ฟิสิกส์สูตรทำงานอะไร. ฟิสิกส์เชิงจำ: งาน พลังงาน และกำลัง

ลักษณะพลังงานการเคลื่อนไหวถูกนำมาใช้บนพื้นฐานของแนวคิดของงานเครื่องกลหรือ กำลังทำงาน.

งาน กมุ่งมั่น แรงคงที่ F → , ถูกเรียก ปริมาณทางกายภาพเท่ากับผลคูณของโมดูลแรงและการกระจัด คูณด้วยโคไซน์ของมุม α ระหว่างแรงเวกเตอร์ F → และการกระจัด s →(รูปที่ 1.18.1): A = Fs คอส α.

งานเป็นปริมาณสเกลาร์ อาจเป็นได้ทั้งเชิงบวก 0° ≤ α < 90° ) และลบ ( 90°< α ≤ 180° ). ที่ α = 90°งานที่ทำโดยแรงเป็นศูนย์ ในระบบ SI งานจะถูกวัดใน จูล (J).

จูลเท่ากับงานที่กระทำโดยแรงเข้า 1 เอ็นกำลังเดินทาง 1 มในทิศทางของแรง

กำลังงาน F → : A = F s cos α = F s s

หากเส้นโครง F → s ของแรง F → บนทิศทางการเคลื่อนที่ s → ไม่คงที่ ควรคำนวณงานสำหรับการกระจัดเล็กน้อย ∆s ผมและสรุปผลลัพธ์: A = ∑ Δ A i = ∑ F si Δ s i

นี่คือจำนวนเงินในขีดจำกัด ( ∆s ผม → 0) เข้าไปในอินทิกรัล

งานกราฟิกถูกกำหนดโดยพื้นที่ของเส้นโค้งใต้กราฟ F s (x)(รูปที่ 1.18.2)

ความหมายของงานกราฟิก ∆A ผม = F si ∆s ผม

ตัวอย่างของแรงที่โมดูลัสขึ้นอยู่กับพิกัดคือแรงยืดหยุ่นของสปริง ซึ่งเป็นไปตามกฎของฮุค ในการยืดสปริงต้องใช้แรงภายนอก F →กับมัน โมดูลัสซึ่งเป็นสัดส่วนกับการยืดตัวของสปริง (รูปที่ 1.18.3)

สปริงยืด. ทิศทางของแรงภายนอก F → ตรงกับทิศทางการกระจัด s → . F s = k x , เค- ความแข็งของสปริง F → ควบคุม = - F →

การพึ่งพาโมดูลัสของแรงภายนอกบนพิกัด xแสดงเป็นเส้นตรงบนแผนภูมิ (รูปที่ 1.18.4)

การพึ่งพาโมดูลแรงภายนอกบนพิกัดเมื่อสปริงยืดออก

ตามพื้นที่สามเหลี่ยมในรูป 1.18.4 คุณสามารถกำหนดงานที่ทำได้โดยแรงภายนอกที่กระทำต่อปลายด้านว่างด้านขวาของสปริง: A = k x 2 2

สูตรเดียวกันนี้แสดงถึงงานที่กระทำโดยแรงภายนอกเมื่อสปริงถูกบีบอัด ในทั้งสองกรณี การทำงานของแรงยืดหยุ่น F → การควบคุมมีค่าสัมบูรณ์เท่ากับการทำงานของแรงภายนอก F → และตรงกันข้ามในเครื่องหมาย

หากใช้แรงหลายอย่างกับร่างกายแล้วล่ะก็ งานทั่วไปของแรงทั้งหมดเท่ากับผลรวมเชิงพีชคณิตของงานที่ทำโดยแต่ละแรง ที่ การเคลื่อนไหวไปข้างหน้าร่างกาย เมื่อจุดรวมของแรงทั้งหมดเคลื่อนไหวเท่ากัน งานรวมของแรงทั้งหมดจะเท่ากับงาน เป็นผลมาจากแรงที่กระทำ.

งานเครื่องกล

งานที่ทำโดยแรงต่อหน่วยเวลาเรียกว่ากำลัง พลัง เอ็นเป็นปริมาณทางกายภาพเท่ากับอัตราส่วนของงาน กถึงช่วงเวลา ทีในระหว่างที่งานนี้เสร็จสิ้น: N = A t .

ในระบบสากล (SI) เรียกว่าหน่วยกำลัง วัตต์ (วัตต์). วัตต์เท่ากับกำลังของแรงที่ทำงานใน 1 เจในระหว่าง 1 วินาที. 1 W = 1 J 1 วิ

ในข้อความที่เผยแพร่บนเว็บไซต์นี้ มักจะมีคำศัพท์ต่างๆ ที่เป็นชื่อของปริมาณทางกายภาพ เราเรียนมากมายในหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียน แต่ความรู้มักจะถูกลืมโดยไม่ต้องใช้อย่างต่อเนื่อง ในชุดบันทึกที่รวมกันภายใต้ชื่อทั่วไปว่า “Remembering Physics” (เราอาจเรียกมันว่า “Back to School”) เราจะพยายามเตือนคุณว่าคำศัพท์หลักหมายถึงอะไร ปริมาณทางกายภาพที่ซ่อนอยู่หลังคำศัพท์เหล่านี้ เป็นอย่างไร มีความสัมพันธ์กันโดยวัดเป็นปริมาณเท่าใด โดยทั่วไปเพื่อให้พื้นฐานที่จำเป็นในการทำความเข้าใจกับสื่อสิ่งพิมพ์

