Qu'est-ce qui caractérise le travail mécanique ? Définition du travail mécanique

Dans notre quotidien, le mot « travail » apparaît très souvent. Mais il faut distinguer le travail physiologique du travail du point de vue de la science physique. Quand vous rentrez des cours, vous dites : « Oh, je suis tellement fatiguée ! » C'est un travail physiologique. Ou, par exemple, le travail de l'équipe dans le conte populaire « Navet ».

Figure 1. Travailler au sens quotidien du terme

Nous parlerons ici du travail du point de vue de la physique.

Un travail mécanique est effectué lorsqu'un corps se déplace sous l'influence d'une force. Le travail est désigné par la lettre latine A. Une définition plus stricte du travail ressemble à ceci.

Le travail d’une force est une grandeur physique égale au produit de la grandeur de la force et de la distance parcourue par le corps dans la direction de la force.

Figure 2. Le travail est une quantité physique

La formule est valable lorsqu'une force constante agit sur le corps.

Dans le système international d'unités SI, le travail est mesuré en joules.

Cela signifie que si sous l'influence d'une force de 1 newton un corps se déplace de 1 mètre, alors 1 joule de travail est effectué par cette force.

L'unité de travail porte le nom du scientifique anglais James Prescott Joule.

Figure 3. James Prescott Joule (1818 - 1889)

De la formule de calcul du travail, il résulte qu'il existe trois cas possibles où le travail est égal à zéro.

Le premier cas est celui où une force agit sur un corps, mais celui-ci ne bouge pas. Par exemple, une maison est soumise à une énorme force de gravité. Mais elle ne fait aucun travail car la maison est immobile.

Le deuxième cas est celui où le corps se déplace par inertie, c'est-à-dire qu'aucune force n'agit sur lui. Par exemple, un vaisseau spatial se déplace dans l’espace intergalactique.

Le troisième cas est celui où une force agit sur le corps perpendiculairement à la direction de mouvement du corps. Dans ce cas, bien que le corps bouge et qu’une force agisse sur lui, il n’y a pas de mouvement du corps. dans la direction de la force.

Figure 4. Trois cas où le travail est nul

Il faut dire aussi que le travail effectué par une force peut être négatif. Cela se produira si le corps bouge contre la direction de la force. Par exemple, lorsqu'une grue soulève une charge au-dessus du sol à l'aide d'un câble, le travail effectué par la force de gravité est négatif (et le travail effectué par la force élastique du câble dirigée vers le haut, au contraire, est positif).

Supposons que lors de travaux de construction, la fosse doive être remplie de sable. Cela prendrait quelques minutes à une excavatrice pour le faire, mais un ouvrier muni d'une pelle devrait travailler plusieurs heures. Mais l'excavateur et l'ouvrier auraient terminé le même travail.

Fig 5. Le même travail peut être réalisé à des moments différents

Pour caractériser la vitesse du travail effectué en physique, une grandeur appelée puissance est utilisée.

La puissance est une quantité physique égale au rapport du travail au temps pendant lequel il est effectué.

La puissance est indiquée par une lettre latine N.

L'unité SI de puissance est le watt.

Un watt est la puissance à laquelle un joule de travail est effectué en une seconde.

Le groupe motopropulseur porte le nom du scientifique anglais, inventeur de la machine à vapeur, James Watt.

Figure 6. James Watt (1736 - 1819)

Combinons la formule de calcul du travail avec la formule de calcul de la puissance.

Rappelons maintenant que le rapport du chemin parcouru par le corps est S, au moment du mouvement t représente la vitesse de mouvement du corps v.

Ainsi, la puissance est égale au produit de la valeur numérique de la force et de la vitesse du corps dans la direction de la force.

Cette formule est pratique à utiliser pour résoudre des problèmes dans lesquels une force agit sur un corps se déplaçant à une vitesse connue.

Bibliographie

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1. Portail Internet Physics.ru ().
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Devoirs

1. Dans quels cas le travail est-il égal à zéro ?
2. Comment s’effectue le travail le long du chemin parcouru dans la direction de la force ? Dans la direction opposée?
3. Quelle quantité de travail est effectuée par la force de frottement agissant sur la brique lorsqu'elle se déplace de 0,4 m ? La force de frottement est de 5 N.

Tout corps qui fait un mouvement peut être caractérisé par le travail. En d’autres termes, il caractérise l’action des forces.

