МЕХАНІЧНА РОБОТА. ОДИНИЦЯ РОБОТИ
РОЗДІЛ 4 МЕХАНІЧНА РОБОТА ТА ЕНЕРГІЯ
О Ви знаєте, як виміряти силу і шлях, а дізнаєтесь, як визначити роботу
О Ви маєте уявлення про потужні двигуни, а будете розуміти, як розрахувати їхню потужність
О Ви знаєте, що існують механічна, електрична, атомна енергії, а дізнаєтесь, яку енергію має тіло, що рухається, а яку – тіло, що взаємодіє
О Ви знаєте, що для отримання виграшу в силі людина використовує прості механізми, а дізнаєтесь, на яких законах грунтується дія цих механізмів
О Ви чули про коефіцієнт корисної дії, а будете
& 30. МЕХАНІЧНА РОБОТА. ОДИНИЦЯ РОБОТИ
На перший погляд, навести приклади ситуацій, коли виконується робота, дуже просто. Роботу виконують вода і повітря, машини й механізми, будівельники і вантажники. А чи виконує роботу учень, який нерухомо тримає в руках важкий портфель? програміст, який, сидячи за комп’ютером, виконує завдання? І взагалі, що мають на увазі фізики, коли говорять про механічну роботу?
1. Визначаємо фізичний зміст роботи
Словом “робота” ми зазвичай називаємо корисну дію людини або якогось пристрою. Наприклад, ми кажемо:
Про механічну роботу говорять тоді, коли тіло змінює своє положення в просторі під дією сили. Розглянемо рух баржі, яку тягне буксир (рис. 30.1). Буксир діє на баржу з певною силою – силою тяги 
Вантаж, розташований на баржі, також діє на баржу – тисне на неї із силою тиску 
Фізики в таких випадках кажуть: сила тяги виконує механічну роботу, тому що баржа рухається в напрямку сили тяги, а от сила тиску механічної роботи не виконує, тому що в напрямку сили тиску (тобто вниз) баржа не рухається.
Чим більший шлях пройде баржа під дією сили тяги, тим більшу механічну роботу виконає ця сила. Механічна робота збільшиться і в разі зростання сили тяги: це станеться, якщо, наприклад, змусити буксир із баржею рухатися з більшою швидкістю. Узагалі механічна робота, яку виконує певна сила, залежить від значення сили та шляху, який тіло подолає під дією цієї сили.
Рис. 30.1. Буксир діє на баржу і переміщує її. Вантаж також діє на баржу, але під його дією баржа не переміщується
Механічна робота – це фізична величина, яка характеризує зміну положення тіла під дією сили і дорівнює добутку сили на шлях, подоланий тілом у напрямку цієї сили:
A = Fl,
Де А – механічна робота; F – значення сили, що діє на тіло; l – шлях, який подолало тіло, рухаючись у напрямку цієї сили.
Одиниця роботи в СІ – джоуль (Дж); названа так на честь англійського вченого Джеймса Джоуля (рис. 30.2):
[A ] = Н ∙ м = Дж.
Рис. 30.2. Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889), відомий англійський фізик; експериментально довів закон збереження енергії, визначив механічний еквівалент теплоти
1 Дж дорівнює механічній роботі, яку виконує сила 1 Н, переміщуючи тіло на 1 м у напрямку дії цієї сили: 1 Дж = 1Н ∙ м.
Зверніть увагу! Оскільки сила діє на тіло з боку іншого тіла (буксир тягне баржу), не буде помилки, якщо говорити не про роботу сили (роботу сили натягу троса), а про роботу тіла (роботу буксира).
1. З’ясовуємо, яких значень може набувати механічна робота
Як ви знаєте, сила має напрямок – це векторна величина. А от робота сили не має напрямку, тобто робота є величиною скалярною. Але робота може бути додатною, від’ємною або дорівнювати нулю – залежно від того, куди напрямлена сила відносно напрямку руху тіла:
Розгляньте сили, які діють на автомобіль, що рухається горизонтальною ділянкою дороги (рис. 30.3): сила тяги, сила опору рухові, сили нормальної реакції опори, сила тяжіння. Яка сила, на вашу думку, виконує додатну роботу? від’ємну роботу? Робота яких сил дорівнює нулю?
Рис. 30.3. До запитання
3. Дізнаємося про геометричний зміст роботи
Нехай тіло рухається під дією незмінної сили F, напрямок якої весь час збігається з напрямком руху тіла. Робота такої сили дорівнює добутку сили на шлях: A = Fl.
Побудуємо графік залежності значення сили F від шляху l, який долає тіло (рис. 30.4). Графік являє собою відрізок прямої, яка паралельна осі абсцис (осі шляху).
Рис. 30.4. Щоб визначити роботу A сили під час руху тіла в напрямку дії цієї сили, слід визначити площу S фігури під графіком залежності сили від шляху. Тут F1 – сила, що діє на тіло; l1 – шлях, який подолало тіло під дією цієї сили
Із рисунка бачимо, що добуток F1 ∙ l1 є добутком довжини та ширини прямокутника, тобто відповідає площі S цього прямокутника. У цьому полягає геометричний зміст механічної роботи:
Якщо напрямок сили, яка діє на тіло, збігається з напрямком руху тіла, то робота цієї сили чисельно дорівнює площі фігури під графіком залежності сили від шляху, який долає тіло.
Це твердження поширюється й на випадки, коли сила є змінною.
