Механическая работа. Единицы работы

Мы часто слышим от друзей: «Я сегодня выполнил большую работу: выучил наизусть стихотворение и решил пять задач по математике». Но с точки зрения физики никакой работы не совершено, даже если выучить наизусть целую поэму. Что же такое работа в физике?

В физике работа оценивает то, что вызвала сила, действуя на движущееся тело. Покажем это на примерах. Что общего в результатах действия силы тяжести на мяч, силы давления газа на пулю в пистолете и силы упругости сжатой пружины на шарик после пережигания нити? Все перечисленные силы вызывают разгон тел (мяча, пули, шарика), т. е. увеличение скорости движения.

А может ли сила, действующая на движущееся тело, уменьшать его скорость? Подбросьте мяч и наблюдайте за его движением вверх. Теперь сила тяжести уменьшает скорость его движения. Во всех случаях, когда сила изменяет скорость движения (увеличивает или уменьшает), говорят, что сила совершает механическую работу.

Механическая работа является физической величиной. Ее значение можно рассчитать. Рассмотрим самый простой случай: направление силы совпадает с направлением движения. Например, идет разгон спортивных саней. Изменение скорости саней, а значит, и работа по их разгону зависят от значения действующей силы (силы спортсменов, разгоняющих сани) и от пройденного санями пути. Чем больше сила и путь, тем большая совершается работа. Этот вывод справедлив для всех движущихся под действием силы тел.

Таким образом, механическая работа - физическая величина, пропорциональная действующей на тело силе и пройденному пути.

Обозначим работу буквой \(A\). Тогда, если направление силы совпадает с направлением движения тела, \[работа = сила \cdot путь,\] или \[A = F \cdot s.\]

Единицей работы в СИ является 1 джоуль (1 Дж). Названа она в честь известного английского физика Дж. П. Джоуля. Один джоуль - это работа, совершаемая силой 1 Н на пути 1 м.

\[1\:джоуль = 1\:ньютон \cdot 1\:метр.\]

Для измерения большой работы используют кратные джоулю единицы: \[1\:кДж = 1000\:Дж = 1 \cdot 10^{3}\:Дж;\] \[1\:МДж = 1\:000\:000\:Дж = 1 \cdot 10^{6}\:Дж.\]

В случае малой работы применяются дольные единицы: \[1\:мДж = 0,001\:Дж = 1 \cdot 10^{-3}\:Дж;\] \[1\:мкДж = 0,000001\:Дж = 1 \cdot 10^{-6}\:Дж.\]

Из формулы работы следует, что если есть силы, но нет движения, то нет и работы. Например, сила тяжести, действующая на лежащий на столе мяч, работы не совершает, а в случае падающего мяча - совершает.

Сила не всегда увеличивает скорость движения тела. Так, при движении мяча вверх сила тяжести замедляет его движение. Аналогично при скольжении шайбы по льду сила трения уменьшает скорость движения шайбы. Работу силы (тяжести, трения) в подобных случаях считают отрицательной.

Но положительная и отрицательная работы могут совершаться одновременно и даже быть равными по абсолютной величине. В этом случае скорость движения постоянна. Например, электропоезд на данном участке пути движется равномерно. Это значит, что равнодействующая сил (тяги двигателя и сопротивления движению) равна нулю. Но и сила тяги, и сила сопротивления совершают работу. Только работа силы тяги \(A_{т} > 0\), а силы сопротивления \(A_{с} < 0\). Сумма же их равна 0, т.е. \(A = A_{т} + A_{с} = 0\).

Главные выводы:

  1. Механическая работа характеризует результат действия силы на движущееся тело и пропорциональна действующей на тело силе и пройденному телом пути.
  2. Силы, ускоряющие движение тела, совершают положительную работу.
  3. Силы, замедляющие движение тела, совершают отрицательную работу.
  4. Единица работы в СИ - 1 джоуль (1 Дж).

Читать далее