ویژگی کار مکانیکی چیست؟ تعریف کار مکانیکی

در تجربه روزمره ما، کلمه "کار" اغلب ظاهر می شود. اما باید بین کار فیزیولوژیکی و کار از نظر علم فیزیک تمایز قائل شد. وقتی از کلاس به خانه می آیید، می گویید: "اوه، من خیلی خسته هستم!" این کار فیزیولوژیکی است. یا مثلاً کار تیم در داستان عامیانه "شلغم".

شکل 1. کار به معنای روزمره کلمه

ما در اینجا در مورد کار از دیدگاه فیزیک صحبت خواهیم کرد.

اگر جسمی تحت تأثیر نیرو حرکت کند، کار مکانیکی انجام می شود. کار با حرف لاتین A مشخص می‌شود. تعریف دقیق‌تر کار به این شکل است.

کار یک نیرو کمیت فیزیکی است برابر حاصل ضرب بزرگی نیرو و مسافت طی شده توسط جسم در جهت نیرو.

شکل 2. کار یک کمیت فیزیکی است

این فرمول زمانی معتبر است که نیروی ثابتی بر جسم وارد شود.

در سیستم بین المللی واحدهای SI، کار با ژول اندازه گیری می شود.

به این معنی که اگر تحت تأثیر نیروی 1 نیوتن جسمی 1 متر حرکت کند، 1 ژول کار توسط این نیرو انجام می شود.

واحد کار به نام دانشمند انگلیسی جیمز پرسکات ژول نامگذاری شده است.

شکل 3. جیمز پرسکات ژول (1818 - 1889)

از فرمول محاسبه کار بر می آید که سه حالت ممکن است که کار برابر با صفر باشد.

حالت اول زمانی است که بر جسمی نیرو وارد می شود اما جسم حرکت نمی کند. به عنوان مثال، یک خانه در معرض نیروی عظیم گرانش است. اما او هیچ کاری انجام نمی دهد زیرا خانه بی حرکت است.

حالت دوم زمانی است که جسم با اینرسی حرکت می کند، یعنی هیچ نیرویی به آن وارد نمی شود. به عنوان مثال، یک سفینه فضایی در فضای بین کهکشانی در حال حرکت است.

حالت سوم زمانی است که نیرویی عمود بر جهت حرکت جسم بر جسم وارد می شود. در این حالت اگرچه جسم حرکت می کند و نیرویی بر آن وارد می شود، اما حرکتی از بدن صورت نمی گیرد در جهت نیرو.

شکل 4. سه مورد که کار صفر است

همچنین باید گفت که کار انجام شده توسط یک نیرو می تواند منفی باشد. اگر بدن حرکت کند این اتفاق می افتد برخلاف جهت نیرو. به عنوان مثال، هنگامی که جرثقیل باری را با استفاده از کابل از سطح زمین بلند می کند، کار انجام شده توسط نیروی گرانش منفی است (و برعکس، کار انجام شده توسط نیروی کشسانی کابل که به سمت بالا هدایت می شود مثبت است).

بیایید فرض کنیم که هنگام انجام کارهای ساختمانی، گودال باید با ماسه پر شود. چند دقیقه طول می کشد تا یک بیل مکانیکی این کار را انجام دهد، اما یک کارگر با بیل باید چندین ساعت کار کند. اما هم بیل مکانیکی و هم کارگر تمام می کردند همان شغل.

شکل 5. یک کار را می توان در زمان های مختلف تکمیل کرد

برای مشخص کردن سرعت کار انجام شده در فیزیک، از کمیتی به نام توان استفاده می شود.

قدرت یک کمیت فیزیکی است که برابر با نسبت کار به زمان انجام آن است.

قدرت با یک حرف لاتین نشان داده می شود ن.

واحد SI قدرت وات است.

یک وات توانی است که یک ژول کار در یک ثانیه انجام می شود.

این نیروگاه به افتخار دانشمند انگلیسی، مخترع موتور بخار، جیمز وات نامگذاری شده است.

شکل 6. جیمز وات (1736 - 1819)

بیایید فرمول محاسبه کار را با فرمول محاسبه توان ترکیب کنیم.

اکنون به یاد بیاوریم که نسبت مسیر طی شده توسط بدن برابر است اس، در زمان حرکت تینشان دهنده سرعت حرکت بدن است v.

بدین ترتیب، توان برابر است با حاصل ضرب مقدار عددی نیرو و سرعت جسم در جهت نیرو.

