کار مکانیکی و قدرت. کار مکانیکی: چیست و چگونه استفاده می شود

« فیزیک - پایه دهم"

قانون بقای انرژی یک قانون اساسی طبیعت است که به ما امکان می دهد بیشتر پدیده های رخ داده را توصیف کنیم.

توصیف حرکت اجسام نیز با استفاده از مفاهیم دینامیک مانند کار و انرژی امکان پذیر است.

به یاد داشته باشید که کار و قدرت در فیزیک چیست.

آیا این مفاهیم با ایده های روزمره در مورد آنها منطبق است؟

تمام اعمال روزانه ما به این ختم می شود که به کمک ماهیچه ها یا بدن های اطراف را به حرکت در می آوریم و این حرکت را حفظ می کنیم و یا بدن های متحرک را متوقف می کنیم.

این بدنه ها ابزاری هستند (چکش، قلم، اره)، در بازی ها - توپ، پوک، مهره های شطرنج. در تولید و کشاورزی نیز مردم ابزار را به حرکت در می آورند.

استفاده از ماشین آلات به دلیل استفاده از موتور در آنها بهره وری نیروی کار را چندین برابر می کند.

هدف هر موتوری این است که بدنه ها را به حرکت درآورد و این حرکت را حفظ کند، علی رغم ترمزگیری با اصطکاک معمولی و مقاومت "کار" (برش نباید فقط روی فلز بلغزد، بلکه با برش در آن، تراشه ها را جدا کند؛ گاوآهن باید سست کردن زمین و غیره). در این حالت باید نیرویی از سمت موتور به بدنه متحرک وارد شود.

هر گاه نیرویی (یا چند نیرو) از جسم دیگر (اجسام دیگر) در جهت حرکت یا بر خلاف آن بر جسمی وارد شود، کار در طبیعت انجام می شود.

نیروی گرانش زمانی کار می کند که قطرات باران یا سنگ از صخره می افتند. در عین حال، کار توسط نیروی مقاومتی که بر روی قطرات در حال سقوط یا روی سنگ از هوا وارد می شود نیز انجام می شود. نیروی ارتجاعی نیز زمانی کار می کند که درختی که توسط باد خم می شود صاف شود.

تعریف کار.

قانون دوم نیوتن در شکل تکانه Δ = Δtبه شما این امکان را می دهد که تعیین کنید اگر یک نیرو در طول زمان Δt بر روی آن وارد شود، چگونه سرعت یک جسم در قدر و جهت تغییر می کند.

تأثیر نیروها بر اجسام که منجر به تغییر در مدول سرعت آنها می شود با مقداری مشخص می شود که هم به نیروها و هم به حرکات اجسام بستگی دارد. در مکانیک این کمیت نامیده می شود کار زور.

تغییر سرعت در مقدار مطلق فقط در صورتی امکان پذیر است که نیروی Fr در جهت حرکت بدن با صفر متفاوت باشد. این برجستگی است که عمل نیرویی را تعیین می کند که سرعت مدول بدن را تغییر می دهد. او کار را انجام می دهد. بنابراین، کار را می توان حاصل ضرب نیروی Fr توسط مدول جابجایی در نظر گرفت |Δ| (شکل 5.1):

A = F r |Δ|. (5.1)

اگر زاویه بین نیرو و جابجایی با α نشان داده شود، آنگاه Fr = Fcosα.

بنابراین، کار برابر است با:

A = |Δ|cosα. (5.2)

تصور روزمره ما از کار با تعریف کار در فیزیک متفاوت است. چمدان سنگینی در دست گرفته اید و به نظر می رسد که دارید کار می کنید. با این حال، از نظر فیزیکی، کار شما صفر است.

کار یک نیروی ثابت برابر است با حاصل ضرب مدول نیرو و جابجایی نقطه اعمال نیرو و کسینوس زاویه بین آنها.

در حالت کلی وقتی جسم صلب حرکت می کند، جابجایی نقاط مختلف آن متفاوت است، اما هنگام تعیین کار یک نیرو، تحت Δ ما حرکت نقطه کاربرد آن را درک می کنیم. در طول حرکت انتقالی یک جسم صلب، حرکت تمام نقاط آن با حرکت نقطه اعمال نیرو منطبق است.

کار بر خلاف نیرو و جابجایی یک کمیت برداری نیست، بلکه یک کمیت اسکالر است. می تواند مثبت، منفی یا صفر باشد.

علامت کار با علامت کسینوس زاویه بین نیرو و جابجایی مشخص می شود. اگر α< 90°, то А >0، زیرا کسینوس زوایای تند مثبت است. برای α > 90 درجه، کار منفی است، زیرا کسینوس زوایای مبهم منفی است. در α = 90 درجه (نیروی عمود بر جابجایی) هیچ کاری انجام نمی شود.

