Fizikte neden iş kavramı. Mekanik iş ve kuvvetin gücü. Fiziksel terimler ve terminoloji

“İş nasıl ölçülür” konusunu açıklamadan önce küçük bir ara vermek gerekiyor. Bu dünyadaki her şey fizik yasalarına uyar. Her süreç veya fenomen, belirli fizik yasaları temelinde açıklanabilir. Her ölçülebilir miktar için, onu ölçmenin geleneksel olduğu bir birim vardır. Ölçü birimleri sabittir ve tüm dünyada aynı anlama gelir.

Bunun nedeni aşağıdaki gibidir. 1960 yılında, ağırlıklar ve ölçüler hakkındaki on birinci genel konferansta, dünya çapında tanınan bir ölçüm sistemi kabul edildi. Bu sisteme Le Système International d'Unités, SI (SI System International) adı verildi. Bu sistem, tüm dünyada kabul gören ölçü birimlerinin tanımlarının ve oranlarının temelini oluşturmuştur.

Fiziksel terimler ve terminoloji

Fizikte, bir kuvvetin çalışmasını ölçmek için kullanılan birime, fizikte termodinamik bölümünün gelişimine büyük katkı sağlayan İngiliz fizikçi James Joule'nin onuruna J (Joule) denir. bir Joule eşittir iş, uygulaması kuvvet yönünde bir M (metre) hareket ettiğinde, bir N (Newton) kuvveti tarafından gerçekleştirilir. Bir N (Newton) güce eşit, kuvvet yönünde bir m/s2 (saniyede metre) ivme ile bir kg (kilogram) kütleye sahip.

Not. Fizikte her şey birbirine bağlıdır, herhangi bir işin performansı ek eylemlerin performansı ile ilişkilidir. Bir örnek, bir ev hayranıdır. Fan açıldığında, fan kanatları dönmeye başlar. Dönen kanatlar, hava akışı üzerinde hareket ederek ona yönlü bir hareket sağlar. Bu çalışmanın sonucudur. Ancak işi yapmak için, eylemin gerçekleştirilmesinin imkansız olduğu diğer dış kuvvetlerin etkisi gereklidir. Bunlar, elektrik akımının gücünü, gücünü, voltajını ve birbiriyle ilişkili diğer birçok değeri içerir.

Elektrik akımı, özünde, bir iletkendeki elektronların birim zamanda düzenli hareketidir. Elektrik akımı, pozitif veya negatif yüklü parçacıklara dayanır. Bunlara elektrik yükleri denir. Fransız bilim adamı ve mucit Charles Coulomb'un adını taşıyan C, q, Kl (Pendant) harfleriyle gösterilir. SI sisteminde, yüklü elektronların sayısı için bir ölçü birimidir. 1 C, iletkenin kesitinden birim zamanda akan yüklü parçacıkların hacmine eşittir. Zaman birimi bir saniyedir. Elektrik yükü formülü aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Elektrik akımının gücü A (amper) harfi ile gösterilir. Bir amper, bir iletken boyunca yükleri hareket ettirmek için harcanan bir kuvvetin işinin ölçümünü karakterize eden fizikte bir birimdir. Onun çekirdeğinde, elektrik etkisi altında bir iletkendeki elektronların düzenli hareketidir. elektromanyetik alan. İletken ile, elektronların geçişine karşı çok az direnci olan bir malzeme veya erimiş tuz (elektrolit) kastedilmektedir. Bir elektrik akımının gücünü iki fiziksel büyüklük etkiler: voltaj ve direnç. Aşağıda tartışılacaktır. Akım her zaman voltajla doğru orantılı ve dirençle ters orantılıdır.

Yukarıda belirtildiği gibi, elektrik akımı, bir iletkendeki elektronların düzenli hareketidir. Ancak bir uyarı var: Hareketleri için belirli bir etkiye ihtiyaç var. Bu etki, potansiyel bir fark yaratılarak oluşturulur. Elektrik şarjı olumlu veya olumsuz olabilir. pozitif masraflar her zaman çabalamak negatif masraflar. Bu sistemin dengesi için gereklidir. Pozitif ve negatif yüklü parçacıkların sayısı arasındaki farka elektrik voltajı denir.