استفاده از این فرمول هنگام حل مسائلی که در آنها نیرویی بر جسمی که با سرعت مشخصی حرکت می کند، وارد می شود، راحت است.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. لوکاشیک V.I.، Ivanova E.V. مجموعه مسائل فیزیک پایه های 7-9 موسسات آموزش عمومی. - ویرایش هفدهم - م.: آموزش و پرورش، 1383.
2. پریشکین A.V. فیزیک. درجه 7 ام - ویرایش چهاردهم، کلیشه. - M.: Bustard، 2010.
3. پریشکین A.V. مجموعه مسائل فیزیک، پایه های 7-9: ویرایش پنجم، کلیشه. - م: انتشارات امتحان، 1389.

1. پورتال اینترنتی Physics.ru ().
2. پورتال اینترنتی Festival.1september.ru ().
3. پورتال اینترنتی Fizportal.ru ().
4. پورتال اینترنتی Elkin52.narod.ru ().

مشق شب

1. در چه مواردی کار برابر با صفر است؟
2. کار در طول مسیر طی شده در جهت نیرو چگونه انجام می شود؟ در جهت مخالف؟
3. وقتی آجر 0.4 متر حرکت می کند چه مقدار کار توسط نیروی اصطکاک وارده بر آجر انجام می شود؟ نیروی اصطکاک 5 نیوتن است.

هر بدنی که حرکتی انجام می دهد را می توان با کار مشخص کرد. به عبارت دیگر، عمل نیروها را مشخص می کند.

کار به این صورت تعریف می شود:
حاصل ضرب مدول نیرو و مسیر طی شده توسط جسم، ضرب در کسینوس زاویه بین جهت نیرو و حرکت.

کار با ژول اندازه گیری می شود:
1 [J] = = [kg* m2/s2]

برای مثال جسم A تحت تاثیر نیروی 5 نیوتن مسافت 10 متر را طی کرد.کار انجام شده توسط جسم را مشخص کنید.

از آنجایی که جهت حرکت و عمل نیرو منطبق است، زاویه بین بردار نیرو و بردار جابجایی برابر با 0 درجه خواهد بود. این فرمول ساده می شود زیرا کسینوس زاویه 0 درجه برابر با 1 است.

با جایگزینی پارامترهای اولیه در فرمول، متوجه می شویم:
A = 15 J.

بیایید مثال دیگری را در نظر بگیریم: جسمی با وزن 2 کیلوگرم که با شتاب 6 متر بر ثانیه حرکت می کند، 10 متر را طی کرده است. اگر بدن در امتداد صفحه شیبدار با زاویه 60 درجه به سمت بالا حرکت کرد، کار انجام شده توسط بدن را مشخص کنید.

برای شروع، بیایید محاسبه کنیم که برای ایجاد شتاب 6 متر بر ثانیه به بدن چه مقدار نیروی لازم است.

F = 2 کیلوگرم * 6 m/s2 = 12 H.
تحت تأثیر نیروی 12N، بدن 10 متر حرکت کرد. کار را می توان با استفاده از فرمول از قبل شناخته شده محاسبه کرد:

جایی که a برابر 30 درجه است. با جایگزینی داده های اولیه به فرمول، دریافت می کنیم:
A = 103.2 J.

قدرت

بسیاری از ماشین‌ها و مکانیزم‌ها کار یکسانی را در بازه‌های زمانی مختلف انجام می‌دهند. برای مقایسه آنها مفهوم قدرت معرفی شده است.
توان کمیتی است که میزان کار انجام شده در واحد زمان را نشان می دهد.

قدرت به افتخار مهندس اسکاتلندی جیمز وات بر حسب وات اندازه گیری می شود.
1 [وات] = 1 [J/s].

به عنوان مثال، یک جرثقیل بزرگ باری به وزن 10 تن را در عرض 1 دقیقه به ارتفاع 30 متر برد. یک جرثقیل کوچک 2 تن آجر را در یک دقیقه به همان ارتفاع بلند کرد. مقایسه ظرفیت جرثقیل
بیایید کار انجام شده توسط جرثقیل ها را تعریف کنیم. بار 30 متر بالا می رود، در حالی که بر نیروی گرانش غلبه می کند، بنابراین نیرویی که برای بلند کردن بار صرف می شود برابر با نیروی برهمکنش بین زمین و بار خواهد بود (F = m * g). و کار حاصل ضرب نیروهای مسافت طی شده توسط بارها یعنی ارتفاع است.