4. Учимося розв’язувати задачі
Задача. За допомогою пружини жорсткістю 25 Н/м брусок пересувають по столу з незмінною швидкістю 5 см/с. Яку роботу виконає сила пружності за 20 с, якщо весь час видовження пружини – 4 см?
Аналіз фізичної проблеми. Робота сили пружності є додатною, оскільки брусок рухається в напрямку дії сили. Для обчислення роботи слід знайти значення сили пружності (Fпруж) і шлях l, який подолав брусок. Жорсткість пружини та її видовження відомі, тому для знаходження значення сили пружності скористаємося законом Гука. Брусок рухається рівномірно, отже, його шлях дорівнює добутку швидкості та часу руху. Задачу розв’язуватимемо в одиницях СІ.
Дано:
K = 25 
V = 5 
= 0,05 
T = 20 с
X = 4 см = 0,04 м
Знайти:
A – ?
Пошук математичної моделі, розв’язання.
За означенням роботи: A = Fпруж l.
За законом Гука: Fпруж = kx.
Шлях, який подолав брусок, дорівнює: l = vt.
Підставивши вирази для Fпруж і l у формулу роботи, остаточно отримаємо: A = kx ∙ vt.
Перевіримо одиницю, визначимо значення шуканої величини:
[A]= ∙ м ∙ = Н ∙ м = Дж;
A = 25 ∙ 0,04 ∙ 0,05 ∙ 20 = 1 (Дж).
Відповідь: A = 1 Дж.
Підбиваємо підсумки
Механічна робота – це фізична величина, яка характеризує зміну положення тіла під дією сили. Якщо сила є незмінною і діє в напрямку руху тіла, механічну роботу обчислюють за формулою: A = Fl. Одиниця механічної роботи в СІ – джоуль (Дж); 1 Дж = 1Н ∙ 1м. Залежно від напрямку сили та напрямку руху тіла механічна робота може бути додатною, від’ємною або дорівнювати нулю.
Контрольні запитання
1. Що ми розуміємо під словом “робота” в повсякденному житті? 2. Дайте означення механічної роботи. 3. Які умови необхідні для виконання механічної роботи? 4. Назвіть одиницю роботи в СІ і дайте її означення. 5. На честь якого вченого отримала назву одиниця роботи? 6. У яких випадках механічна робота є додатною? від’ємною? дорівнює нулю? 7. У чому полягає геометричний зміст механічної роботи?
Вправа № 30
1. Тягар нерухомо висить на пружині. Чи виконує роботу сила пружності, яка діє на тягар? Чи виконує роботу сила тяжіння?
2. Чи виконує роботу сила тяжіння, що діє на баскетбольний м’яч, який: а) лежить на землі? б) котиться підлогою спортивної зали? в) летить угору? г) падає? Якщо виконує, то яку – додатну чи від’ємну?
3. Наведіть приклади ситуацій (не розглянуті в параграфі), коли сила, яка діє на тіло, виконує додатну роботу; виконує від’ємну роботу; не виконує роботи.
4. Прикладаючи горизонтальну силу 50 Н, поверхнею стола протягли з незмінною швидкістю вантаж. При цьому було виконано роботу 150 Дж. Який шлях подолав вантаж?
5. Камінь масою 4 кг падає з висоти 5 м. Яка сила виконує додатну роботу під час падіння каменя? Чому дорівнює ця робота?
6. Хлопчик веде велосипед, прикладаючи горизонтальну силу 40 Н. При цьому велосипед рухається рівномірно. Визначте швидкість руху велосипеда, якщо за 5 хв хлопчик виконав роботу 12 кДж.
7. Під тиском газу поршень у циліндрі рівномірно пересунувся на 4 см (див. Малюнок). Яку роботу виконав газ? Тиск газу в циліндрі є незмінним і становить 0,6 МПа; площа поршня дорівнює 0,005 м2.
8. Складіть задачу, обернену до задачі, яку подано у & 30, і розв’яжіть її.
9. Яку роботу треба виконати, щоб підняти з дна на поверхню озера камінь масою 15 кг? Глибина озера становить 2 м, середня густина каменя – 3000 кг/м3. Опором води знехтуйте.
Експериментальне завдання
Визначте роботу, яку ви виконуєте, піднімаючи з підлоги на стілець відерце з водою. Яку роботу при цьому виконує сила тяжіння, що діє на відерце? Оформте звіт, у якому зазначте, які прилади ви використовували для визначення роботи, які вимірювання та розрахунки здійснювали, які результати отримали.
Фізика і техніка в Україні
Видатний український вчений-астроном Микола Павлович Барабашов (1894-1971) майже все своє життя мешкав у Харкові. Світове визнання йому принесли дослідження Марса і Венери. Зокрема, М. П. Барабашов передбачив структуру так званих “полярних шапок” на Марсі, виявив кристали льоду в атмосфері Венери.
Учений зробив також величезний внесок у дослідження Місяця. Ще задовго до перших космічних польотів на наш природний супутник М. П. Барабашов висунув гіпотезу про склад гірських порід на Місяці. Після досліджень, проведених за допомогою роботів-місяцеходів, гіпотеза науковця блискуче підтвердилась.
М. П. Барабашов був одним з авторів і редактором першого “Атласу зворотного боку Місяця”, який був складений за фотографіями, отриманими автоматичною міжпланетною станцією “Місяць-3”.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...