В какви единици се измерва работата на силата? Физическото значение на работата и механичната енергия

Ако сила действа върху тяло, тогава тази сила извършва работа, за да премести това тяло. Преди да дадете дефиниция на работа при криволинейно движение на материална точка, разгледайте специални случаи:

В този случай механична работа А е равно на:

А= F s cos=
,

или A=Fcos× s = F С × с ,

къдетоЕ С – проекция сила да се движат. В такъв случай Е с = конст, и геометричното значение на произведението Ае площта на правоъгълника, конструирана в координати Е С , , с.

Нека изградим графика на проекцията на силата върху посоката на движение Е Скато функция на изместването s. Представяме пълното преместване като сбор от n малки премествания
. За малки аз -та денивелация
работата е

или площта на защрихования трапец на фигурата.

Пълна механична работа за преместване от точка 1 точно 2 ще бъде равно на:

Стойността под интеграла ще представлява елементарната работа върху безкрайно малко преместване
:

- основна работа.

Разбиваме траекторията на движение на материална точка на безкрайно малки премествания

и работата на силата

чрез преместване на материална точка от точка 1 точно 2 дефиниран като криволинеен интеграл:

–работа с криволинейно движение.

Пример 1: Работата на гравитацията
при криволинейно движение на материална точка.

По-нататък като постоянна стойност може да се извади от интегралния знак, а интегралът според фигурата ще представлява пълно изместване . .

Ако означим височината на точката 1 от земната повърхност през , и височината на точката 2 през , тогава

Виждаме, че в този случай работата се определя от позицията на материалната точка в началния и крайния момент от времето и не зависи от формата на траекторията или пътя. Работата, извършена от гравитацията в затворен път, е нула:
.

Наричат се сили, чиято работа по затворен път е нулаконсервативен .

Пример 2 : Работата на силата на триене.

Това е пример за неконсервативна сила. За да се покаже това, достатъчно е да се разгледа елементарната работа на силата на триене:

тези. работата на силата на триене винаги е отрицателна и не може да бъде равна на нула при затворен път. Извършената работа за единица време се нарича мощност. Ако навреме
работата е свършена
, тогава силата е

–механична мощност.

Вземане
като

получаваме израза за мощност:

Единицата за работа в SI е джаул:
= 1 J = 1 N 1 m, а единицата за мощност е ват: 1 W = 1 J / s.

механична енергия.

Енергията е обща количествена мярка за движението на взаимодействието на всички видове материя. Енергията не изчезва и не възниква от нищото: тя може само да преминава от една форма в друга. Понятието енергия обединява всички явления в природата. В съответствие с различните форми на движение на материята се разглеждат различни видове енергия - механична, вътрешна, електромагнитна, ядрена и др.

Понятията енергия и работа са тясно свързани помежду си. Известно е, че работата се извършва за сметка на енергийния резерв и, обратно, чрез извършване на работа е възможно да се увеличи енергийният резерв във всяко устройство. С други думи, работата е количествена мярка за промяната в енергията:

Енергията, както и работата в SI се измерват в джаули: [ д]=1 Дж.

Механичната енергия бива два вида - кинетична и потенциална.

Кинетична енергия (или енергията на движение) се определя от масите и скоростите на разглежданите тела. Да разгледаме материална точка, движеща се под действието на сила . Работата на тази сила увеличава кинетичната енергия на материалната точка
. Нека изчислим в този случай малко увеличение (диференциал) на кинетичната енергия:

При изчисляване
използвайки втория закон на Нютон
, както и
- модул на скоростта на материална точка. Тогава
може да се представи като:

- кинетична енергия на движеща се материална точка.

Умножение и деление на този израз на
, и като се има предвид това
, получаваме

- връзката между импулса и кинетичната енергия на движеща се материална точка.

Потенциална енергия (или енергията на положението на телата) се определя от действието на консервативните сили върху тялото и зависи само от положението на тялото .

Видяхме, че работата на гравитацията
с криволинейно движение на материална точка
може да се представи като разликата между стойностите на функцията
взето в точката 1 и в точката 2 :

Оказва се, че когато силите са консервативни, работата на тези сили е на път 1
2 може да се представи като:

функция , която зависи само от положението на тялото – нарича се потенциална енергия.

Тогава за елементарна работа получаваме

–работата е равна на загубата на потенциална енергия.