Le travail est défini comme :
Le produit du module de force et du chemin parcouru par le corps, multiplié par le cosinus de l'angle entre la direction de la force et celle du mouvement.

Le travail se mesure en Joules :
1 [J] = = [kg*m2/s2]

Par exemple, le corps A, sous l'influence d'une force de 5 N, a parcouru 10 m. Déterminez le travail effectué par le corps.

Puisque la direction du mouvement et l’action de la force coïncident, l’angle entre le vecteur force et le vecteur déplacement sera égal à 0°. La formule sera simplifiée car le cosinus d'un angle de 0° est égal à 1.

En substituant les paramètres initiaux dans la formule, on trouve :
A = 15 J.

Prenons un autre exemple : un corps pesant 2 kg, se déplaçant avec une accélération de 6 m/s2, a parcouru 10 m. Déterminez le travail effectué par le corps s'il se déplaçait vers le haut le long d'un plan incliné selon un angle de 60°.

Pour commencer, calculons la force nécessaire à appliquer pour transmettre une accélération de 6 m/s2 au corps.

F = 2 kg * 6 m/s2 = 12 H.
Sous l'influence d'une force de 12 N, le corps s'est déplacé de 10 M. Le travail peut être calculé à l'aide de la formule déjà connue :

Où a est égal à 30°. En remplaçant les données initiales dans la formule, nous obtenons :
A = 103,2 J.

Pouvoir

De nombreuses machines et mécanismes effectuent le même travail à des moments différents. Pour les comparer, la notion de pouvoir est introduite.
La puissance est une quantité qui montre la quantité de travail effectué par unité de temps.

La puissance se mesure en watts, d'après l'ingénieur écossais James Watt.
1 [Watt] = 1 [J/s].

Par exemple, une grande grue a soulevé une charge pesant 10 tonnes à une hauteur de 30 m en 1 minute. Une petite grue a soulevé 2 tonnes de briques à la même hauteur en 1 minute. Comparez les capacités des grues.
Définissons le travail effectué par les grues. La charge s'élève de 30 m, tout en surmontant la force de gravité, donc la force dépensée pour soulever la charge sera égale à la force d'interaction entre la Terre et la charge (F = m * g). Et le travail est le produit des forces par la distance parcourue par les charges, c'est-à-dire par la hauteur.

Pour une grande grue A1 = 10 000 kg * 30 m * 10 m/s2 = 3 000 000 J, et pour une petite grue A2 = 2 000 kg * 30 m * 10 m/s2 = 600 000 J.
La puissance peut être calculée en divisant le travail par le temps. Les deux grues ont soulevé la charge en 1 minute (60 secondes).

D'ici:
N1 = 3 000 000 J/60 s = 50 000 W = 50 kW.
N2 = 600 000 J/60 s = 10 000 W = 10 kW.
D'après les données ci-dessus, il ressort clairement que la première grue est 5 fois plus puissante que la seconde.

Quand les corps interagissent impulsion un corps peut être partiellement ou totalement transféré à un autre corps. Si un système de corps n’est pas soumis à l’action de forces externes provenant d’autres corps, un tel système est appelé fermé.

Cette loi fondamentale de la nature s'appelle loi de conservation de la quantité de mouvement. C'est une conséquence des deuxième et troisième Les lois de Newton.

Considérons deux corps en interaction quelconques faisant partie d'un système fermé. Nous désignons les forces d'interaction entre ces corps par et Selon la troisième loi de Newton Si ces corps interagissent pendant le temps t, alors les impulsions des forces d'interaction sont égales en ampleur et dirigées dans des directions opposées : Appliquons la deuxième loi de Newton à ces corps :

où et sont les impulsions des corps au moment initial, et sont les impulsions des corps à la fin de l'interaction. De ces relations il résulte :

Cette égalité signifie que suite à l’interaction de deux corps, leur quantité de mouvement totale n’a pas changé. Considérant maintenant toutes les interactions possibles de paires de corps inclus dans un système fermé, nous pouvons conclure que les forces internes d'un système fermé ne peuvent pas modifier sa quantité de mouvement totale, c'est-à-dire la somme vectorielle de la quantité de mouvement de tous les corps inclus dans ce système.

Travail mécanique et puissance

Les caractéristiques énergétiques du mouvement sont introduites sur la base du concept travail mécanique ou travail de force.