เว็บไซต์ของเราโดยรวมอุทิศให้กับวิธีการและเทคโนโลยีในการรับพลังงาน (โดยเฉพาะจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน) ผู้คนต้องการพลังงานเพื่อให้ความร้อนและแสงสว่างแก่บ้านของตนเอง เพื่อขับเคลื่อนกลไกต่างๆ ที่ทำงานที่เป็นประโยชน์สำหรับผู้คน นั่นคือเราต้องลงเอยด้วยพลังงานหนึ่งในสามประเภท - พลังงานความร้อน พลังงานกล และพลังงานแสง ดังที่จะกล่าวด้านล่าง พลังงานหลายประเภทมีความโดดเด่นในวิชาฟิสิกส์ แต่ทั้งสามประเภทนี้มีความสำคัญต่อเราเป็นหลัก ฉันจะจบด้วยคำนำหน้าและให้คำจำกัดความของพลังงานที่เป็นที่ยอมรับในฟิสิกส์

งานและพลังงาน

เพิ่มเติมจาก หลักสูตรของโรงเรียนฟิสิกส์ (และผมจบการศึกษาจากโรงเรียนเมื่อ 50 ปีที่แล้ว) ผมจำคำกล่าวที่ว่า "พลังงานเป็นตัววัดความสามารถของระบบทางกายภาพในการทำงาน" Wikipedia ให้คำจำกัดความที่ชัดเจนน้อยกว่าโดยระบุว่า

« พลังงาน- ปริมาณกายภาพสเกลาร์ ซึ่งเป็นมาตรวัดเดียวของรูปแบบต่างๆ ของการเคลื่อนที่และอันตรกิริยาของสสาร การวัดการเปลี่ยนผ่านของการเคลื่อนที่ของสสารจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง การแนะนำแนวคิดของพลังงานนั้นสะดวกเพราะหากระบบทางกายภาพถูกปิด พลังงานของมันจะถูกเก็บไว้ในระบบนี้ในช่วงระยะเวลาที่ระบบจะปิด ข้อความนี้เรียกว่ากฎการอนุรักษ์พลังงาน

พลังงานเป็นปริมาณสเกลาร์ที่สามารถวัดได้โดยใช้หลายๆ หน่วยต่างๆ. เราสนใจจูลและกิโลวัตต์-ชั่วโมงมากที่สุด

จูล(การกำหนดของรัสเซีย: J; สากล: J) - หน่วยวัดสำหรับงานพลังงานและความร้อนในระบบหน่วยสากล (SI) จูลเท่ากับงานที่ทำเมื่อจุดของแรงเท่ากับหนึ่งนิวตันเคลื่อนที่ไปหนึ่งเมตรในทิศทางของแรง ในทางไฟฟ้า จูลหมายถึงงานที่กระทำโดยแรง สนามไฟฟ้าเป็นเวลา 1 วินาทีที่แรงดัน 1 โวลต์เพื่อรักษากระแส 1 แอมแปร์

อย่างไรก็ตาม เราจะไม่เจาะลึกถึงพื้นฐานของฟิสิกส์ การหาว่าแรงคืออะไร และ 1 นิวตันคืออะไร เราจะใช้แนวคิดของ "พลังงาน" เป็นพื้นฐาน และจำไว้ว่าจูลจำนวนหนึ่งบ่งบอกถึงลักษณะของพลังงาน งาน และ ปริมาณความร้อน อีกปริมาณหนึ่งที่ใช้วัดปริมาณพลังงานคือกิโลวัตต์-ชั่วโมง

กิโลวัตต์ชั่วโมง(kWh) - หน่วยนอกระบบของการวัดปริมาณพลังงานที่ผลิตหรือบริโภคตลอดจนงานที่ทำ ส่วนใหญ่จะใช้วัดปริมาณการใช้ไฟฟ้าในชีวิตประจำวัน เศรษฐกิจของประเทศ และวัดการผลิตไฟฟ้าในอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า

ควรสังเกตว่าการเขียน "kWh" (กำลังคูณด้วยเวลา) นั้นถูกต้อง การสะกด "kWh" (กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง) ซึ่งมักใช้ในสื่อต่างๆ และแม้แต่ในเอกสารราชการบางครั้งยังไม่ถูกต้อง การกำหนดดังกล่าวสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานต่อหน่วยเวลา (ซึ่งมักจะไม่มีใครสนใจ) แต่ไม่ใช่กับปริมาณพลังงาน ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยไม่แพ้กันคือการใช้ "กิโลวัตต์" (หน่วยพลังงาน) แทน "กิโลวัตต์ชั่วโมง"

ในบทความต่อไปนี้ เราจะใช้จูลและกิโลวัตต์-ชั่วโมงเป็นหน่วยในการประมาณปริมาณพลังงานหรืองาน โดยคำนึงว่าหนึ่งกิโลวัตต์-ชั่วโมงเท่ากับ 3.6 x 10 6 จูล