В противен случай можем да кажем, че работата се извършва поради потенциалния енергиен резерв.

стойността , равна на сумата от кинетичната и потенциалната енергия на частицата, се нарича обща механична енергия на тялото:

–общата механична енергия на тялото.

В заключение отбелязваме, че използвайки втория закон на Нютон
, диференциал на кинетичната енергия
може да се представи като:

Диференциал на потенциалната енергия
, както бе споменато по-горе, е равно на:

По този начин, ако силата тогава е консервативна сила и няма други външни сили , т.е. в този случай общата механична енергия на тялото се запазва.

Конят дърпа каруцата с известна сила, нека го обозначим Есцепление. Дядо, който седи на каруцата, я притиска с някаква сила. Нека го обозначим Еналягане Количката се движи по посока на силата на теглене на коня (надясно), но по посока на силата на натиск на дядото (надолу), количката не се движи. Следователно във физиката се казва така Есцеплението работи върху количката и Еналягането не върши работа на количката.

Така, работа, извършена от сила върху тяло механична работа- физическо количество, чийто модул е равен на произведението на силата и пътя, изминат от тялото по посоката на действие на тази силас:

В чест на английския учен Д. Джаул е наречена единицата за механична работа 1 джаул(според формулата 1 J = 1 N m).

Ако върху разглежданото тяло действа определена сила, то върху него действа определено тяло. Ето защо работата на силата върху тялото и работата на тялото върху тялото са пълни синоними.Работата на първото тяло върху второто и работата на второто тяло върху първото обаче са частични синоними, тъй като модулите на тези работи винаги са равни и знаците им винаги са противоположни. Ето защо знакът "±" присъства във формулата. Нека обсъдим признаците на работа по-подробно.

Числените стойности на силата и пътя винаги са неотрицателни стойности. Обратно, механичната работа може да има както положителни, така и отрицателни знаци. Ако посоката на силата съвпада с посоката на движение на тялото, то работата, извършена от силата, се счита за положителна.Ако посоката на силата е противоположна на посоката на движение на тялото, работата, извършена от силата, се счита за отрицателна.(взимаме "-" от формулата "±"). Ако посоката на движение на тялото е перпендикулярна на посоката на силата, то такава сила не върши работа, тоест A = 0.

Разгледайте три илюстрации за три аспекта на механичната работа.

Извършването на работа със сила може да изглежда различно от гледна точка на различни наблюдатели.Помислете за пример: момиче се вози в асансьор нагоре. Извършва ли механична работа? Едно момиче може да работи само върху онези тела, върху които действа насила. Има само едно такова тяло - кабината на асансьора, тъй като момичето притиска пода с тежестта си. Сега трябва да разберем дали кабината върви по някакъв начин. Разгледайте два варианта: с неподвижен и движещ се наблюдател.

Нека първо момчето наблюдател седне на земята. Спрямо него кабината на асансьора се движи нагоре и изминава някакъв път. Теглото на момичето е насочено в обратна посока - надолу, следователно момичето извършва отрицателна механична работа върху кабината: Адевици< 0. Вообразим, что мальчик-наблюдатель пересел внутрь кабины движущегося лифта. Как и ранее, вес девочки действует на пол кабины. Но теперь по отношению к такому наблюдателю кабина лифта не движется. Поэтому с точки зрения наблюдателя в кабине лифта девочка не совершает механическую работу: А dev = 0.

Преди да разкрием темата „Как се измерва работата“, е необходимо да направим малко отклонение. Всичко в този свят се подчинява на законите на физиката. Всеки процес или явление може да се обясни въз основа на определени закони на физиката. За всяко измеримо количество има единица, в която е обичайно да се измерва. Мерните единици са фиксирани и имат едно и също значение в целия свят.

Jpg?.jpg 600w

Система от международни единици

Причината за това е следната. През 1960 г. на единадесетата генерална конференция по мерки и теглилки е приета система от измервания, която е призната в целия свят. Тази система е наречена Le Systeme International d'Unités, SI (SI System International). Тази система се превърна в основа за дефинициите на мерните единици, приети в целия свят, и тяхното съотношение.