Güç, bir saniyelik bir sürede bir J (Joule) işi yapmak için harcanan enerji miktarıdır. Fizikte ölçü birimi W (Watt), SI sisteminde W (Watt) olarak gösterilir. Elektrik gücü dikkate alındığından, burada harcanan değerin değeridir. elektrik enerjisi belirli bir süre içinde belirli bir eylemi gerçekleştirmek için.

Sonuç olarak, iş ölçü biriminin skaler bir miktar olduğu, fiziğin tüm bölümleriyle ilişkisi olduğu ve sadece elektrodinamik veya ısı mühendisliği açısından değil, aynı zamanda diğer bölümler açısından da değerlendirilebileceği belirtilmelidir. Makale, kuvvet işinin ölçü birimini karakterize eden değeri kısaca ele almaktadır.

Video

« Fizik - Sınıf 10 "

Enerjinin korunumu yasası, meydana gelen olayların çoğunu tanımlamaya izin veren temel bir doğa yasasıdır.

Cisimlerin hareketinin tanımı, iş ve enerji gibi dinamik kavramlarının yardımıyla da mümkündür.

Fizikte iş ve gücün ne olduğunu hatırlayın.

Bu kavramlar, onlar hakkındaki günlük fikirlerle örtüşüyor mu?

Tüm günlük eylemlerimiz, kasların yardımıyla ya çevredeki cisimleri harekete geçirip bu hareketi sürdürdüğümüz ya da hareket eden cisimleri durdurduğumuz gerçeğine indirgenir.

Bu cisimler, oyunlarda araçlardır (çekiç, kalem, testere), - toplar, diskler, satranç taşları. Üretimde ve tarım insanlar da araçları harekete geçirir.

Makinelerin kullanılması, içlerinde motorların kullanılması nedeniyle işgücü verimliliğini büyük ölçüde artırır.

Herhangi bir motorun amacı, gövdeleri harekete geçirmek ve hem normal sürtünme hem de “çalışma” direnci ile frenlemeye rağmen bu hareketi sürdürmektir (kesici sadece metalin üzerinden kaymamalı, aynı zamanda ona çarparak talaşları çıkarmalıdır; saban toprağı gevşetmelidir, vb.). Bu durumda, hareketli gövdeye motorun yanından bir kuvvet etki etmelidir.

Doğada iş her zaman başka bir cisimden (diğer cisimler) bir kuvvet (veya birkaç kuvvet) bir cisme hareketi yönünde veya ona karşı etki ettiğinde yapılır.

Yerçekimi kuvveti, yağmur düştüğünde veya uçurumdan bir taş düştüğünde çalışır. Aynı zamanda düşen damlalara veya hava tarafından taşın üzerine etkiyen direnç kuvveti ile iş yapılır. Elastik kuvvet, rüzgar tarafından bükülen bir ağaç dikleştiğinde de çalışır.

İş tanımı.

İtici biçimde Newton'un ikinci yasası ∆=∆tΔt süresi boyunca cisme bir kuvvet etki ederse, cismin hızının mutlak değer ve yönde nasıl değiştiğini belirlemenizi sağlar.

Hızlarının modülünde bir değişikliğe yol açan kuvvetlerin cisimleri üzerindeki etkisi, hem kuvvetlere hem de cisimlerin yer değiştirmelerine bağlı olan bir değer ile karakterize edilir. Bu niceliğe mekanikte denir. kuvvet işi.

Modülo hız değişimi, yalnızca F r kuvvetinin vücut hareketi yönünde izdüşümü sıfır olmadığında mümkündür. Vücut modülosunun hızını değiştiren kuvvetin hareketini belirleyen bu izdüşümdür. İşi yapıyor. Bu nedenle, iş, F r kuvvetinin yer değiştirme modülü ile izdüşümü ürünü olarak düşünülebilir. |Δ| (Şekil 5.1):

А = F r |Δ|. (5.1)

Kuvvet ve yer değiştirme arasındaki açı α ile gösterilirse, o zaman F r = Fcosα.