จากมุมมองของหัวข้อที่เราสนใจ มันเป็นคุณสมบัติของพลังงานในการทำงานที่เป็นพื้นฐาน เราจะไม่พบว่าฟิสิกส์ตีความแนวคิดของ "งาน" อย่างไร เราจะถือว่าแนวคิดนี้เป็นต้นฉบับและไม่ได้กำหนดไว้ ขอย้ำอีกครั้งว่าพลังงานและงานเชิงปริมาณแสดงในหน่วยเดียวกัน

ขึ้นอยู่กับประเภทของพลังงานหรืองาน ปริมาณพลังงานคำนวณได้หลายวิธี:

รูปแบบและประเภทของพลังงาน

เนื่องจากพลังงานดังกล่าวข้างต้นเป็นเพียงการวัดรูปแบบต่างๆ ของการเคลื่อนที่และปฏิสัมพันธ์ของสสาร การวัดการเปลี่ยนผ่านของการเคลื่อนที่ของสสารจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง พลังงานรูปแบบต่างๆ จึงถูกจำแนกตามรูปแบบของการเคลื่อนที่ที่แตกต่างกัน ของเรื่อง ดังนั้นขึ้นอยู่กับระดับของการสำแดง พลังงานรูปแบบต่อไปนี้สามารถแยกแยะได้:

• พลังงานของจักรวาลมหภาค - แรงโน้มถ่วงหรือพลังงานดึงดูดของร่างกาย
• พลังงานปฏิสัมพันธ์ของร่างกาย - เชิงกล
• พลังงานของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลคือความร้อน
• พลังงานของปฏิกิริยาระหว่างอะตอมเป็นสารเคมี
• พลังงานรังสี - แม่เหล็กไฟฟ้า
• พลังงานที่มีอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมคือนิวเคลียร์

พลังงานความโน้มถ่วง- พลังงานของระบบของร่างกาย (อนุภาค) เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างกัน ในสภาพพื้นดิน ตัวอย่างเช่น พลังงาน "กักเก็บ" ไว้โดยวัตถุที่ยกขึ้นสู่ความสูงระดับหนึ่งเหนือพื้นผิวโลก ซึ่งเป็นพลังงานของแรงโน้มถ่วง ดังนั้น พลังงานที่เก็บไว้ในแหล่งเก็บน้ำของโรงไฟฟ้าพลังน้ำสามารถนำมาประกอบกับพลังงานความโน้มถ่วงได้

พลังงานกล- ปรากฏตัวในการโต้ตอบการเคลื่อนไหวของร่างกายหรืออนุภาคแต่ละชิ้น รวมถึงพลังงานของการเคลื่อนไหวหรือการหมุนของร่างกาย พลังงานของการเสียรูประหว่างการงอ การยืด การบิด การบีบตัว ร่างกายยืดหยุ่น(สปริง). พลังงานนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องจักรต่างๆ - การขนส่งและเทคโนโลยี

พลังงานความร้อน - พลังงานของการเคลื่อนไหวที่ไม่เป็นระเบียบ (วุ่นวาย) และปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลของสาร พลังงานความร้อนซึ่งส่วนใหญ่ได้รับจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อให้ความร้อน ดำเนินกระบวนการทางเทคโนโลยีมากมาย (การให้ความร้อน การหลอม การทำให้แห้ง การระเหย การกลั่น ฯลฯ)

พลังงานเคมี- นี่คือพลังงานที่ "เก็บไว้" ในอะตอมของสารซึ่งถูกปลดปล่อยหรือดูดซับระหว่างปฏิกิริยาเคมีระหว่างสาร พลังงานเคมีจะถูกปล่อยออกมาในรูปของความร้อนในระหว่าง ปฏิกิริยาคายความร้อน(เช่น การเผาไหม้เชื้อเพลิง) หรือถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าในเซลล์กัลวานิกและแบตเตอรี่ แหล่งพลังงานเหล่านี้มีประสิทธิภาพสูง (สูงถึง 98%) แต่มีความจุต่ำ

พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพลังงานที่เกิดจากการทำงานร่วมกันของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก แบ่งออกเป็นพลังงานไฟฟ้าและพลังงานแม่เหล็ก พลังงานไฟฟ้าคือพลังงานของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปตามวงจรไฟฟ้า (กระแสไฟฟ้า)

พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ายังแสดงออกในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า กล่าวคือ ในรูปของรังสี ซึ่งรวมถึงแสงที่มองเห็นได้ อินฟราเรด อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และคลื่นวิทยุ ดังนั้นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทหนึ่งคือพลังงานรังสี รังสีนำพาพลังงานในรูปของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อรังสีถูกดูดกลืน พลังงานของรังสีจะถูกแปลงเป็นรูปแบบอื่น ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นความร้อน

พลังงานนิวเคลียร์- พลังงานที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นในนิวเคลียสของอะตอมของสารกัมมันตรังสีที่เรียกว่า มันถูกปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสหนัก (ปฏิกิริยานิวเคลียร์) หรือการสังเคราะห์นิวเคลียสเบา (ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์)