اگر چندین نیرو بر روی جسمی وارد شود، آنگاه برآمدگی نیروی حاصل بر جابجایی برابر است با مجموع برآمدگی نیروهای منفرد:

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

بنابراین، برای کار نیروی حاصل به دست می آوریم

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

اگر چندین نیرو بر روی جسمی وارد شوند، آنگاه کل کار (مجموع جبری کار همه نیروها) با کار نیروی حاصل برابر است.

کار انجام شده توسط یک نیرو را می توان به صورت گرافیکی نشان داد. اجازه دهید این موضوع را با نشان دادن وابستگی پیش بینی نیرو به مختصات جسم در هنگام حرکت در یک خط مستقیم توضیح دهیم.

اجازه دهید بدن در امتداد محور OX حرکت کند (شکل 5.2)، سپس

Fcosα = F x , |Δ| = Δ x.

برای کار زور می گیریم

A = F|Δ|cosα = F x Δx.

بدیهی است که مساحت مستطیل سایه دار در شکل (5.3، a) از نظر عددی برابر با کاری است که هنگام حرکت یک جسم از نقطه ای با مختصات x1 به نقطه ای با مختصات x2 انجام می شود.

فرمول (5.1) در مواردی معتبر است که پیش بینی نیرو بر روی جابجایی ثابت باشد. در مورد یک مسیر منحنی، نیروی ثابت یا متغیر، ما مسیر را به بخش‌های کوچکی تقسیم می‌کنیم که می‌توان آن‌ها را مستطیل در نظر گرفت، و نیرو را در یک جابجایی کوچک در نظر گرفت. Δ - ثابت.

سپس، محاسبه کار در هر حرکت Δ و سپس با جمع بندی این کارها، کار نیروی روی جابجایی نهایی را تعیین می کنیم (شکل 5.3، ب).

واحد کار.

واحد کار را می توان با استفاده از فرمول اصلی (5.2) ایجاد کرد. اگر هنگام حرکت یک جسم در واحد طول، نیرویی که مدول آن برابر با یک است، بر آن وارد شود و جهت نیرو با جهت حرکت نقطه اعمال آن منطبق باشد (α = 0)، آنگاه کار برابر یک خواهد بود. واحد کار سیستم بین المللی (SI) ژول است (که با J نشان داده می شود):

1 J = 1 N 1 m = 1 N m.

ژول- این کاری است که نیروی 1 N روی جابجایی 1 انجام می شود اگر جهت نیرو و جابجایی منطبق باشد.

اغلب از چندین واحد کار استفاده می شود: کیلوژول و مگاژول:

1 کیلوژول = 1000 ژول,
1 MJ = 1000000 J.

کار را می توان در مدت زمان طولانی و یا در مدت زمان بسیار کوتاه به پایان رساند. با این حال، در عمل، به دور از بی تفاوتی است که آیا می توان کار را سریع یا آهسته انجام داد. مدت زمانی که کار انجام می شود عملکرد هر موتور را تعیین می کند. یک موتور الکتریکی کوچک می تواند کارهای زیادی انجام دهد، اما زمان زیادی را می طلبد. بنابراین، همراه با کار، کمیتی معرفی می شود که سرعت تولید آن را مشخص می کند - قدرت.

توان نسبت کار A به بازه زمانی Δt است که در طی آن این کار انجام می شود، یعنی توان سرعت کار است:

با جایگزین کردن فرمول (5.4) به جای کار A عبارت (5.2) آن را بدست می آوریم

بنابراین، اگر نیرو و سرعت یک جسم ثابت باشد، توان برابر است با حاصل ضرب بزرگی بردار نیرو در بزرگی بردار سرعت و کسینوس زاویه بین جهات این بردارها. اگر این کمیت ها متغیر باشند، با استفاده از فرمول (5.4) می توان میانگین توان را به روشی مشابه با تعیین سرعت متوسط ​​یک جسم تعیین کرد.

مفهوم قدرت برای ارزیابی کار در واحد زمان انجام شده توسط هر مکانیزم (پمپ، جرثقیل، موتور ماشین و غیره) معرفی شده است. بنابراین در فرمول های (5.4) و (5.5) همیشه نیروی کشش منظور می شود.

در SI قدرت بر حسب بیان می شود وات (W).

اگر کار برابر با 1 ژول در 1 ثانیه انجام شود، توان برابر با 1 وات است.

همراه با وات، واحدهای بزرگتر (چندین) توان استفاده می شود:

1 کیلو وات (کیلووات) = 1000 وات,
1 مگاوات (مگاوات) = 1000000 وات.

محتوا:

جریان الکتریکی به منظور استفاده در آینده برای اهداف خاص، برای انجام نوعی کار تولید می شود. به لطف برق، همه دستگاه ها، دستگاه ها و تجهیزات کار می کنند. کار خود نشان دهنده تلاش خاصی است که برای حرکت یک بار الکتریکی در یک فاصله تعیین شده اعمال می شود. به طور معمول، چنین کاری در یک بخش از مدار برابر با مقدار عددی ولتاژ در این بخش خواهد بود.

