Всички разбират, че работата е вид социална дейност на човек, която му е необходима, за да осигури съществуването си. Във физиката обаче има и подобно понятие, което има съвсем различно значение. Какво е работата във физиката, тази статия ще отговори.
Работете като физическа величина
Отговаряйки на въпроса каква работа е във физиката, трябва да се изясни, че това е енергията, която се изразходва за извършване на каквото и да е действие. Например, човек прехвърля товар от едно място на друго, докато работи срещу силите на триене. Ако този човек започне да вдига товара, тогава работата му ще бъде насочена към преодоляване на гравитационната сила на планетата. Друг пример: газът под буталото, в резултат на нагряване, започва да увеличава обема си, като в този случай се казва, че върши някаква работа.
Във всички горепосочени случаи има една обща черта: работата се различава от нула само когато има някакъв вид механично движение на обекти или техните части(движение на работник с товар, разширяване на газа).
Така работата е процес на прехвърляне на енергия от едно състояние в друго за дадено тяло, в резултат на което това тяло променя позицията си в пространството.
Работна формула
Сега нека покажем как да изчислим количествено изследваната стойност. Прехвърлянето на енергия между различни състояния е възможно само ако е налице някаква сила. Това може да бъде физическото усилие на човешките ръце и крака, силата на машините, създаденото налягане, което лесно се преобразува в сила, в случай на изгаряне на гориво в цилиндър, силата на електромагнитната индукция на електродвигателя и така нататък.
Следната формула ще отговори на въпроса как да си намеря работа във физиката:
A=(F¯l¯)
Работа A е скаларна величина, докато силата F¯ и преместването l¯ са векторни величини. Ето защо формулата за изчисляване на A използва скоби, за да покаже, че говорим за скаларното произведение на векторите. В скаларна форма горният израз може да бъде пренаписан, както следва:
A=Flcos(φ)
Тук φ е ъгълът между векторите на силата F¯ и преместването l¯.
Тъй като изместването се измерва в метри, а силата е в нютони, единицата за работа е нютон на метър (Nm). Единицата SI има свое собствено име, джаул (J). Оказва се, че работа от 1 J съответства на сила от 1 N, която, действайки по посока на преместването, премести тялото с1 метър.
Газова работа
Анализирахме въпроса какво е механична работа във физиката и дадохме формула, по която може да се изчисли. В случай на разширяващи се газове обаче се използва различен израз.
Да приемем, че имаме газова система, която запълва обема V1 и е под налягане P. Нека обемът й се промени в резултат на някакво външно или вътрешно влияние върху системата и стана равно на V2. Тогава работата на газ А може да се определи по следната формула:
A=∫V(P(V)dV)
Ако начертаете функцията P(V) в осите P-V, тогава площта под кривата ще бъде числено равна на A.
В случай на изобарен процес (P=const) за идеален газ, отговорът на въпроса как да се намери работа във физиката ще бъде следният прост израз:
A=P(V2-V1)
Ако в резултат на термодинамичен процес обемът на газа не се промени, тогава неговата работа ще бъде равна на нула. Ако V2>V1, тогава газът върши положителна работа, ако V1>V 2, след това отрицателно.
Работа на момент на сила
Моментът на силата е физическа величина, която се изразява със следната формула:
M=[F¯r¯]
Тоест, M е равно на векторното произведение на силата F и радиус вектора r около оста на въртене. Моментът на сила се изразява в Nm.
Каква е работата на момент на сила във физиката? На този въпросследната формула ще отговори:
A=Mθ
Това равенство означава, че ако моментът M, действащ върху системата, я кара да се завърти около оста с ъгъл θ, тогава тя работи A. Ъгълът θ тук трябва да бъде изразен в радиани, за да се получи работата в джаули.
Изчисляването на работата на момента на силата играе важна роля във всички механични системи, където има въртене, като колела, зъбни колела, валове и т.н.
Работа на гравитацията
След като разбрахме каква работа е във физиката, нека изчислим тази стойност за силите на гравитацията. Да предположим, че тяло с маса m пада от височина h. Тъй като гравитацията F действа вертикално надолу, тя върши положителна работа. Определя се по следната формула:
A=mgh, където F=mg
Много в получената формула за стойността на A могат да видят израза за потенциалната енергия на тяло в полето на гравитационните сили. По време на падането на тялото гравитацията извършва работата по прехвърляне на потенциалната енергия на тялото в кинетичната енергия на неговото движение.
