeśli osoba ta zacznie podnosić ładunek, jej praca będzie skierowana na pokonanie siły grawitacji planety. Inny przykład: gaz pod tłokiem zaczyna zwiększać swoją objętość w miarę ogrzewania, w takim przypadku mówi się, że wykonuje pracę.

We wszystkich powyższych przypadkach wspólne jest jedno: praca różni się od zera tylko wtedy, gdy występuje jakiś rodzaj mechanicznego ruchu przedmiotów lub ich części (ruch pracownika z ładunkiem, rozprężanie gazu).

Praca jest więc procesem przenoszenia energii z jednego stanu do drugiego dla danego ciała, w wyniku czego ciało zmienia położenie w przestrzeni.

Wzór na pracę

Pokażmy teraz, jak możemy ilościowo obliczyć badaną wielkość. Przekazywanie energii między różnymi stanami jest możliwe tylko wtedy, gdy działa jakaś siła. Może to być wysiłek fizyczny ludzkich rąk i stóp, siła maszyn, wytworzone ciśnienie, które łatwo zamienić na siłę, w przypadku spalania w cylindrze, siła indukcji elektromagnetycznej silnika elektrycznego itd.

Na pytanie, jak znaleźć pracę w fizyce, odpowiada następujący wzór:

A = (F¯ * l¯)

Praca A jest wielkością skalarną, natomiast siła F Ż i przemieszczenie l Ż są wielkościami wektorowymi. Dlatego we wzorach do obliczenia A używamy nawiasów, aby pokazać, że mówimy o iloczynie skalarnym wektorów. W postaci skalarnej powyższe wyrażenie można przepisać w następujący sposób:

A = F * l * cos(φ)

Tutaj φ jest kątem pomiędzy wektorem siły F¯ a wektorem przemieszczenia l¯.

Ponieważ przemieszczenie mierzy się w metrach, a siłę w niutonach, jednostką pracy jest niuton na metr (N * m). W układzie SI jednostka ta ma swoją własną nazwę - dżul (Joule). Okazuje się, że pracy w 1 J odpowiada siła o wartości 1 N, która działając wzdłuż kierunku przemieszczenia, przesunęła ciało o 1 m.

Praca gazu

Omówiliśmy teraz, co praca mechaniczna w fizyce, i podał wzór, według którego można ją obliczyć. W przypadku rozprężania gazu używa się jednak innego wyrażenia.

Załóżmy, że mamy układ gazowy, który wypełnia objętość V₁ и jest pod ciśnienie P. Załóżmy, że w wyniku jakiegoś zewnętrznego lub wewnętrznego działania na układ jego objętość uległa zmianie i stała się równa V₂. Pracę gazu A można wówczas określić za pomocą wzoru

A = ∫_V(P(V) * dV)

Jeśli wykreślimy funkcję P(V) na osiach P-V, to pole pod krzywą jest liczbowo równe wartości A.

W przypadku procesu izobarycznego (P = const) dla ideału gazu, odpowiedzią na pytanie jak znaleźć pracę w fizyce jest następujące proste wyrażenie

A = P * (V₂-V₁)

Jeżeli proces termodynamiczny nie zmienia objętości gazu, to jego praca będzie równa zeru. Jeśli V₂>V₁, wówczas gaz wykonuje pracę dodatnią, jeśli V₁>V₂, to negatyw.

Praca pędu siły

Moment siły jest wielkością fizyczną, którą wyraża następujący wzór

M = [F ż * r ż]

Oznacza to, że M jest równe iloczynowi wektorowemu siły F i wektora promienia r względem osi obrotu. Moment siły wyrażony jest w N*m.

Czym jest praca siły w fizyce? Poniższy wzór odpowie na to pytanie:

A = M * θ

Równanie to oznacza, że jeżeli moment M działający na układ powoduje jego obrót wokół osi o kąt θ, to wykonuje on pracę A. Kąt θ musi być tutaj wyrażony w radianach, aby uzyskać pracę w dżulach.

Obliczanie pracy momentu obrotowego odgrywa ważną rolę we wszystkich układach mechanicznych, w których występuje ruch obrotowy, np. koła, przekładnie, wały itp.

Praca grawitacji

Po zrozumieniu, czym jest praca w fizyce, obliczmy pracę dla siły grawitacji. Załóżmy, że ciało o masie m spada z wysokości h. Ponieważ siła grawitacji F działa pionowo w dół, wykonuje ona pracę dodatnią. oblicza się według wzoru

A = m * g * h,

Gdzie F = m * g

Wiele osób może dostrzec we wzorze otrzymanym dla wielkości A wyrażenie na energię potencjalną ciała w polu sił grawitacyjnych. Podczas spadania ciała grawitacja wykonuje pracę, zamieniając energię potencjalną ciała na energię kinetyczną jego ruchu.