การจำแนกประเภทนี้ค่อนข้างไม่เหมาะกับแนวคิดของศักยภาพและพลังงานจลน์ที่เรารู้จักจากโรงเรียน ฟิสิกส์สมัยใหม่เชื่อว่าแนวคิดของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ (เช่นเดียวกับพลังงานที่กระจายตัว) ไม่ใช่รูปแบบ แต่ ประเภทของพลังงาน:

พลังงานจลน์เป็นพลังงานที่ร่างกายครอบครองอันเป็นผลมาจากการเคลื่อนไหว อย่างเคร่งครัด พลังงานจลน์คือความแตกต่างระหว่างพลังงานทั้งหมดของระบบและพลังงานที่เหลือ ดังนั้น พลังงานจลน์จึงเป็นส่วนหนึ่งของพลังงานทั้งหมดเนื่องจากการเคลื่อนที่ เมื่อร่างกายไม่เคลื่อนไหว พลังงานจลน์จะเป็นศูนย์

พลังงานศักย์- พลังงานที่เกิดจากการทำงานร่วมกันของร่างกายต่าง ๆ หรือส่วนต่าง ๆ ของร่างกายเดียวกัน พลังงานศักย์ถูกกำหนดโดยตำแหน่งของร่างกายที่สัมพันธ์กับแหล่งที่มาของแรง (สนามพลัง) เสมอ

การกระจายพลังงาน(นั่นคือการกระเจิง) - การเปลี่ยนส่วนหนึ่งของพลังงานของกระบวนการที่สั่งไปเป็นพลังงานของกระบวนการที่ไม่เป็นระเบียบและในที่สุดก็กลายเป็นความร้อน

ความจริงก็คือพลังงานแต่ละรูปแบบข้างต้นสามารถแสดงออกมาในรูปแบบของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ นั่นคือ ประเภทของพลังงานควรถูกตีความในความหมายทั่วไป เพราะพวกมันหมายถึงรูปแบบของการเคลื่อนไหวใดๆ และเป็นผลให้หมายถึงพลังงานรูปแบบใดๆ ตัวอย่างเช่น มีพลังงานจลน์ ซึ่งไม่เหมือนกับพลังงานจลน์ พลังงานกล. นี่คือพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ไม่ใช่พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่เชิงกลของร่างกาย ในทำนองเดียวกัน พลังงานศักย์ไฟฟ้าไม่เหมือนกับพลังงานกลศักย์ ก พลังงานเคมีประกอบด้วยพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและ พลังงานไฟฟ้าปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันและกับนิวเคลียสของอะตอม

โดยทั่วไปเท่าที่ฉันเข้าใจเมื่อเตรียมวัสดุนี้ ยังไม่มีการจำแนกรูปแบบและประเภทของพลังงานที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป อย่างไรก็ตาม บางทีเราอาจไม่จำเป็นต้องเข้าใจสิ่งเหล่านี้อย่างถ่องแท้ แนวคิดทางกายภาพ. สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าพลังงานไม่ใช่สสารที่เป็นวัตถุจริง แต่เป็นเพียงมาตรวัดที่ออกแบบมาเพื่อประเมินการเคลื่อนที่ของสสารบางรูปแบบหรือการเปลี่ยนแปลงของสสารรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง

แนวคิดเรื่องพลังเชื่อมโยงอย่างแยกไม่ออกกับแนวคิดเรื่องพลังงานและงาน

พลัง- ปริมาณทางกายภาพที่เท่ากันในกรณีทั่วไปกับอัตราการเปลี่ยนแปลง การแปรสภาพ การถ่ายโอน หรือการใช้พลังงานของระบบ ในความหมายที่แคบลง กำลังเท่ากับอัตราส่วนของงานที่ทำในช่วงเวลาหนึ่งต่อช่วงเวลานี้

ในระบบหน่วยสากล (SI) หน่วยของพลังงานคือวัตต์ เท่ากับหนึ่งจูลหารด้วยหนึ่งวินาที

พลังงานกำหนดลักษณะของความสามารถของอุปกรณ์ในการทำงานหรือผลิตพลังงานในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงาน พลังงาน และเวลาแสดงโดยความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

กิโลวัตต์ชั่วโมง (จำได้ว่านี่คือหน่วยของพลังงาน)เท่ากับปริมาณพลังงานที่ใช้ (ผลิต) โดยอุปกรณ์ที่มีกำลังหนึ่งกิโลวัตต์ (หน่วยพลังงาน)ภายในหนึ่งชั่วโมง (หน่วยของเวลา).