Физически термини и терминология

Във физиката единицата за измерване на работата на силата се нарича J (Джоул) в чест на английския физик Джеймс Джаул, който има голям принос за развитието на раздела на термодинамиката във физиката. Един джаул е равен на работата, извършена от сила от един N (нютон), когато нейното приложение се премести с един M (метър) в посоката на силата. Един N (нютон) е равен на сила с маса от един kg (килограм) при ускорение от един m/s2 (метър в секунда) в посоката на силата.

Jpg?.jpg 600w

Формулата за намиране на работа

Забележка.Във физиката всичко е взаимосвързано, изпълнението на всяка работа е свързано с извършването на допълнителни действия. Пример е битов вентилатор. Когато вентилаторът е включен, лопатките на вентилатора започват да се въртят. Въртящите се остриета действат върху въздушния поток, придавайки му насочено движение. Това е резултат от работа. Но за извършване на работата е необходимо влиянието на други външни сили, без които извършването на действието е невъзможно. Те включват силата на електрическия ток, мощността, напрежението и много други взаимосвързани стойности.

Електрическият ток по своята същност е подредено движение на електрони в проводник за единица време. Електрическият ток се основава на положително или отрицателно заредени частици. Те се наричат електрически заряди. Означава се с буквите C, q, Kl (Висулка), кръстен на френския учен и изобретател Шарл Кулон. В системата SI това е мерна единица за броя на заредените електрони. 1 C е равен на обема на заредените частици, преминаващи през напречното сечение на проводника за единица време. Единицата за време е една секунда. Формулата за електрически заряд е показана по-долу на фигурата.

Jpg?.jpg 600w

Формулата за намиране на електрически заряд

Силата на електрическия ток се обозначава с буквата А (ампер). Ампер е единица във физиката, която характеризира измерването на работата на сила, която се изразходва за преместване на заряди по протежение на проводник. По своята същност електрическият ток е подредено движение на електрони в проводник под въздействието на електромагнитно поле. Под проводник се разбира материал или разтопена сол (електролит), който има малко съпротивление срещу преминаването на електрони. Две физически величини влияят на силата на електрическия ток: напрежение и съпротивление. Те ще бъдат обсъдени по-долу. Токът винаги е право пропорционален на напрежението и обратно пропорционален на съпротивлението.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/risunok-4-768x552..jpg 800w

Формулата за намиране на силата на тока

Както бе споменато по-горе, електрическият ток е подреденото движение на електрони в проводник. Но има едно предупреждение: за тяхното движение е необходимо определено въздействие. Този ефект се създава чрез създаване на потенциална разлика. Електрическият заряд може да бъде положителен или отрицателен. Положителните заряди винаги клонят към отрицателни заряди. Това е необходимо за баланса на системата. Разликата между броя на положително и отрицателно заредените частици се нарича електрическо напрежение.

Gif?.gif 600w

Формулата за намиране на напрежение

Мощността е количеството енергия, изразходвано за извършване на работа от един J (джаул) за период от време от една секунда. Мерната единица във физиката се означава като W (Watt), в системата SI W (Watt). Тъй като се разглежда електрическата мощност, тук това е стойността на електрическата енергия, изразходвана за извършване на определено действие за определен период от време.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/risunok-6-120x74..jpg 750w

Формулата за намиране на електрическа мощност

В заключение трябва да се отбележи, че единицата за измерване на работата е скаларно количество, има връзка с всички раздели на физиката и може да се разглежда от страна не само на електродинамиката или топлотехниката, но и на други раздели. Статията разглежда накратко стойността, която характеризира единицата за измерване на работата на силата.

Видео

Знаете ли какво е работа? Без никакво съмнение. Какво е работа, знае всеки човек, при условие че е роден и живее на планетата Земя. Какво е механична работа?

Тази концепция също е известна на повечето хора на планетата, въпреки че някои хора имат доста неясна представа за този процес. Но сега не става въпрос за тях. Още по-малко хора имат представа какво механична работа от гледна точка на физиката.Във физиката механичната работа не е работата на човек за храна, това е физическо количество, което може да бъде напълно несвързано нито с човек, нито с друго живо същество. Как така? Сега нека го разберем.

Механична работа във физиката

Нека дадем два примера. В първия пример водите на реката, сблъсквайки се с бездната, шумно падат надолу под формата на водопад. Вторият пример е човек, който държи тежък предмет на протегнати ръце, например, пази счупен покрив над верандата на селска къща от падане, докато жена му и децата му трескаво търсят нещо, което да го подпре. Кога се извършва механична работа?