Travail A effectué par une force constante est une grandeur physique égale au produit des modules de force et de déplacement multiplié par le cosinus de l'angle α entre les vecteurs force et les mouvements(Fig. 1.1.9) :

Le travail est une quantité scalaire. Il peut être soit positif (0° ≤ α< 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в joules (J).

Un joule est égal au travail effectué par une force de 1 N pour se déplacer de 1 m dans la direction de la force.

Si la projection de la force sur la direction du mouvement ne reste pas constante, le travail doit être calculé pour de petits mouvements et additionner les résultats :

Un exemple de force dont le module dépend de la coordonnée est la force élastique d'un ressort, obéissant la loi de Hooke. Pour étirer un ressort, il faut lui appliquer une force externe dont le module est proportionnel à l'allongement du ressort (Fig. 1.1.11).

La dépendance du module de force externe sur la coordonnée x est représentée sur le graphique sous forme de ligne droite (Fig. 1.1.12).

Basé sur l'aire du triangle de la Fig. 1.18.4 vous pouvez déterminer le travail effectué par une force externe appliquée à l'extrémité libre droite du ressort :

La même formule exprime le travail effectué par une force extérieure lors de la compression d'un ressort. Dans les deux cas, le travail de la force élastique est égal en grandeur au travail de la force externe et de signe opposé.

Si plusieurs forces sont appliquées à un corps, alors le travail total effectué par toutes les forces est égal à la somme algébrique du travail effectué par les forces individuelles et est égal au travail résultante des forces appliquées.

Le travail effectué par une force par unité de temps est appelé pouvoir. La puissance N est une grandeur physique égale au rapport du travail A à la période de temps t pendant laquelle ce travail a été effectué.

Avant d'aborder le sujet « Comment le travail est-il mesuré », il est nécessaire de faire une petite parenthèse. Tout dans ce monde obéit aux lois de la physique. Chaque processus ou phénomène peut être expliqué sur la base de certaines lois de la physique. Pour chaque grandeur mesurée, il existe une unité dans laquelle elle est habituellement mesurée. Les unités de mesure sont constantes et ont la même signification partout dans le monde.

La raison en est la suivante. En 1960, lors de la onzième Conférence générale des poids et mesures, fut adopté un système de mesures reconnu dans le monde entier. Ce système a été nommé Le Système International d’Unités, SI (SI System International). Ce système est devenu la base pour déterminer les unités de mesure acceptées dans le monde entier et leurs relations.

Termes physiques et terminologie

En physique, l'unité de mesure du travail de force est appelée J (Joule), en l'honneur du physicien anglais James Joule, qui a grandement contribué au développement de la branche de la thermodynamique en physique. Un Joule est égal au travail effectué par une force de un N (Newton) lorsque son application déplace un M (mètre) dans la direction de la force. Un N (Newton) est égal à une force d'un kg (kilogramme) de masse avec une accélération de un m/s2 (mètre par seconde) dans la direction de la force.

Pour votre information. En physique, tout est interconnecté : effectuer tout travail implique d'effectuer des actions supplémentaires. A titre d'exemple, nous pouvons prendre un ventilateur domestique. Lorsque le ventilateur est branché, les pales du ventilateur commencent à tourner. Les pales rotatives influencent le flux d’air, lui donnant un mouvement directionnel. C'est le résultat du travail. Mais pour effectuer le travail, l'influence d'autres forces extérieures est nécessaire, sans lesquelles l'action est impossible. Celles-ci incluent le courant électrique, la puissance, la tension et de nombreuses autres valeurs connexes.

Le courant électrique, à la base, est le mouvement ordonné des électrons dans un conducteur par unité de temps. Le courant électrique est basé sur des particules chargées positivement ou négativement. On les appelle des charges électriques. Désigné par les lettres C, q, Kl (Coulomb), du nom du scientifique et inventeur français Charles Coulomb. Dans le système SI, c'est une unité de mesure du nombre d'électrons chargés. 1 C est égal au volume de particules chargées circulant à travers la section transversale d'un conducteur par unité de temps. L'unité de temps est la seconde. La formule de la charge électrique est présentée dans la figure ci-dessous.

L'intensité du courant électrique est indiquée par la lettre A (ampère). L'ampère est une unité de physique qui caractérise la mesure du travail de force dépensé pour déplacer les charges le long d'un conducteur. À la base, le courant électrique est le mouvement ordonné des électrons dans un conducteur sous l’influence d’un champ électromagnétique. Un conducteur est un matériau ou sel fondu (électrolyte) qui présente peu de résistance au passage des électrons. L’intensité du courant électrique est affectée par deux grandeurs physiques : la tension et la résistance. Ils seront discutés ci-dessous. L'intensité du courant est toujours directement proportionnelle à la tension et inversement proportionnelle à la résistance.