ดังนั้นความเท่าเทียมกันที่กล่าวถึงข้างต้น 1 kWh = 1,000 W ⋅ 3600 s = 3.6 10 6 J = 3.6 MJ

จากสามหน่วยที่กล่าวถึงในหน้านี้ เป็นพลังงานที่เราสนใจมากที่สุด เนื่องจากค่านี้จะถูกพิจารณาเมื่อพิจารณาและเปรียบเทียบเครื่องกำเนิดลมหรือพลังน้ำและแผงเซลล์แสงอาทิตย์ต่างๆ ในกรณีเหล่านี้ พลังงานจะบ่งบอกถึงความสามารถของอุปกรณ์เหล่านี้ในการผลิตพลังงาน ตรงกันข้ามกลับบ่งบอกถึงอำนาจในหลายๆ เครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนระบุลักษณะการใช้พลังงานของอุปกรณ์เหล่านี้ หากเราต้องการให้บางชุด เครื่องใช้ในครัวเรือนพลังงาน เราต้องเปรียบเทียบพลังงานทั้งหมดที่ใช้โดยอุปกรณ์เหล่านี้กับพลังงานทั้งหมดที่เราสามารถได้รับจากผู้ผลิตพลังงาน

แต่เราจะพูดถึงพลังงานเพิ่มเติมในบทความต่อไปนี้เกี่ยวกับพลังงานเฉพาะประเภท เรามาเริ่มกันที่พลังงานไฟฟ้า พิจารณาว่าปริมาณไฟฟ้ามีลักษณะอย่างไรและวัดในหน่วยใด

« ฟิสิกส์ - เกรด 10 "

กฎการอนุรักษ์พลังงานเป็นกฎพื้นฐานของธรรมชาติที่ช่วยให้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นได้

นอกจากนี้ยังสามารถอธิบายการเคลื่อนไหวของร่างกายได้ด้วยความช่วยเหลือจากแนวคิดเกี่ยวกับพลวัต เช่น งานและพลังงาน

จำไว้ว่างานและพลังคืออะไรในฟิสิกส์

แนวคิดเหล่านี้ตรงกับแนวคิดในชีวิตประจำวันเกี่ยวกับพวกเขาหรือไม่

การกระทำประจำวันทั้งหมดของเราเกิดขึ้นจากความจริงที่ว่าด้วยความช่วยเหลือของกล้ามเนื้อ เราทำให้ร่างกายรอบข้างเคลื่อนไหวและรักษาการเคลื่อนไหวนี้ไว้ หรือเราหยุดร่างกายที่เคลื่อนไหว

ร่างกายเหล่านี้เป็นเครื่องมือ (ค้อน, ปากกา, เลื่อย) ในเกม - ลูกบอล, pucks, ตัวหมากรุก ในการผลิตและการเกษตร ผู้คนยังกำหนดเครื่องมือในการเคลื่อนไหว

การใช้เครื่องจักรช่วยเพิ่มผลิตภาพแรงงานอย่างมากเนื่องจากการใช้เครื่องยนต์ในเครื่องจักร

จุดประสงค์ของเครื่องยนต์ใด ๆ คือเพื่อให้ร่างกายเคลื่อนไหวและรักษาการเคลื่อนไหวนี้ไว้ แม้จะเบรกด้วยแรงเสียดทานธรรมดาและแรงต้าน "การทำงาน" (เครื่องตัดต้องไม่เพียงเลื่อนไปบนโลหะเท่านั้น แต่ยังต้องชนเข้ากับมันด้วย เอาเศษออก; ไถ ต้องพรวนดิน ฯลฯ) ในกรณีนี้ แรงจะต้องกระทำต่อตัวถังที่กำลังเคลื่อนที่จากด้านข้างของเครื่องยนต์

งานมักจะเกิดขึ้นตามธรรมชาติเมื่อมีแรง (หรือหลายแรง) จากอีกร่างหนึ่ง (ร่างอื่น) กระทำต่อร่างหนึ่งในทิศทางการเคลื่อนที่ของมันหรือต่อต้านมัน

แรงโน้มถ่วงจะทำงานเมื่อมีฝนตกลงมาหรือก้อนหินตกลงมาจากหน้าผา ในเวลาเดียวกันงานจะกระทำโดยแรงต้านที่กระทำต่อหยดที่ตกลงมาหรือบนก้อนหินจากด้านข้างของอากาศ แรงยืดหยุ่นจะทำงานเมื่อต้นไม้ที่หักงอเพราะลมยืดตัว

คำจำกัดความของงาน

กฎข้อที่สองของนิวตันในรูปแบบหุนหันพลันแล่น ∆=∆tช่วยให้คุณกำหนดว่าความเร็วของร่างกายเปลี่ยนแปลงอย่างไรในค่าสัมบูรณ์และทิศทาง หากมีแรงกระทำในช่วงเวลา Δt

ผลกระทบต่อวัตถุของแรงซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในโมดูลัสของความเร็วนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าที่ขึ้นอยู่กับทั้งแรงและการเคลื่อนที่ของวัตถุ ปริมาณนี้ในทางกลศาสตร์เรียกว่า งานของแรง.

การเปลี่ยนแปลงความเร็วของโมดูโล่เป็นไปได้ก็ต่อเมื่อเส้นโครงของแรง F r บนทิศทางการเคลื่อนไหวของร่างกายไม่เป็นศูนย์ มันเป็นเส้นโครงที่กำหนดการกระทำของแรงที่เปลี่ยนความเร็วของโมดูโลร่างกาย เธอทำงาน ดังนั้น งานจึงถือได้ว่าเป็นผลคูณของการฉายภาพของแรง F r โดยโมดูลัสการกระจัด |Δ| (รูปที่ 5.1):

А = F r |Δ|. (5.1)

หากมุมระหว่างแรงและการกระจัดแสดงด้วย α ดังนั้น F r = Fcosα.