برای انجام محاسبات لازم، باید بدانید که چگونه کار جریان اندازه گیری می شود. تمام محاسبات بر اساس داده های اولیه به دست آمده با استفاده از ابزار اندازه گیری انجام می شود. هر چه میزان شارژ بیشتر باشد، تلاش بیشتری برای جابجایی آن لازم است و کار بیشتری انجام خواهد شد.

اسم کار جریان چیه؟

جریان الکتریکی به عنوان یک کمیت فیزیکی به خودی خود اهمیت عملی ندارد. مهمترین عامل اثر جریان است که با کاری که انجام می دهد مشخص می شود. کار خود نشان دهنده اعمال خاصی است که طی آن یک نوع انرژی به دیگری تبدیل می شود. به عنوان مثال، انرژی الکتریکی با چرخش شفت موتور به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. کار جریان الکتریکی خود حرکت بارها در یک هادی تحت تأثیر میدان الکتریکی است. در واقع تمام کار حرکت ذرات باردار توسط میدان الکتریکی انجام می شود.

برای انجام محاسبات، فرمولی برای عملکرد جریان الکتریکی باید استخراج شود. برای کامپایل فرمول ها به پارامترهایی مانند قدرت جریان و. از آنجایی که کار انجام شده توسط یک جریان الکتریکی و کار انجام شده توسط یک میدان الکتریکی یکسان است، به عنوان حاصل ضرب ولتاژ و بار جاری در هادی بیان می شود. یعنی: A = Uq. این فرمول از رابطه ای که ولتاژ در هادی را تعیین می کند به دست آمده است: U = A/q. نتیجه این است که ولتاژ نشان دهنده کار انجام شده توسط میدان الکتریکی A برای انتقال یک ذره باردار q است.

ذره باردار یا بار خود به عنوان حاصل ضرب قدرت فعلی و زمان صرف شده برای حرکت این بار در امتداد هادی نمایش داده می شود: q = It. در این فرمول از رابطه قدرت جریان در هادی استفاده شد: I = q/t. یعنی نسبت بار به مدت زمانی است که در طی آن بار از سطح مقطع هادی عبور می کند. در شکل نهایی خود، فرمول کار جریان الکتریکی مانند حاصل ضرب کمیت های شناخته شده خواهد بود: A = UIt.

کار جریان الکتریکی با چه واحدهایی اندازه گیری می شود؟

قبل از پرداختن مستقیم به این سوال که چگونه کار جریان الکتریکی اندازه‌گیری می‌شود، لازم است واحدهای اندازه‌گیری تمام مقادیر فیزیکی که این پارامتر با آنها محاسبه می‌شود جمع‌آوری شود. بنابراین، هر کاری، واحد اندازه گیری این کمیت 1 ژول (1 ژول) خواهد بود. ولتاژ بر حسب ولت، جریان بر حسب آمپر و زمان بر حسب ثانیه اندازه گیری می شود. این بدان معنی است که واحد اندازه گیری به این صورت خواهد بود: 1 J = 1V x 1A x 1s.

بر اساس واحدهای اندازه‌گیری به‌دست‌آمده، کار جریان الکتریکی حاصل ضرب قدرت جریان در یک بخش از مدار، ولتاژ در انتهای بخش و دوره زمانی که در طی آن جریان از مدار عبور می‌کند، تعیین می‌شود. رهبر ارکستر.

اندازه گیری ها با استفاده از ولت متر و ساعت انجام می شود. این دستگاه ها به شما این امکان را می دهند که به طور موثر مشکل چگونگی یافتن مقدار دقیق یک پارامتر معین را حل کنید. هنگام اتصال آمپرمتر و ولت متر به مدار، لازم است که قرائت آنها را برای مدت زمان مشخصی کنترل کنید. داده های به دست آمده در فرمول وارد می شود و پس از آن نتیجه نهایی نمایش داده می شود.

عملکرد هر سه دستگاه در کنتورهای الکتریکی ترکیب شده است که انرژی مصرف شده و در واقع کار انجام شده توسط جریان الکتریکی را در نظر می گیرد. در اینجا واحد دیگری استفاده می شود - 1 کیلو وات x ساعت، که همچنین به این معنی است که در طول یک واحد زمان چقدر کار انجام شده است.

شما قبلاً با کار مکانیک (کار نیرو) از درس فیزیک مدرسه ابتدایی آشنا هستید. بیایید تعریف کار مکانیکی را برای موارد زیر به یاد بیاوریم.

اگر نیرو در همان جهت حرکت بدن باشد، کار توسط نیرو انجام می شود

در این صورت کار انجام شده توسط نیرو مثبت است.

اگر نیرو بر خلاف حرکت بدن باشد، کار توسط نیرو انجام می شود

در این حالت کار انجام شده توسط نیرو منفی است.