Определение за механична работа

Почти всеки, без колебание, ще отговори: във втория. И ще грешат. Случаят е точно обратният. Във физиката се описва механичната работа следните определения:механичната работа се извършва, когато върху тялото действа сила и то се движи. Механичната работа е право пропорционална на приложената сила и изминатото разстояние.

Формула за механична работа

Механичната работа се определя по формулата:

където А е работа,
F - сила,
s - изминатото разстояние.

И така, въпреки целия героизъм на уморения собственик на покрива, извършената от него работа е равна на нула, но водата, падаща под въздействието на гравитацията от висока скала, върши най-механичната работа. Тоест, ако бутаме тежък шкаф неуспешно, тогава работата, която сме свършили от гледна точка на физиката, ще бъде равна на нула, въпреки факта, че прилагаме много сила. Но ако преместим шкафа на определено разстояние, тогава ще извършим работа, равна на произведението на приложената сила по разстоянието, на което сме преместили тялото.

Единицата за работа е 1 J. Това е работата, извършена от сила от 1 нютон, за да премести тяло на разстояние 1 м. Ако посоката на приложената сила съвпада с посоката на движение на тялото, тогава тази сила прави положителна работа. Пример е когато бутнем тяло и то се движи. И в случай, че силата се прилага в посока, обратна на движението на тялото, например сила на триене, тогава тази сила извършва отрицателна работа. Ако приложената сила не влияе по никакъв начин на движението на тялото, тогава силата, произведена от тази работа, е равна на нула.

III. Задачи за самостоятелна работа по изучаваната тема.

Работата на всички сили, действащи върху частицата, отива към нарастването на кинетичната енергия на частицата:

А 12 = T 2 - T 1

При наличието на гравитационно поле (или по принцип всяко потенциално поле) газовите молекули се въздействат от гравитацията. В резултат на това концентрацията на газовите молекули се оказва зависима от височината в съответствие със закона Болцманови разпределения:

н = н 0 опит (- mgh / kT)

където н- концентрация на молекули на височина ч, н 0 - концентрация на молекули на първоначалното ниво ч= 0, ме масата на частиците, ж- ускорение на гравитацията, ке константата на Болцман, T- температура.

Във физиката консервативни сили(потенциални сили) - сили, чиято работа не зависи от формата на траекторията (зависи само от началната и крайната точка на прилагане на силите). Това предполага следното определение: консервативните сили са онези сили, чиято работа по всяка затворена траектория е равна на 0.

Потенциална енергия- работата, която трябва да се извърши, за да се премести тялото от определена референтна точка до дадена точка в полето на консервативните сили.

Потенциалната енергия се измерва от определена точка в пространството, чийто избор се определя от удобството на по-нататъшните изчисления. Процесът на избор на дадена точка се нарича нормализиране на потенциалната енергия. Също така е ясно, че правилното определение на потенциалната енергия може да се даде само в полето на силите, чиято работа зависи само от началното и крайното положение на телата, но не и от пътя на тяхното движение. Такива сили се наричат консервативни.

Например, потенциалната енергия на тяло близо до повърхността на Земята се изчислява по формулата , където м- телесна маса, g - стойност на ускорението на свободното падане, ч- височина, повърхността на Земята се приема за нула.

степен на свобода - минималният брой променливи, които описват движението на молекула в пространството.

Теорема:

Ако системата от молекули е в равновесие при температура T, тогава Wk от движението на молекулите ще бъде разпределено равномерно по степените на свобода, като всяка st. свободата има енергия 1\2kT.

Топлинно движение- процес на хаотично (произволно) движение на частици, които образуват вещество. Най-често се разглежда топлинното движение на атомите и молекулите.

Закон за запазване на механичната енергия- механичната енергия на една консервативна механична система се запазва във времето. Просто казано, при липса на дисипативни сили (например сили на триене), механичната енергия не възниква от нищото и не може да изчезне никъде.

Сили на триене при плъзгане- сили, които възникват между допиращите се тела по време на тяхното относително движение. Ако между телата няма течен или газообразен слой (смазка), тогава се нарича такова триене суха. В противен случай триенето се нарича "течно". Характерна отличителна черта на сухото триене е наличието на статично триене.

