Кожен розуміє, що робота – це певний вид соціальної активності людини, який йому необхідний, щоб забезпечувати своє існування. Тим не менш у фізиці також існує аналогічне поняття, яке має зовсім інший зміст. Що таке робота у фізиці, відповість дана стаття.
Робота як фізична величина
Відповідаючи на питання, що таке робота у фізиці, слід уточнити, що це енергія, яка витрачена на вчинення яких-небудь дій. Наприклад, людина переносить вантаж з одного місця на інше, при цьому він здійснює роботу проти сил тертя. Якщо ж ця людина почне піднімати вантаж, то його робота буде спрямована на подолання сили тяжіння планети. Інший приклад: газ, що знаходиться під поршнем, в результаті нагріву починає збільшувати свій об’єм, в такому випадку кажуть, що він здійснює певну роботу.
У всіх випадках присутня одна загальна риса: робота відрізняється від нуля лише тоді, коли є який-небудь тип механічного переміщення об’єктів або їх частин (рух робочого з вантажем, розширення газу).
Таким чином, робота – це процес перекладу енергії з одного стану в інше для даного тіла, в результаті якого це тіло змінює положення в просторі.
Формула роботи
Тепер покажемо, як можна кількісно обчислити досліджувану величину. Переклад енергії між різними станами можливий тільки в тому випадку, якщо присутня деяка сила. Це може бути фізичне зусилля людських рук і ніг, сила машин, створюваний тиск, яке легко перераховується в силу, у разі згоряння палива в циліндрі, сила електромагнітної індукції електродвигуна і так далі.
На питання, як знаходити роботу в фізиці, відповість наступна формула:
A = (F * l)
Робота A – це скалярна величина, в свою чергу сила F і переміщення l – це векторні величини. Саме тому у формулі для обчислення A використовуються круглі дужки, щоб показати, що мова йде про скалярному добутку векторів. У скалярної формою вираження вище можна переписати в наступному вигляді:
A = F * l * cos(φ)
Тут φ є кутом між векторами сили F і переміщення l.
Оскільки переміщення вимірюється в метрах, а сила в ньютонах, то одиницею роботи буде ньютон на метр (Н * м). В СІ ця одиниця є власне назва – джоуль (Дж). Виходить, що робота в 1 Дж відповідає силі до 1 М, яка, діючи вздовж напрямку зсуву, перемістила тіло на 1 метр.
Робота газу
Ми розібрали питання, що таке механічна робота у фізиці, і навели формулу, за якою її можна обчислити. У разі розширення газів використовують, однак, інше вираження.
Припустимо, що у нас є газова система, яка заповнює об’єм V1 і знаходиться під тиском P. Нехай в результаті будь-якого зовнішнього чи внутрішнього впливу на систему її обсяг змінився і став рівним V2. Тоді роботу газу A можна визначити за такою формулою:
A = ∫V(P(V) * dV)
Якщо зобразити на графіку функцію P(V) в осях P-V, то площа під кривою чисельно дорівнює величині A.
У разі изобарного процесу (P = const) для ідеального газу відповіддю на питання, як знаходити роботу в фізиці, буде наступне просте вираз:
A = P * (V2-V1)
Якщо в результаті термодинамічного процесу обсяг газу не змінюється, то його робота буде дорівнює нулю. Якщо V2>V1, то газ робить позитивну роботу, якщо V1>V2, то негативну.
Робота моменту сили
Моментом сили називається фізична величина, яка виражається наступною формулою:
M = [F * r]
Тобто M дорівнює векторному добутку сили F на радіус-вектор r відносно осі обертання. Момент сили виражається в Н*м.
Що таке у фізиці робота моменту сили? На це питання відповість наступна формула:
A = M * θ
Це рівність означає, якщо момент M, діючи на систему, призводить до її повороту навколо осі на кут θ, то він здійснює роботу A. Кут θ тут повинен виражатися в радіанах, щоб отримати роботу в джоулях.
Обчислення роботи моменту сили відіграє важливу роль у всіх механічних системах, де є обертання, наприклад, колеса, шестерні, вали і так далі.
Робота сили тяжіння
Розібравшись, що таке робота у фізиці, обчислимо цю величину для сил тяжіння. Припустимо, що тіло масою m падає з висоти h. Оскільки сила тяжіння F діє вертикально вниз, то вона робить позитивну роботу. Визначається вона за такою формулою:
A = m * g * h,
де F = m * g
Багато в отриманій формулі для величини A можуть побачити вираз для потенційної енергії тіла, що знаходиться у полі сил тяжіння. Під час падіння тіла сила тяжіння робить роботу з переведення потенційної енергії тіла в кінетичну енергію руху.