اگر نیروی f_vec عمود بر جابجایی s_vec جسم باشد، کار انجام شده توسط نیرو صفر است:

کار یک کمیت اسکالر است. واحد کار به افتخار دانشمند انگلیسی جیمز ژول که نقش مهمی در کشف قانون بقای انرژی داشت، ژول (نماد: J) نامیده می شود. از فرمول (1) چنین می شود:

1 J = 1 N * m.

1. یک بلوک به وزن 0.5 کیلوگرم در طول میز 2 متر حرکت داده شد و نیروی کشسانی 4 نیوتن به آن اعمال شد (شکل 28.1). ضریب اصطکاک بین بلوک و جدول 0.2 است. کار بر روی بلوک چیست؟
الف) جاذبه m؟
ب) نیروهای واکنش طبیعی؟
ج) نیروهای کشسان؟
د) نیروهای اصطکاک لغزشی tr؟

کل کار انجام شده توسط چندین نیروی وارد بر یک جسم را می توان به دو صورت یافت:
1. کار هر نیرو را بیابید و این آثار را با در نظر گرفتن علائم جمع کنید.
2. برآیند تمام نیروهای وارد شده به جسم را بیابید و کار برآیند را محاسبه کنید.

هر دو روش منجر به یک نتیجه می شود. برای اطمینان از این موضوع، به کار قبلی برگردید و به سؤالات تکلیف 2 پاسخ دهید.

2. برابر است با:
الف) مجموع کار انجام شده توسط تمام نیروهای وارد بر بلوک؟
ب) حاصل تمام نیروهای وارد بر بلوک؟
ج) نتیجه کار؟ در حالت کلی (زمانی که نیروی f_vec در یک زاویه دلخواه نسبت به جابجایی s_vec هدایت می شود) تعریف کار نیرو به شرح زیر است.

کار A یک نیروی ثابت برابر است با حاصل ضرب مدول نیرو F توسط مدول جابجایی s و کسینوس زاویه α بین جهت نیرو و جهت جابجایی:

A = Fs cos α (4)

3. نشان دهید که تعریف کلی کار به نتایج نشان داده شده در نمودار زیر منجر می شود. آنها را شفاهی فرموله کنید و در دفترچه یادداشت کنید.

4. به بلوک روی میز نیرویی وارد می شود که مدول آن 10 نیوتن است. زاویه بین این نیرو و حرکت بلوک چقدر است اگر هنگام حرکت بلوک 60 سانتی متری در امتداد میز، این نیرو عمل کند. کار: الف) 3 J; ب) -3 J; ج) -3 J; د) -6 جی؟ نقاشی های توضیحی بسازید.

2. کار جاذبه

اجازه دهید جسمی به جرم m به صورت عمودی از ارتفاع اولیه h n به ارتفاع نهایی h k حرکت کند.

اگر جسم به سمت پایین حرکت کند (h n > h k، شکل 28.2، a)، جهت حرکت با جهت گرانش منطبق است، بنابراین کار گرانش مثبت است. اگر بدن به سمت بالا حرکت کند (h n< h к, рис. 28.2, б), то работа силы тяжести отрицательна.

در هر دو مورد، کار توسط گرانش انجام می شود

A = mg (h n - h k). (5)

حالا بیایید کار انجام شده توسط گرانش را هنگام حرکت با زاویه نسبت به عمود پیدا کنیم.

5. یک بلوک کوچک به جرم m در امتداد صفحه شیبدار به طول s و ارتفاع h لغزید (شکل 28.3). صفحه مایل با عمود زاویه α می سازد.

الف) زاویه بین جهت گرانش و جهت حرکت بلوک چقدر است؟ یک نقاشی توضیحی بسازید.
ب) کار گرانش را بر حسب m، g، s، α بیان کنید.
ج) s را بر حسب h و α بیان کنید.
د) کار گرانش را بر حسب m، g، h بیان کنید.
ه) هنگامی که بلوک در امتداد کل صفحه به سمت بالا حرکت می کند، گرانش چه کاری انجام می دهد؟

پس از انجام این کار، شما متقاعد شده اید که کار گرانش با فرمول (5) بیان می شود، حتی زمانی که بدن در یک زاویه به سمت عمود حرکت می کند - هم پایین و هم بالا.

اما فرمول (5) برای کار گرانش زمانی معتبر است که جسمی در امتداد هر مسیری حرکت کند، زیرا هر مسیری (شکل 28.4، a) را می توان به عنوان مجموعه ای از "صفحه های شیبدار" کوچک نشان داد (شکل 28.4، ب). .

بدین ترتیب،
کار انجام شده توسط گرانش هنگام حرکت در امتداد هر مسیری با فرمول بیان می شود

A t = mg (h n - h k)،

جایی که h n ارتفاع اولیه بدن است، h k ارتفاع نهایی آن است.
کار انجام شده توسط گرانش به شکل مسیر بستگی ندارد.

به عنوان مثال، کار گرانش هنگام حرکت یک جسم از نقطه A به نقطه B (شکل 28.5) در طول مسیر 1، 2 یا 3 یکسان است. از اینجا، به ویژه، نتیجه می شود که نیروی گرانش هنگام حرکت در امتداد یک مسیر بسته (زمانی که جسم به نقطه شروع باز می گردد) برابر با صفر است.