برای یک جرثقیل بزرگ A1 = 10000 کیلوگرم * 30 متر * 10 متر بر ثانیه = 3000000 ژول و برای جرثقیل کوچک A2 = 2000 کیلوگرم * 30 متر * 10 متر بر ثانیه = 600000 ژول.
توان را می توان با تقسیم کار بر زمان محاسبه کرد. هر دو جرثقیل بار را در 1 دقیقه (60 ثانیه) بلند کردند.

از اینجا:
N1 = 3,000,000 J/60 s = 50,000 W = 50 kW.
N2 = 600000 J/ 60 s = 10000 W = 10 kW.
از داده های فوق به وضوح مشاهده می شود که جرثقیل اول 5 برابر قدرتمندتر از دومی است.

وقتی بدن ها با هم تعامل دارند نبضیک بدن می تواند به طور جزئی یا کامل به بدن دیگری منتقل شود. اگر نیروهای خارجی اجسام دیگر بر سیستم اجسام وارد عمل نشوند، چنین سیستمی نامیده می شود بسته.

این قانون اساسی طبیعت نامیده می شود قانون بقای تکانهنتیجه دوم و سوم است قوانین نیوتن

اجازه دهید هر دو جسم متقابل را که بخشی از یک سیستم بسته هستند در نظر بگیریم. نیروهای برهمکنش بین این اجسام را با و طبق قانون سوم نیوتن نشان می‌دهیم اگر این اجسام در طول زمان t برهمکنش داشته باشند، تکانه‌های نیروهای برهمکنش از نظر بزرگی برابر هستند و در جهت مخالف هستند: اجازه دهید قانون دوم نیوتن را برای این اجسام اعمال کنیم. :

که در آن و تکانه های اجسام در لحظه اولیه زمان هستند، و تکانه های اجسام در پایان تعامل هستند. از این روابط چنین می شود:

این برابری به این معنی است که در نتیجه تعامل دو جسم، حرکت کل آنها تغییر نکرده است. حال با در نظر گرفتن تمام برهمکنش‌های جفت ممکن اجسام موجود در یک سیستم بسته، می‌توان نتیجه گرفت که نیروهای داخلی یک سیستم بسته نمی‌توانند تکانه کل آن را تغییر دهند، یعنی مجموع بردار حرکت تمام اجسام موجود در این سیستم را تغییر دهند.

کار مکانیکی و قدرت

ویژگی های انرژی حرکت بر اساس مفهوم معرفی شده است کارهای مکانیکییا کار زور

کار A توسط یک نیروی ثابت انجام می شودیک کمیت فیزیکی برابر با حاصل ضرب مدول نیرو و جابجایی در کسینوس زاویه α بین بردارهای نیرو است. و حرکات(شکل 1.1.9):

کار یک کمیت اسکالر است. می تواند مثبت باشد (0° ≤ α< 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в ژول (J).

ژول برابر است با کاری که نیروی 1 نیوتن برای حرکت 1 متر در جهت نیرو انجام می دهد.

اگر پیش بینی نیرو در جهت حرکت ثابت نمی ماند، باید کار را برای حرکات کوچک محاسبه کرد و نتایج را جمع کرد:

نمونه ای از نیرویی که مدول آن به مختصات بستگی دارد نیروی کشسان فنر است که اطاعت می کند قانون هوک. برای کشش فنر باید نیروی خارجی به آن وارد شود که مدول آن متناسب با کشیدگی فنر است (شکل 1.1.11).

وابستگی مدول نیروی خارجی به مختصات x بر روی نمودار به صورت یک خط مستقیم نشان داده شده است (شکل 1.1.12).

بر اساس مساحت مثلث در شکل. 1.18.4 می توانید کار انجام شده توسط نیروی خارجی اعمال شده به انتهای آزاد سمت راست فنر را تعیین کنید:

همین فرمول کار انجام شده توسط یک نیروی خارجی را هنگام فشرده سازی فنر بیان می کند. در هر دو مورد، کار نیروی کشسان از نظر بزرگی برابر با کار نیروی خارجی و مخالف علامت است.

اگر چند نیرو به یک جسم وارد شود، مجموع کار همه نیروها برابر است با مجموع جبری کار انجام شده توسط نیروهای منفرد و برابر با کار است. حاصل نیروهای اعمال شده

کار انجام شده توسط یک نیرو در واحد زمان نامیده می شود قدرت. توان N یک کمیت فیزیکی برابر با نسبت کار A به دوره زمانی t است که در طی آن این کار انجام شده است.