ดังนั้นงานจะเท่ากับ:

A = |Δ|cosα. (5.2)

แนวคิดการทำงานในชีวิตประจำวันของเราแตกต่างจากคำจำกัดความของงานในวิชาฟิสิกส์ คุณกำลังถือกระเป๋าเดินทางหนักๆ และดูเหมือนว่าคุณกำลังทำงานอยู่ อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของฟิสิกส์ งานของคุณมีค่าเท่ากับศูนย์

งาน แรงคงที่เท่ากับผลคูณของโมดูลของแรงและการกระจัดของจุดที่ใช้แรงและโคไซน์ของมุมระหว่างพวกมัน

โดยทั่วไปเมื่อเคลื่อนไหว ร่างกายที่แข็งแรงการกระจัดของจุดต่างๆ นั้นแตกต่างกัน แต่เมื่อกำหนดการทำงานของแรง เรา Δ เข้าใจการเคลื่อนไหวของจุดใช้งาน ในการเคลื่อนที่เชิงแปลของวัตถุแข็งเกร็ง การกระจัดของจุดทั้งหมดนั้นเกิดขึ้นพร้อมกับการกระจัดของจุดที่รับแรง

งาน ไม่เหมือนแรงและการกระจัด ไม่ใช่เวกเตอร์ แต่เป็นปริมาณสเกลาร์ อาจเป็นบวก ลบ หรือศูนย์ก็ได้

เครื่องหมายของงานถูกกำหนดโดยเครื่องหมายโคไซน์ของมุมระหว่างแรงและการกระจัด ถ้า α< 90°, то А >0 ตั้งแต่โคไซน์ มุมที่คมชัดเชิงบวก. สำหรับ α > 90° งานจะเป็นลบ เนื่องจากโคไซน์ของมุมป้านเป็นลบ ที่ α = 90° (แรงตั้งฉากกับการกระจัด) ไม่มีการทำงานใดๆ

หากแรงหลายแรงกระทำต่อร่างกาย การฉายภาพของแรงลัพธ์ต่อการกระจัดจะเท่ากับผลรวมของการคาดคะเนของแรงแต่ละแรง:

F r = F 1r + F 2r + ... .

ดังนั้นสำหรับการทำงานของแรงลัพธ์เราได้รับ

A = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + ... = ก 1 + ก 2 + .... (5.3)

ถ้าแรงหลายอย่างกระทำต่อร่างกายแล้วล่ะก็ งานเต็ม(ผลรวมเชิงพีชคณิตของงานของแรงทั้งหมด) เท่ากับงานของแรงลัพธ์

งานที่ทำโดยใช้กำลังสามารถแสดงเป็นภาพกราฟิกได้ ให้เราอธิบายสิ่งนี้โดยการอธิบายในรูปของการพึ่งพาการฉายภาพของแรงบนพิกัดของร่างกายเมื่อมันเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง

ให้ร่างกายเคลื่อนที่ไปตามแกน OX (รูปที่ 5.2) จากนั้น

Fcosα = F x , |Δ| = ∆ x.

สำหรับการทำงานของแรงที่เราได้รับ

А = F|Δ|cosα = F x Δx.

เห็นได้ชัดว่าพื้นที่ของสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่แรเงาในรูป (5.3, a) มีค่าเท่ากับงานที่ทำเมื่อวัตถุเคลื่อนที่จากจุดที่มีพิกัด x1 ไปยังจุดที่มีพิกัด x2

สูตร (5.1) ใช้ได้เมื่อเส้นโครงของแรงบนการกระจัดคงที่ ในกรณีของวิถีโค้ง แรงคงที่หรือแรงแปรผัน เราจะแบ่งวิถีออกเป็นส่วนเล็กๆ ซึ่งถือได้ว่าเป็นเส้นตรง และการฉายภาพของแรงบนการกระจัดเล็กน้อย Δ - ถาวร.

จากนั้นคำนวณงานที่ทำในแต่ละการกระจัด Δ จากนั้นเมื่อสรุปงานเหล่านี้ เราจะพิจารณาการทำงานของแรงในการกระจัดขั้นสุดท้าย (รูปที่ 5.3, b)

หน่วยงาน.

สามารถกำหนดหน่วยการทำงานโดยใช้สูตรพื้นฐาน (5.2) ถ้าเมื่อเคลื่อนที่วัตถุต่อหน่วยความยาว แรงกระทำต่อวัตถุนั้น โมดูลัสเท่ากับหนึ่ง และทิศทางของแรงนั้นสอดคล้องกับทิศทางการเคลื่อนที่ของจุดใช้งาน (α = 0) ดังนั้น งานจะเท่ากับหนึ่ง ในระบบสากล (SI) หน่วยของงานคือจูล (แสดงแทน J):

1 J = 1 N 1 ม. = 1 N ม.

จูลเป็นงานที่ทำโดยแรง 1 N ที่การกระจัด 1 ถ้าทิศทางของแรงและการกระจัดตรงกัน

มักใช้หลายหน่วยงาน - กิโลจูลและเมกะจูล:

1 กิโลจูล = 1,000 เจ,
1 MJ = 1000000 เจ.