6. توپی به جرم m که روی نخی به طول l آویزان شده بود، 90 درجه منحرف شد، نخ را کشیده نگه داشت، و بدون فشار رها شد.
الف) کاری که توسط گرانش انجام می شود در مدت زمانی که توپ به حالت تعادل حرکت می کند (شکل 28.6) چیست؟
ب) نیروی کشسانی نخ در همان زمان چه کاری انجام می دهد؟
ج) نیروهای حاصله که در یک زمان به توپ وارد می شوند چه کاری انجام می دهند؟

3. کار نیروی کشسان

هنگامی که فنر به حالت تغییر شکل نیافته برمی گردد، نیروی الاستیک همیشه کار مثبت انجام می دهد: جهت آن با جهت حرکت منطبق است (شکل 28.7).

بیایید کار انجام شده توسط نیروی کشسان را پیدا کنیم.
مدول این نیرو با رابطه با مدول تغییر شکل x مرتبط است (به بند 15 مراجعه کنید)

کار انجام شده توسط چنین نیرویی را می توان به صورت گرافیکی یافت.

اجازه دهید ابتدا توجه داشته باشیم که کار انجام شده توسط یک نیروی ثابت از نظر عددی برابر است با مساحت مستطیل زیر نمودار نیرو در مقابل جابجایی (شکل 28.8).

شکل 28.9 نموداری از F(x) را برای نیروی الاستیک نشان می دهد. اجازه دهید کل حرکت بدن را به طور ذهنی به فواصل کوچکی تقسیم کنیم که در هر یک از آنها بتوان نیرو را ثابت در نظر گرفت.

سپس کار روی هر یک از این بازه‌ها از نظر عددی برابر با مساحت شکل زیر بخش مربوط به نمودار است. همه کارها برابر است با مجموع کار در این زمینه ها.

در نتیجه، در این مورد، کار از نظر عددی برابر با مساحت شکل زیر نمودار وابستگی F(x) است.

7. با استفاده از شکل 28.10، آن را ثابت کنید

کار انجام شده توسط نیروی الاستیک هنگامی که فنر به حالت تغییر شکل نیافته خود باز می گردد با فرمول بیان می شود

A = (kx 2)/2. (7)

8. با استفاده از نمودار در شکل 28.11، ثابت کنید که وقتی تغییر شکل فنر از x n به x k تغییر می کند، کار نیروی الاستیک با فرمول بیان می شود.

از فرمول (8) می بینیم که کار نیروی ارتجاعی فقط به تغییر شکل اولیه و نهایی فنر بستگی دارد، بنابراین، اگر بدنه ابتدا تغییر شکل داده و سپس به حالت اولیه خود برگردد، کار نیروی کشسان است. صفر به یاد بیاوریم که کار گرانش نیز همین ویژگی را دارد.

9. کشش فنر با سفتی 400 نیوتن بر متر در لحظه اولیه 3 سانتی متر است.
الف) تغییر شکل نهایی فنر چقدر است؟
ب) نیروی کشسان فنر چه کاری انجام می دهد؟

10. فنر با سفتی 200 نیوتن بر متر 2 سانتی متر کشیده می شود و در لحظه پایانی 1 سانتی متر تحت فشار قرار می گیرد.

4. کار نیروی اصطکاک

اجازه دهید بدنه در امتداد یک تکیه گاه ثابت بلغزد. نیروی اصطکاک لغزشی که بر روی بدنه وارد می شود همیشه بر خلاف حرکت است و بنابراین، کار نیروی اصطکاک لغزشی در هر جهت حرکت منفی است (شکل 28.12).

بنابراین، اگر بلوک را به سمت راست و میخ را به همان فاصله به سمت چپ حرکت دهید، اگر چه به موقعیت اولیه خود باز می گردد، کل کار انجام شده توسط نیروی اصطکاک لغزشی برابر با صفر نخواهد بود. این مهمترین تفاوت بین کار نیروی اصطکاک لغزشی و نیروی گرانش و نیروی کشسانی است. به یاد بیاوریم که کار انجام شده توسط این نیروها هنگام حرکت یک جسم در امتداد یک مسیر بسته صفر است.

11. یک بلوک به وزن 1 کیلوگرم در امتداد میز حرکت داده شد به طوری که مسیر حرکت آن مربعی با ضلع 50 سانتی متر بود.
الف) آیا بلوک به نقطه شروع خود بازگشته است؟
ب) کل کار انجام شده توسط نیروی اصطکاکی وارد بر بلوک چقدر است؟ ضریب اصطکاک بین بلوک و جدول 0.3 است.

5-قدرت

اغلب نه تنها کاری که انجام می شود مهم است، بلکه سرعت انجام کار نیز مهم است. با قدرت مشخص می شود.