قبل از افشای موضوع "چگونه کار اندازه گیری می شود"، لازم است یک انحراف کوچک انجام دهید. همه چیز در این دنیا از قوانین فیزیک پیروی می کند. هر فرآیند یا پدیده ای را می توان بر اساس قوانین خاصی از فیزیک توضیح داد. برای هر کمیت اندازه گیری شده یک واحد وجود دارد که معمولاً در آن اندازه گیری می شود. واحدهای اندازه گیری ثابت هستند و در سراسر جهان معنی یکسانی دارند.

دلیل این امر به شرح زیر است. در سال نوزده و شصت، در یازدهمین کنفرانس عمومی اوزان و اندازه‌ها، یک سیستم اندازه‌گیری به تصویب رسید که در سراسر جهان شناخته شده است. این سیستم Le Système International d’Unités, SI (SI System International) نام گرفت. این سیستم مبنایی برای تعیین واحدهای اندازه گیری پذیرفته شده در سراسر جهان و روابط آنها شده است.

اصطلاحات و اصطلاحات فیزیکی

در فیزیک، به افتخار فیزیکدان انگلیسی، جیمز ژول، که سهم بزرگی در توسعه شاخه ترمودینامیک در فیزیک داشت، واحد اندازه گیری کار نیرو را J (ژول) می نامند. یک ژول برابر است با کاری که توسط نیروی یک N (نیوتن) انجام می شود که اعمال آن یک M (متر) در جهت نیرو حرکت کند. یک N (نیوتن) برابر نیروی یک کیلوگرم (کیلوگرم) جرم با شتاب یک متر بر ثانیه (متر بر ثانیه) در جهت نیرو است.

جهت اطلاع شمادر فیزیک، همه چیز به هم مرتبط است؛ انجام هر کاری مستلزم انجام اقدامات اضافی است. به عنوان مثال، می توانیم یک پنکه خانگی را در نظر بگیریم. هنگامی که فن به برق وصل می شود، پره های فن شروع به چرخش می کنند. تیغه های دوار بر جریان هوا تأثیر می گذارند و به آن حرکت جهت می دهند. این نتیجه کار است. اما برای انجام کار، تأثیر نیروهای خارجی دیگر لازم است که بدون آنها عمل غیر ممکن است. اینها شامل جریان الکتریکی، توان، ولتاژ و بسیاری دیگر از مقادیر مرتبط هستند.

جریان الکتریکی، در هسته آن، حرکت منظم الکترون ها در یک هادی در واحد زمان است. جریان الکتریکی مبتنی بر ذرات باردار مثبت یا منفی است. به آنها بارهای الکتریکی می گویند. با حروف C، q، Kl (Coulomb) نشان داده می شود، که به نام دانشمند و مخترع فرانسوی شارل کولن نامگذاری شده است. در سیستم SI، واحد اندازه گیری تعداد الکترون های باردار است. 1 C برابر است با حجم ذرات باردار که در واحد زمان از سطح مقطع یک هادی عبور می کنند. واحد زمان یک ثانیه است. فرمول بار الکتریکی در شکل زیر نشان داده شده است.

قدرت جریان الکتریکی با حرف A (آمپر) نشان داده می شود. آمپر واحدی در فیزیک است که اندازه‌گیری نیرویی را که برای حرکت بارها در امتداد یک رسانا صرف می‌شود، مشخص می‌کند. جریان الکتریکی در هسته آن حرکت منظم الکترون ها در یک رسانا تحت تأثیر میدان الکترومغناطیسی است. رسانا ماده یا نمک مذاب (الکترولیت) است که مقاومت کمی در برابر عبور الکترون ها دارد. قدرت جریان الکتریکی تحت تأثیر دو کمیت فیزیکی است: ولتاژ و مقاومت. آنها در زیر مورد بحث قرار خواهند گرفت. قدرت جریان همیشه با ولتاژ نسبت مستقیم و با مقاومت نسبت معکوس دارد.

همانطور که در بالا ذکر شد، جریان الکتریکی حرکت منظم الکترون ها در یک رسانا است. اما یک اخطار وجود دارد: آنها برای حرکت به تأثیر خاصی نیاز دارند. این اثر با ایجاد اختلاف پتانسیل ایجاد می شود. بار الکتریکی می تواند مثبت یا منفی باشد. بارهای مثبت همیشه به سمت بارهای منفی گرایش دارند. این برای تعادل سیستم ضروری است. تفاوت بین تعداد ذرات باردار مثبت و منفی را ولتاژ الکتریکی می گویند.

