Механическая работа и мощность
Понятие механической работы. Единица работы Джоуль (Дж). Мощность как скорость совершения работы. Единица мощности Ватт (Вт).
В физике понятие работы строго определено и отличается от бытового значения слова «работа».
Механическая работа (A) совершается только тогда, когда выполняются два обязательных условия одновременно:
1. На тело действует внешняя сила;
2. Тело перемещается в пространстве под действием этой силы.
Если сила действует, но перемещения нет (человек безуспешно толкает тяжелый шкаф или держит груз на плечах), механическая работа равна нулю (A = 0).
Если тело движется по инерции без действия сил, работа также не совершается.
Условие 1 (F ≠ 0)
Условие 2 (s ≠ 0)
Механическая работа постоянной силы при прямолинейном движении равна произведению модуля силы на модуль перемещения тела:
В СИ единицей работы является Джоуль (Дж) в честь английского физика Джеймса Джоуля: 1 Дж — работа, совершаемая силой в 1 Н при перемещении тела на расстояние 1 м в направлении действия силы:
1 Дж = 1 Н · 1 м.
Знак механической работы:
• Положительная работа (A > 0): направление силы совпадает с направлением движения тела (сила тяги двигателя разгоняет автомобиль).
• Отрицательная работа (A < 0): сила направлена противоположно движению тела (сила трения и сопротивления воздуха тормозит движение: A = -Fтр · s).
• Нулевая работа (A = 0): сила направлена перпендикулярно перемещению (сила тяжести при горизонтальном движении санок работы не совершает).
Одинаковую механическую работу различные двигатели могут совершать за совершенно разное время: подъемник поднимает поддон кирпичей за 30 секунд, а рабочий сделает это вручную за несколько часов.
Мощность (N) — скалярная физическая величина, характеризующая быстроту совершения механической работы и равная отношению работы A ко времени t, за которое она совершена:
В Международной системе СИ единицей мощности является Ватт (Вт) в честь создателя универсальной паровой машины Джеймса Уатта: 1 Вт — мощность, при которой за 1 секунду совершается работа в 1 Джоуль:
1 Вт = 1 Дж / 1 с.
Найти работу A
Перевести время в секунды
Вычислить мощность N = A / t
В промышленности, энергетике и транспорте мощности измеряются в тысячах и миллионах ватт:
• 1 киловатт (кВт) = 1 000 Вт = 10³ Вт
• 1 мегаватт (МВт) = 1 000 000 Вт = 10⁶ Вт
• 1 гигаватт (ГВт) = 1 000 000 000 Вт = 10⁹ Вт (мощность крупных гидроэлектростанций Казахстана, например Бухтарминской и Шардаринской ГЭС).
В автомобилестроении традиционно сохраняется историческая внесистемная единица — лошадиная сила (л.с.):
1 л.с. ≈ 735.5 Вт ≈ 0.736 кВт.
Из формулы работы A = N · t следует еще одна важнейшая единица энергии, применяемая в электроэнергетике — киловатт-час (кВт·ч):
1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3 600 000 Дж = 3.6 МДж.
Мощность техники
Единица энергии/работы
Если сила меняется в процессе движения (например, сжатие пружины или сопротивление грунта), простая формула A = F · s неприменима.
В таких случаях используют геометрический смысл работы: на графике зависимости силы F от координаты перемещения s величина работы численно равна площади фигуры под графиком силы.
Для силы упругости, линейно зависящей от координаты по закону Гука (F = k·x), график представляет собой наклонный отрезок, а площадь под ним образует прямоугольный треугольник: A = (Fmax · x) / 2 = (k · x²) / 2.
Теорема о кинетической энергии:
Суммарная работа всех сил, приложенных к телу, идет на изменение его кинетической энергии: Aобщ = ΔEk = (m·v₂²)/2 - (m·v₁²)/2.
- 1. Механическая работа: условия совершения и физический смысл~5 мин
- 2. Формула и единицы механической работы в СИ. Знаки работы~5 мин
- 3. Мощность: физический смысл и скорость совершения работы~5 мин
- 4. Единицы мощности в технике: Ватт, киловатт и лошадиная сила~5 мин
- 5. Графическое нахождение механической работы~5 мин