توان P نسبت کار انجام شده A به دوره زمانی t است که در طی آن این کار انجام شده است:

(گاهی اوقات توان در مکانیک با حرف N و در الکترودینامیک با حرف P نشان داده می‌شود. ما استفاده از همان نام را برای توان راحت‌تر می‌دانیم.)

واحد قدرت وات (نماد: W) است که از نام مخترع انگلیسی جیمز وات نامگذاری شده است. از فرمول (9) نتیجه می شود که

1 W = 1 J/s.

12. با بلند کردن یکنواخت یک سطل آب به وزن 10 کیلوگرم به ارتفاع 1 متر به مدت 2 ثانیه، شخص چه قدرتی را ایجاد می کند؟

اغلب راحت است که قدرت را نه از طریق کار و زمان، بلکه از طریق زور و سرعت بیان کنیم.

بیایید موردی را در نظر بگیریم که نیرو در امتداد جابجایی هدایت شود. سپس کار انجام شده توسط نیروی A = Fs. با جایگزینی این عبارت به فرمول (9) برای قدرت، به دست می آوریم:

P = (Fs)/t = F(s/t) = Fv. (10)

13. خودرویی با سرعت 72 کیلومتر در ساعت در جاده افقی در حال حرکت است. در همان زمان، موتور آن قدرت 20 کیلووات را توسعه می دهد. نیروی مقاومت در برابر حرکت خودرو چقدر است؟

سرنخ. هنگامی که یک خودرو در امتداد یک جاده افقی با سرعت ثابت حرکت می کند، نیروی کشش برابر با نیروی مقاومت در برابر حرکت ماشین است.

14. اگر قدرت موتور جرثقیل 20 کیلو وات و راندمان الکتروموتور جرثقیل 75 درصد باشد، برای بلند کردن یکنواخت بلوک بتنی به وزن 4 تن تا ارتفاع 30 متر چقدر طول می کشد؟

سرنخ. راندمان یک موتور الکتریکی برابر است با نسبت کار بلند کردن بار به کار موتور.

سوالات و وظایف اضافی

15. توپی به وزن 200 گرم از بالکن با ارتفاع 10 و زاویه 45 درجه نسبت به افقی پرتاب شد. با رسیدن به حداکثر ارتفاع 15 متری در پرواز، توپ به زمین افتاد.
الف) نیروی جاذبه هنگام بلند کردن توپ چه کاری انجام می دهد؟
ب) هنگام پایین آمدن توپ، نیروی جاذبه چه کاری انجام می دهد؟
ج) کار گرانش در تمام طول پرواز توپ چیست؟
د) آیا داده های اضافی در شرایط وجود دارد؟

16. توپی با جرم 0.5 کیلوگرم از فنر با سفتی 250 نیوتن بر متر معلق است و در حالت تعادل است. توپ به گونه ای بلند می شود که فنر تغییر شکل ندهد و بدون فشار آزاد شود.
الف) توپ تا چه ارتفاعی بلند شد؟
ب) در مدت زمانی که توپ به حالت تعادل حرکت می کند، نیروی گرانش چه کاری انجام می دهد؟
ج) نیروی الاستیک در مدت زمانی که توپ به حالت تعادل حرکت می کند چه کاری انجام می دهد؟
د) حاصل تمام نیروهای وارد شده به توپ در مدت زمانی که توپ به حالت تعادل حرکت می کند، چه کاری انجام می دهد؟

17. سورتمه ای به وزن 10 کیلوگرم بدون سرعت اولیه از یک کوه برفی با زاویه شیب 30º α به پایین می لغزد و مسافت معینی را در امتداد یک سطح افقی طی می کند (شکل 28.13). ضریب اصطکاک بین سورتمه و برف 0.1 است. طول قاعده کوه l=15 متر است.

الف) مقدار نیروی اصطکاک زمانی که سورتمه روی سطح افقی حرکت می کند چقدر است؟
ب) وقتی سورتمه در امتداد یک سطح افقی در فاصله 20 متری حرکت می کند نیروی اصطکاک چه کاری انجام می دهد؟
ج) مقدار نیروی اصطکاک زمانی که سورتمه در امتداد کوه حرکت می کند چقدر است؟
د) نیروی اصطکاک هنگام پایین آوردن سورتمه چه کاری انجام می دهد؟
ه) هنگام پایین آوردن سورتمه توسط نیروی جاذبه چه کاری انجام می شود؟
و) نیروهای حاصل از سورتمه هنگام پایین آمدن از کوه چه کاری انجام می دهند؟

18. خودرویی به وزن 1 تن با سرعت 50 کیلومتر بر ساعت حرکت می کند. قدرت موتور 10 کیلووات است. مصرف بنزین 8 لیتر در 100 کیلومتر است. چگالی بنزین 750 کیلوگرم بر متر مکعب و گرمای ویژه احتراق آن 45 مگاژول بر کیلوگرم است. راندمان موتور چقدر است؟ آیا داده های اضافی در شرایط وجود دارد؟
سرنخ. راندمان یک موتور حرارتی برابر است با نسبت کار انجام شده توسط موتور به مقدار گرمای آزاد شده در طی احتراق سوخت.