งานสามารถทำได้ในระยะเวลานานหรือในระยะเวลาที่น้อยมาก อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ การทำงานจะเสร็จเร็วหรือช้านั้นห่างไกลจากความเฉยเมย เวลาระหว่างการทำงานจะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ใดๆ มาก ดีมากสามารถสร้างมอเตอร์ไฟฟ้าจิ๋วได้ แต่ต้องใช้เวลามาก ดังนั้นพร้อมกับงานจะมีการแนะนำค่าที่แสดงลักษณะความเร็วที่ผลิต - กำลัง

พลังงานคืออัตราส่วนของงาน A ต่อช่วงเวลา Δt ที่งานนี้เสร็จสิ้น เช่น พลังงานคืออัตราการทำงาน:

เราได้มาแทนที่ในสูตร (5.4) แทนงาน A (5.2)

ดังนั้น ถ้าแรงและความเร็วของวัตถุมีค่าคงที่ กำลังก็จะเท่ากับผลคูณของโมดูลัสของเวกเตอร์แรงโดยโมดูลัสของเวกเตอร์ความเร็วและโคไซน์ของมุมระหว่างทิศทางของเวกเตอร์เหล่านี้ หากปริมาณเหล่านี้เป็นตัวแปร เราก็สามารถกำหนดได้ด้วยสูตร (5.4) กำลังเฉลี่ยคล้ายกับการกำหนดความเร็วเฉลี่ยของร่างกาย

แนวคิดเรื่องกำลังถูกนำมาใช้เพื่อประเมินผลงานต่อหน่วยเวลาที่ดำเนินการโดยกลไกบางอย่าง (ปั๊ม เครน มอเตอร์ของเครื่องจักร ฯลฯ) ดังนั้นในสูตร (5.4) และ (5.5) จึงหมายถึงแรงผลักเสมอ

ใน SI อำนาจจะแสดงในรูปของ วัตต์ (วัตต์).

กำลังไฟฟ้าคือ 1 W ถ้างานเท่ากับ 1 J เสร็จสิ้นใน 1 วินาที

นอกจากวัตต์แล้ว ยังใช้หน่วยพลังงานที่ใหญ่กว่า (หลายหน่วย):

1 กิโลวัตต์ (กิโลวัตต์) = 1,000 วัตต์,
1 เมกะวัตต์ (เมกะวัตต์) = 1,000,000 วัตต์.

ในวิชาฟิสิกส์ คำว่า "งาน" เกี่ยวข้องกับการกระทำของแรงและการกระจัดของร่างกายที่ได้รับจากกระบวนการของการกระทำนี้ ตัวอย่างเช่น รถตักจะยกของที่บรรทุกในระดับความสูงที่กำหนด รถตักจะทำหน้าที่ในการบรรทุกโดยใช้ความพยายามของกล้ามเนื้อ และโหลดจะเคลื่อนที่ ลูกบอลตกลงสู่พื้นภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงกระทำต่อลูกบอลและลูกบอลเคลื่อนที่ ในทุกกรณีจะมีการดำเนินการทางกล

งานทางกลเป็นปริมาณทางกายภาพที่แปรผันโดยตรงกับแรงที่ใช้กับร่างกายและเส้นทางที่ร่างกายเดินทาง คำจำกัดความของงานที่เข้มงวดยิ่งขึ้นมีดังนี้

การทำงานของแรงคือปริมาณทางกายภาพที่เท่ากับผลคูณของโมดูลัสของแรงและปริมาณการกระจัดของร่างกายในทิศทางของแรง

จำได้ว่าแรงวัดเป็นนิวตันและวัดระยะทางเป็นเมตร ดังนั้น หน่วยของงานคือ นิวตัน คูณ เมตร อย่างไรก็ตาม งานเป็นปริมาณที่สำคัญในฟิสิกส์ซึ่งมีหน่วยวัดเป็นของตนเอง มันถูกตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เจมส์ จูล และเรียกว่าจูล (J)

ดังนั้น หากอยู่ภายใต้แรงกระทำ 1 นิวตัน ร่างกายเคลื่อนที่ไป 1 เมตร งานที่ทำโดยแรงนี้คือ 1 จูล

เงื่อนไขที่จำเป็นในการทำงาน

ในการปฏิบัติงาน ไม่เพียงแต่จำเป็นต้องมีแรงกระทำต่อร่างกายเท่านั้น แต่ยังต้องให้ร่างกายเคลื่อนไหวด้วย (รูปที่ 1)

ข้าว. 1. งานจะทำก็ต่อเมื่อร่างกายที่รับแรงนั้นเคลื่อนไหว

แรงที่กระทำต่อร่างกายอาจจะทำงานหรือไม่ก็ได้ ตัวอย่างเช่น หากคุณพยายามเคลื่อนย้ายตู้ขนาดใหญ่ แรงที่คุณกระทำต่อตู้จะไม่ทำงาน เนื่องจากการกระจัดของตู้เป็นศูนย์ (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. แรงกระทำแต่ร่างกายไม่เคลื่อนไหว ในกรณีนี้งานเป็นศูนย์