توان مقدار انرژی است که برای انجام یک J (ژول) کار در بازه زمانی یک ثانیه صرف می شود. واحد اندازه گیری در فیزیک به عنوان W (Watt) در سیستم SI W (Watt) تعیین می شود. از آنجایی که توان الکتریکی در نظر گرفته می شود، در اینجا مقدار انرژی الکتریکی صرف شده برای انجام یک عمل معین در یک دوره زمانی مشخص است.

ویژگی های انرژی حرکت بر اساس مفهوم کار مکانیکی یا کار نیرو معرفی می شوند.

تعریف 1

کار A انجام شده توسط نیروی ثابت F ← یک کمیت فیزیکی برابر با حاصل ضرب واحدهای نیرو و جابجایی در کسینوس زاویه است. α ، بین بردارهای نیرو F → و جابجایی s → قرار دارد.

این تعریف در شکل 1 مورد بحث قرار گرفته است. 18 . 1 .

فرمول کار به صورت زیر نوشته می شود

A = F s cos α .

کار یک کمیت اسکالر است. این امکان مثبت بودن در (0° ≤ α را فراهم می کند< 90 °) , отрицательной при (90 ° < α ≤ 180 °) . Когда задается прямой угол α , тогда совершаемая сила равняется нулю. Единицы измерения работы по системе СИ - джоули (Д ж) .

ژول برابر است با کاری که نیروی 1 نیوتن برای حرکت 1 متر در جهت نیرو انجام می دهد.

تصویر 1. 18 . 1 . کار نیروی F →: A = F s cos α = F s s

هنگامی که F s → نیروی F → بر روی جهت حرکت s → نیرو ثابت نمی ماند و محاسبه کار برای حرکات کوچک Δ s i بر اساس فرمول خلاصه و تولید می شود:

A = ∑ ∆ A i = ∑ F s i ∆ s i .

این مقدار کار از حد (Δ s i → 0) محاسبه می شود و سپس وارد انتگرال می شود.

نمایش گرافیکی کار از ناحیه شکل منحنی واقع در زیر نمودار F s (x) در شکل 1 تعیین می شود. 18 . 2.

تصویر 1. 18 . 2. تعریف گرافیکی کار Δ A i = F s i Δ s i .

نمونه ای از نیرویی که به مختصات بستگی دارد نیروی کشسان فنر است که از قانون هوک پیروی می کند. برای کشش فنر باید نیروی F → اعمال کرد که مدول آن متناسب با کشیدگی فنر است. این را می توان در شکل 1 مشاهده کرد. 18 . 3.

تصویر 1. 18 . 3. فنر کشیده. جهت نیروی خارجی F → منطبق بر جهت حرکت s → است. F s = k x، جایی که k نشان دهنده سفتی فنر است.

F → y p = - F →

وابستگی مدول نیروی خارجی به مختصات x را می توان با استفاده از یک خط مستقیم رسم کرد.

تصویر 1. 18 . 4 . وابستگی مدول نیروی خارجی به مختصات زمانی که فنر کشیده می شود.

از شکل بالا می توان کار انجام شده بر روی نیروی خارجی انتهای آزاد سمت راست فنر را با استفاده از مساحت مثلث پیدا کرد. فرمول شکل خواهد گرفت

این فرمول برای بیان کار انجام شده توسط یک نیروی خارجی در هنگام فشرده سازی فنر قابل استفاده است. هر دو حالت نشان می‌دهند که نیروی الاستیک F → y p برابر است با نیروی خارجی F → اما با علامت مخالف.

تعریف 2

اگر چندین نیرو روی جسمی وارد شوند، فرمول کل کار شبیه مجموع تمام کارهای انجام شده بر روی آن خواهد بود. وقتی جسمی به صورت انتقالی حرکت می کند، نقاط اعمال نیروها به طور مساوی حرکت می کنند، یعنی کل کار همه نیروها برابر با کار برآیند نیروهای وارده خواهد بود.

تصویر 1. 18 . 5 . مدل کار مکانیکی.

تعیین قدرت

تعریف 3

قدرتبه کار انجام شده توسط یک نیرو در واحد زمان گفته می شود.

ثبت مقدار فیزیکی توان که N نشان داده می شود، به شکل نسبت کار A به دوره زمانی t کار انجام شده است، یعنی:

تعریف 4

سیستم SI از وات (W t) به عنوان یک واحد توان استفاده می کند که برابر با توان نیرویی است که 1 ژول کار را در 1 ثانیه انجام می دهد.

در صورت مشاهده خطایی در متن، لطفاً آن را برجسته کرده و Ctrl+Enter را فشار دهید