Разпределение на Максуеле вероятностно разпределение, срещано във физиката и химията. Той е в основата на кинетичната теория на газовете, която обяснява много от основните свойства на газовете, включително налягане и дифузия. Разпределението на Максуел е приложимо и за електронни транспортни процеси и други явления. Разпределението на Максуел се прилага за различни свойства на отделните молекули в газ. Обикновено се смята за енергийно разпределение на молекулите в газ, но може да се приложи и към разпределението на скоростите, моментите и модула на импулса на молекулите. Може също да се изрази като дискретно разпределение върху набор от дискретни енергийни нива или като непрекъснато разпределение върху някакъв енергиен континуум.

Закон за запазване на енергията- основният закон на природата, който се състои в това, че енергията на изолирана (затворена) система се запазва във времето. С други думи, енергията не може да възникне от нищото и не може да изчезне в нищото, тя може само да преминава от една форма в друга. Законът за запазване на енергията се намира в различни клонове на физиката и се проявява в запазването на различни видове енергия. Например в класическата механика законът се проявява в]] законът за запазване на енергията се нарича първи закон на термодинамиката и казва

Вероятност

Статистическата функция на разпределение (функция на разпределение в статистическата физика) е едно от основните понятия на статистическата физика. Познаването на функцията на разпределение напълно определя вероятностните свойства на разглежданата система.

Механичното състояние на всяка система се определя еднозначно от координатите ции импулси пинеговите частици ( i=1,2,…, d; де броят на степените на свобода на системата). Наборът от количества и образуват фазовото пространство. Вероятността системата да е в елемент от фазовото пространство (с точка р, стрвътре) се дава по формулата:

Функцията се нарича пълна статистическа функция на разпределение (или просто функция на разпределение). Всъщност това е плътност на представяне на точки във фазовото пространство.

Дисперсия на случайна променлива- мярка за разпространението на дадена случайна величина, т.е. нейното отклонение от математическото очакване. Означено д[х] в руската литература и (англ. дисперсия) в чужди страни. В статистиката често се използва обозначението или. Корен квадратен от дисперсията се нарича стандартно отклонение, стандартно отклонение или стандартен спред.

Нека е случайна променлива, дефинирана в някакво вероятностно пространство. Тогава

където символ Мозначава математическо очакване.

В класическата механика, хармоничен осцилатор- система, която при изместване от равновесно положение изпитва действието на възстановяваща сила Е, пропорционална на преместването х(според закона на Хук):

където ке положителна константа, описваща твърдостта на системата.

Ако Е- единствената сила, действаща върху системата, тогава системата се нарича простоили консервативен хармоничен осцилатор. Свободните трептения на такава система представляват периодично движение около равновесното положение (хармонични трептения). Честотата и амплитудата са постоянни и честотата не зависи от амплитудата.

Ако има и сила на триене (затихване), пропорционална на скоростта на движение (вискозно триене), тогава такава система се нарича затихванеили дисипативен осцилатор. Ако триенето не е твърде голямо, тогава системата извършва почти периодично движение - синусоидални трептения с постоянна честота и експоненциално намаляваща амплитуда. Честотата на свободните трептения на затихнал осцилатор се оказва малко по-ниска от тази на подобен осцилатор без триене.

Ако осцилаторът е оставен на себе си, тогава се казва, че той извършва свободни трептения. Ако има външна сила (в зависимост от времето), тогава казваме, че осцилаторът изпитва принудени трептения.

Случайно събитие- подгрупа от резултати случаен експеримент; когато случаен експеримент се повтаря много пъти, честотата на възникване на дадено събитие служи като оценка на неговата вероятност.

Случайно събитие, което никога не се реализира в резултат на случаен експеримент, се нарича невъзможно и се обозначава със символа . Случайно събитие, което винаги се реализира в резултат на случаен експеримент, се нарича надеждно и се обозначава със символа Ω.

Вероятност(вероятностна мярка) - мярка за надеждността на случайно събитие. Оценка на вероятността от дадено събитие може да бъде честотата на неговото появяване в дълга поредица от независими повторения на случаен експеримент. Според дефиницията на П. Лаплас мярката за вероятност е дроб, чийто числител е броят на всички благоприятни случаи, а знаменателят е броят на всички възможни случаи.