Введение в работу и энергию

Физика > Введение в работу и энергию

Работа – энергия, связанная с применением силы.

Задача обучения

• Разберитесь во взаимосвязи между работой, энергией и силой.

Основные пункты

• Работа – передача энергии силой, влияющей на объект при смещении.
• Работа, осуществляемая силой, приравнивается к нулю, если смещение равно нулю или перпендикулярно силе.
• Проделанная работа будет положительной, если сила и смещение характеризуются единым направлением.

Термин

• Энергия – величина, обозначающая способность выполнять работу. Измеряется в единицах ML²/T².

Пример

Давайте рассмотрим действие работы и энергии, а также их связь, на примерах. По сути, работа - изменение внутренней энергии. Допустим, вы бросаете мяч домашнему любимцу. Вы делаете положительную работу, применяя силу на дистанции, на которую он смещается.

Работа, выполняемая в системе с постоянной силой, выступает продуктом силы в направлении движения, умноженного на дистанцию, на которую действует сила. Если мы сталкиваемся с односторонним движением в одном измерении, то применяется формула W = Fdcosθ, где W – работа, F – величина силы на системе, d – величина смещения системы, а θ – угол между вектором силы F и вектором смещения d.

Изучим это в действии. (А) Работа, выполняемая силой F на газонокосилке – Fdcosθ. Отметим, что Fcosθ выступает компонентом силы в направлении движения.

(В) Человек держит портфель и не выполняет работу, поэтому нет передачи энергии.

(С) Человек перемещает портфель горизонтально с постоянной скоростью. Он не работает над ним и не передает энергию.

(D) Работа выполняется на портфеле, ведя его вверх по лестнице с постоянной скоростью, потому что есть компонент силы F в направлении движения. Энергия переносится в портфель и может использоваться для выполнения работы.

(Е) Когда портфель опускается, энергия передается от портфеля в электрический генератор. Здесь работа, выполняемая генератором, выступает отрицательной, потому что F и d стоят в противоположных направлениях.

В параметрах физики сила действует, пока влияет на тело, поэтому есть точки смещения позиции. То есть, сила возникает, если присутствует движение. Работа, осуществляемая с постоянной величиной F в точке, смещаемой дистанцию d в направлении силы, выглядит как:

W = Fd

Если сила в 10 Н действует вдоль точки с перемещением на 2 м, то работа – W = 10 Н х 2 м = 20 Дж. Это то же самое, если поднять килограммовый предмет на высоту человеческой головы против силы тяжести. Работа удваивается с увеличением веса или же дистанции.

Работа тесно контактирует с энергией. Принцип сохранения энергии говорит, что изменение полной внутренней энергии системы равняется добавлению тепловой энергии минус работа, выполняемая системой.

δE = δQ − δW

Из второго закона Ньютона для твердых тел выходит, что работа над объектом равняется изменению кинетической энергии для него:

W = ΔKE

Генерируемая потенциальной энергией работа сил именуется потенциальной энергией, а силы называют консервативными. Так что работа над телом, перемещающемся в консервативном силовом поле, равняется минус изменению потенциальной энергии:

W=−ΔPE

Мы видим, что работа выступает энергией, связанной с действием силы, поэтому обладает физическими размерами и единицами энергии.

---