Comme mentionné ci-dessus, le courant électrique est le mouvement ordonné des électrons dans un conducteur. Mais il y a une mise en garde : ils ont besoin d’un certain impact pour bouger. Cet effet est créé en créant une différence de potentiel. La charge électrique peut être positive ou négative. Les charges positives tendent toujours vers des charges négatives. Ceci est nécessaire à l’équilibre du système. La différence entre le nombre de particules chargées positivement et négativement est appelée tension électrique.

La puissance est la quantité d’énergie dépensée pour effectuer un J (Joule) de travail sur une période d’une seconde. L'unité de mesure en physique est désignée par W (Watt), dans le système SI W (Watt). Puisque la puissance électrique est prise en compte, il s’agit ici de la valeur de l’énergie électrique dépensée pour effectuer une certaine action sur une période de temps.

Les caractéristiques énergétiques du mouvement sont introduites sur la base du concept de travail mécanique ou de travail de force.

Définition 1

Le travail A effectué par une force constante F → est une grandeur physique égale au produit des modules de force et de déplacement multiplié par le cosinus de l'angle α , situé entre les vecteurs force F → et le déplacement s →.

Cette définition est discutée dans la figure 1. 18 . 1 .

La formule de travail s'écrit,

A = F s cos α .

Le travail est une quantité scalaire. Cela permet d'être positif à (0° ≤ α< 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) .

Un joule est égal au travail effectué par une force de 1 N pour se déplacer de 1 m dans la direction de la force.

Image 1 . 18 . 1 . Travail de force F → : A = F s cos α = F s s

Lors de la projection F s → force F → sur la direction du mouvement s → la force ne reste pas constante, et le calcul du travail pour les petits mouvements Δ s i est résumé et réalisé selon la formule :

UNE = ∑ ∆ UNE je = ∑ F s je ∆ s je .

Cette quantité de travail est calculée à partir de la limite (Δ s i → 0) puis entre dans l'intégrale.

La représentation graphique de l'œuvre est déterminée à partir de l'aire de la figure curviligne située sous le graphique F s (x) de la figure 1. 18 . 2.

Image 1 . 18 . 2. Définition graphique du travail Δ A i = F s i Δ s i .

Un exemple de force qui dépend de la coordonnée est la force élastique d'un ressort, qui obéit à la loi de Hooke. Pour étirer un ressort, il faut appliquer une force F → dont le module est proportionnel à l'allongement du ressort. Cela peut être vu sur la figure 1. 18 . 3.

Image 1 . 18 . 3. Ressort étiré. La direction de la force externe F → coïncide avec la direction du mouvement s →. F s = k x, où k désigne la raideur du ressort.

F → y p = - F →

La dépendance du module de force externe sur les coordonnées x peut être tracée à l'aide d'une ligne droite.

Image 1 . 18 . 4 . Dépendance du module de force externe sur la coordonnée lorsque le ressort est étiré.

A partir de la figure ci-dessus, il est possible de retrouver le travail effectué sur la force externe de l'extrémité libre droite du ressort, en utilisant l'aire du triangle. La formule prendra la forme

Cette formule est applicable pour exprimer le travail effectué par une force externe lors de la compression d'un ressort. Les deux cas montrent que la force élastique F → y p est égale au travail de la force externe F → , mais de signe opposé.

Définition 2

Si plusieurs forces agissent sur un corps, alors la formule du travail total ressemblera à la somme de tout le travail effectué sur celui-ci. Lorsqu'un corps se déplace en translation, les points d'application des forces se déplacent de manière égale, c'est-à-dire que le travail total de toutes les forces sera égal au travail de la résultante des forces appliquées.

Image 1 . 18 . 5 . Modèle de travail mécanique.

Détermination de la puissance

Définition 3

Pouvoir est appelé le travail effectué par une force par unité de temps.

L'enregistrement de la quantité physique de puissance, notée N, prend la forme du rapport du travail A à la période de temps t du travail effectué, soit :

Définition 4

Le système SI utilise le watt (W t) comme unité de puissance, égale à la puissance de la force qui effectue 1 J de travail en 1 s.

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