برای اینکه بتوان ویژگی های انرژی حرکت را مشخص کرد، مفهوم کار مکانیکی معرفی شد. و مقاله در جلوه های مختلف به آن اختصاص دارد. موضوع هم آسان است و هم درک آن بسیار دشوار است. نویسنده صمیمانه تلاش کرد تا آن را قابل فهم تر و قابل فهم تر کند و فقط می توان امیدوار بود که هدف محقق شده باشد.

کار مکانیکی چیست؟

به آن چه گفته می شود؟ اگر نیرویی بر جسمی وارد شود و در اثر آن جسم حرکت کند، به آن کار مکانیکی می گویند. هنگام رویکرد از دیدگاه فلسفه علمی، چندین جنبه اضافی را می توان در اینجا برجسته کرد، اما مقاله از نقطه نظر فیزیک موضوع را پوشش می دهد. اگر در مورد کلمات نوشته شده در اینجا با دقت فکر کنید، کار مکانیکی دشوار نیست. اما کلمه "مکانیکی" معمولاً نوشته نمی شود و همه چیز به کلمه "کار" خلاصه می شود. اما هر شغلی مکانیکی نیست. اینجا مردی نشسته و فکر می کند. آیا کار می کند؟ از نظر ذهنی بله! اما آیا این کار مکانیکی است؟ خیر اگه یه نفر راه بره چی؟ اگر جسمی تحت تأثیر نیرو حرکت کند، این کار مکانیکی است. ساده است. به عبارت دیگر، نیرویی که بر جسم وارد می شود کار (مکانیکی) انجام می دهد. و یک چیز دیگر: این کار است که می تواند نتیجه عمل یک نیروی خاص را مشخص کند. پس اگر شخصی راه برود، نیروهای خاصی (اصطکاک، جاذبه و...) بر روی فرد کار مکانیکی انجام می دهند و در نتیجه عمل آنها، فرد محل قرارگیری خود را تغییر می دهد و به عبارتی حرکت می کند.

کار به عنوان یک کمیت فیزیکی برابر با نیرویی است که بر جسم وارد می شود، ضرب در مسیری که بدن تحت تأثیر این نیرو طی کرده است و در جهتی که توسط آن مشخص شده است. می توان گفت که کار مکانیکی در صورتی انجام می شد که 2 شرط به طور همزمان برآورده می شد: نیرویی بر بدن وارد می شد و در جهت عمل خود حرکت می کرد. اما اگر نیرو وارد شده باشد و جسم در سیستم مختصات مکان خود را تغییر ندهد، اتفاق نمی افتد یا رخ نمی دهد. در اینجا نمونه های کوچکی وجود دارد که کار مکانیکی انجام نمی شود:

1. بنابراین یک فرد می تواند به یک تخته سنگ بزرگ تکیه کند تا آن را حرکت دهد، اما قدرت کافی وجود ندارد. نیرو روی سنگ وارد می شود، اما حرکت نمی کند و هیچ کاری رخ نمی دهد.
2. جسم در دستگاه مختصات حرکت می کند و نیرو برابر با صفر است یا همه آنها جبران شده اند. این را می توان در حین حرکت با اینرسی مشاهده کرد.
3. زمانی که جهت حرکت جسم عمود بر عمل نیرو باشد. وقتی قطار در امتداد یک خط افقی حرکت می کند، گرانش کار خود را انجام نمی دهد.

بسته به شرایط خاص، کار مکانیکی می تواند منفی و مثبت باشد. بنابراین، اگر جهت نیروها و حرکات بدن یکسان باشد، کار مثبت رخ می دهد. یک نمونه از کار مثبت، تأثیر گرانش بر یک قطره آب در حال سقوط است. اما اگر نیرو و جهت حرکت مخالف باشد، کار مکانیکی منفی رخ می دهد. نمونه ای از چنین گزینه ای بالونی است که به سمت بالا بالا می رود و نیروی گرانش است که کار منفی انجام می دهد. هنگامی که جسمی تحت تأثیر چندین نیرو قرار می گیرد، به چنین کاری «کار نیروی حاصله» می گویند.

ویژگی های کاربرد عملی (انرژی جنبشی)

بیایید از بخش تئوری به بخش عملی برویم. به طور جداگانه باید در مورد کار مکانیکی و کاربرد آن در فیزیک صحبت کنیم. همانطور که احتمالاً بسیاری به یاد دارند، تمام انرژی بدن به جنبشی و پتانسیل تقسیم می شود. وقتی جسمی در حالت تعادل است و به جایی نمی‌رود، انرژی پتانسیل آن برابر با انرژی کل و انرژی جنبشی آن صفر است. وقتی حرکت شروع می شود، انرژی پتانسیل شروع به کاهش می کند، انرژی جنبشی شروع به افزایش می کند، اما در مجموع آنها برابر با انرژی کل جسم هستند. برای یک نقطه مادی، انرژی جنبشی به عنوان کار نیرویی تعریف می شود که نقطه را از صفر به مقدار H شتاب می دهد و در فرمول سینتیک یک جسم برابر با ½*M*N است که M جرم است. برای پی بردن به انرژی جنبشی جسمی که از ذرات زیادی تشکیل شده است، باید مجموع تمام انرژی جنبشی ذرات را پیدا کنید و این انرژی جنبشی بدن خواهد بود.