ตัวอย่างเช่น หากนักบินอวกาศในอวกาศผลักวัตถุออกห่างจากเขาและวัตถุนั้นเคลื่อนออกห่างจากเขา แม้ว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ แต่นักบินอวกาศจะไม่ทำงานหลังจากการผลัก เนื่องจากแรงที่เขากระทำต่อวัตถุ เป็นศูนย์ วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเฉื่อย (รูปที่ 3)

ข้าว. 3. ร่างกายเคลื่อนไหวหลังจากการผลัก แต่ไม่มีการทำงานใด ๆ เนื่องจากนักบินอวกาศไม่ได้บังคับร่างกาย

ดังนั้น, เพื่อให้งานสำเร็จลุล่วงไปได้ ต้องมีแรงกระทำต่อร่างกายและร่างกายต้องเคลื่อนไหว

ทำงานอะไรเมื่อแผ่นหินแกรนิตที่มีปริมาตร 2 ม. 3 ถูกยกขึ้นสูง 12 ม.

ก่อนอื่นเรามาเขียนเงื่อนไขของปัญหากันก่อน เนื่องจากงานจะทำกับแรงโน้มถ่วงซึ่งกำหนดโดยมวลของร่างกายและปริมาตรของแผ่นพื้นถูกกำหนดไว้ในเงื่อนไข ดังนั้นสำหรับการแก้ปัญหาเราจำเป็นต้องทราบความหนาแน่นของหินแกรนิต (รูปที่ 4)

ข้าว. 4. สภาพโดยสังเขปงาน

ในการหางานจำเป็นต้องเพิ่มแรงที่ใช้กับร่างกายเพื่อยกตามเส้นทางที่ร่างกายเดินทาง เส้นทางที่ร่างกายเดินทางคือความสูงที่มันถูกยกขึ้น

เมื่อร่างกายถูกยกขึ้นอย่างสม่ำเสมอ แรงที่ใช้กับร่างกายจะเท่ากับแรงโน้มถ่วง

ในการหามวลของร่างกาย ให้นำปริมาตรไปคูณกับความหนาแน่นของหินแกรนิต

หลังจากการแทนที่สองครั้ง เราได้รับสูตรการทำงานสำหรับการคำนวณงาน

ให้เราวิเคราะห์มิติของผลลัพธ์

ตอนนี้คุณสามารถแทนที่ข้อมูลตัวเลขลงในสูตรสุดท้ายได้

สะดวกในการนำเสนอคำตอบสุดท้ายเป็นกิโลจูล

คำตอบ: งานที่ทำเพื่อยกพื้นคือ 624 กิโลจูล

ข้าว. 5. การแก้ปัญหาที่สมบูรณ์

ให้เราใส่ใจกับความจริงที่ว่าในคำจำกัดความของงานเป็นปริมาณทางกายภาพมีคำว่า " ผลคูณของโมดูลัสของแรงและปริมาณการกระจัดของร่างกาย ในทิศทางของแรง แต่ท้ายที่สุดแล้ว แรงที่พุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางการเคลื่อนไหวของร่างกายสามารถกระทำต่อร่างกายได้ เช่น แรงเสียดทาน ในกรณีนี้งานที่ทำโดยแรงจะเป็นค่าลบ นอกจากนี้แรงยังสามารถตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนไหวของร่างกาย ตัวอย่างเช่น หากลูกบอลกลิ้งไปบนพื้นผิวแนวนอน แรงโน้มถ่วงจะตั้งฉากกับทิศทางที่ลูกบอลเคลื่อนที่ ในกรณีนี้ ลูกบอลไม่เคลื่อนที่ไปตามทิศทางของแรงและงานจะเป็นศูนย์ (รูปที่ 6)

ข้าว. 6. งานสามารถเป็นบวก ลบ และศูนย์

ดังนั้น งานเชิงกลจึงเป็นปริมาณทางกายภาพที่แสดงลักษณะการกระทำของแรง มีหน่วยวัดเป็นจูล ต้องจำไว้ว่าในการทำงานทางกลภายใต้การกระทำของแรงร่างกายจะต้องไปทางใดทางหนึ่ง

บรรณานุกรม

1. Peryshkin A.V. ฟิสิกส์. 7 เซลล์ - ฉบับที่ 14 ตายตัว - ม.: อีแร้ง, 2010.

2. Peryshkin A.V. การรวบรวมปัญหาในวิชาฟิสิกส์ เกรด 7-9: 5th ed., stereotype - ม: สำนักพิมพ์สอบ, 2553.

3. Lukashik V.I. , Ivanova E.V. การรวบรวมงานในวิชาฟิสิกส์สำหรับเกรด 7-9 ของสถาบันการศึกษา - แก้ไขครั้งที่ 17 - ม.: การตรัสรู้, 2547.

1. ไซต์ "การรวบรวมทรัพยากรการศึกษาแบบดิจิทัลแบบครบวงจร" ()

2. ไซต์ "การรวบรวมทรัพยากรการศึกษาแบบดิจิทัลแบบครบวงจร" ()

การบ้าน

1. Lukashik V.I. , Ivanova E.V. รวบรวมโจทย์วิชาฟิสิกส์สำหรับเกรด 7-9 เลขที่ 666-669, 678, 686.