ویژگی های کاربرد عملی (انرژی بالقوه)

در صورتی که تمام نیروهای وارد بر جسم محافظه کار باشند و انرژی پتانسیل برابر با کل باشد، هیچ کاری انجام نمی شود. این اصل به عنوان قانون بقای انرژی مکانیکی شناخته می شود. انرژی مکانیکی در یک سیستم بسته در یک بازه زمانی ثابت است. قانون حفاظت به طور گسترده ای برای حل مسائل از مکانیک کلاسیک استفاده می شود.

ویژگی های کاربرد عملی (ترمودینامیک)

در ترمودینامیک، کار انجام شده توسط گاز در حین انبساط با انتگرال فشار بار حجم محاسبه می شود. این رویکرد نه تنها در مواردی که تابع حجم دقیق وجود دارد، بلکه برای همه فرآیندهایی که می‌توانند در صفحه فشار/حجم نمایش داده شوند نیز قابل اجرا است. همچنین دانش کار مکانیکی را نه تنها در مورد گازها، بلکه برای هر چیزی که می تواند فشار وارد کند، اعمال می کند.

ویژگی های کاربرد عملی در عمل (مکانیک نظری)

در مکانیک نظری، تمام خواص و فرمول هایی که در بالا توضیح داده شد، با جزئیات بیشتری در نظر گرفته می شوند. او همچنین تعریف خود را برای فرمول های مختلف کار مکانیکی ارائه می دهد (نمونه ای از تعریفی برای انتگرال ریمر): حدی که مجموع نیروهای کار ابتدایی به آن گرایش دارد، زمانی که ظرافت پارتیشن به صفر می رسد، نامیده می شود. کار نیرو در امتداد منحنی احتمالا سخته؟ اما هیچ، همه چیز با مکانیک نظری خوب است. بله، تمام کارهای مکانیکی، فیزیک و سایر مشکلات در حال حاضر تمام شده است. در ادامه فقط نمونه ها و نتیجه گیری وجود خواهد داشت.

واحدهای اندازه گیری کار مکانیکی

SI برای اندازه گیری کار از ژول استفاده می کند، در حالی که GHS از erg استفاده می کند:

1. 1 J = 1 کیلوگرم متر مربع / ثانیه = 1 نیوتن متر
2. 1 erg = 1 گرم سانتی‌متر مربع/s² = 1 دینه سانتی‌متر
3. 1 erg = 10-7 J

نمونه کارهای مکانیکی

برای اینکه در نهایت چنین مفهومی به عنوان کار مکانیکی را درک کنید، باید چندین مثال فردی را مطالعه کنید که به شما امکان می دهد آن را از طرف های مختلف، اما نه همه، در نظر بگیرید:

1. هنگامی که شخصی با دستان خود سنگی را بلند می کند، با کمک قدرت عضلانی دستانش، کار مکانیکی رخ می دهد.
2. هنگامی که قطار در امتداد ریل حرکت می کند، توسط نیروی کشش تراکتور (لوکوموتیو برقی، لوکوموتیو دیزلی و غیره) کشیده می شود.
3. اگر یک اسلحه بردارید و از آن شلیک کنید، به لطف نیروی فشار ایجاد شده توسط گازهای پودر، کار انجام می شود: همزمان با افزایش سرعت گلوله، گلوله در امتداد لوله اسلحه حرکت می کند.
4. کار مکانیکی نیز زمانی وجود دارد که نیروی اصطکاک بر جسمی وارد شود و آن را مجبور به کاهش سرعت حرکت خود کند.
5. مثال بالا در مورد توپ ها وقتی در جهت مخالف نسبت به جهت گرانش بالا می آیند نیز نمونه ای از کار مکانیکی است، اما علاوه بر گرانش، نیروی ارشمیدس نیز عمل می کند، زمانی که هر چیزی که سبکتر از هوا است بالا می رود.

قدرت چیست؟

در پایان می خواهم به موضوع قدرت بپردازم. به کاری که توسط یک نیرو در یک واحد زمان انجام می شود توان می گویند. در واقع توان یک کمیت فیزیکی است که انعکاسی از نسبت کار به دوره زمانی معینی است که در طی آن این کار انجام شده است: M=P/B که در آن M توان است، P کار است، B زمان است. واحد SI قدرت 1 وات است. یک وات برابر با توانی است که در یک ثانیه یک ژول کار می کند: 1 W=1J\1s.