Bu nedenle, iş şuna eşittir:

A = |Δ|cosα. (5.2)

Günlük iş kavramımız, fizikteki iş tanımından farklıdır. Ağır bir bavul tutuyorsunuz ve size iş yapıyormuşsunuz gibi geliyor. Ancak, fizik açısından, işiniz sıfıra eşittir.

Sabit bir kuvvetin işi, kuvvet modüllerinin çarpımına ve kuvvetin uygulama noktasının yer değiştirmesine ve aralarındaki açının kosinüsüne eşittir.

Genel olarak, hareket ederken sağlam vücut Oynat farklı noktalar farklıdır, ancak bir kuvvetin işini belirlerken, biz Δ uygulama noktasının hareketini anlar. saat ileri hareket rijit bir cismin tüm noktalarının hareketi, kuvvetin uygulama noktasının hareketi ile çakışır.

İş, kuvvet ve yer değiştirmeden farklı olarak bir vektör değil, skaler bir niceliktir. Pozitif, negatif veya sıfır olabilir.

İşin işareti, kuvvet ile yer değiştirme arasındaki açının kosinüsünün işareti ile belirlenir. eğer α< 90°, то А >0 kosinüs beri keskin köşeler pozitif. α > 90° için, geniş açıların kosinüsü negatif olduğundan iş negatiftir. α = 90°'de (kuvvet yer değiştirmeye diktir), iş yapılmaz.

Cismin üzerine birkaç kuvvet etki ederse, o zaman bileşke kuvvetin yer değiştirme üzerindeki izdüşümü, tek tek kuvvetlerin izdüşümlerinin toplamına eşittir:

F r = F 1r + F 2r + ... .

Bu nedenle, bileşke kuvvetin işi için şunu elde ederiz:

A = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + ... = A 1 + A 2 + .... (5.3)

Vücuda birkaç kuvvet etki ederse, o zaman tam iş(tüm kuvvetlerin işinin cebirsel toplamı) bileşke kuvvetin işine eşittir.

Zorla yapılan iş grafik olarak gösterilebilir. Bunu, düz bir çizgide hareket ederken cismin koordinatına kuvvetin izdüşümünün bağımlılığını şekilde tasvir ederek açıklayalım.

Vücudun OX ekseni boyunca hareket etmesine izin verin (Şekil 5.2), ardından

Fcosα = F x , |Δ| = Δx.

Gücün işi için, elde ederiz

А = F|Δ|cosα = F x Δx.

Açıkçası, Şekil (5.3, a)'da gölgelenen dikdörtgenin alanı, cismi x1 koordinatlı bir noktadan x2 koordinatlı bir noktaya taşırken yapılan işe sayısal olarak eşittir.

Formül (5.1) kuvvetin yer değiştirme üzerindeki izdüşümü sabit olduğunda geçerlidir. Eğri bir yörünge, sabit veya değişken kuvvet durumunda, yörüngeyi doğrusal olarak kabul edilebilecek küçük bölümlere ve kuvvetin küçük bir yer değiştirme üzerindeki izdüşümüne böleriz. Δ - kalıcı.

Daha sonra, her bir yer değiştirmede yapılan işin hesaplanması Δ ve sonra bu işleri toplayarak, kuvvetin son yer değiştirme üzerindeki işini belirleriz (Şekil 5.3, b).

İş birimi.

İşin birimi, temel formül (5.2) kullanılarak ayarlanabilir. Bir cismi birim uzunluk başına hareket ettirirken, modülü bire eşit olan bir kuvvet ona etki ediyorsa ve kuvvetin yönü, uygulama noktasının (α = 0) hareket yönü ile çakışıyorsa, o zaman, iş bire eşit olacaktır. Uluslararası Sistemde (SI), işin birimi joule'dür (J ile gösterilir):

1 J = 1 N 1 m = 1 N m.

Joule kuvvet ve yer değiştirmenin yönleri çakışıyorsa, 1 N yer değiştirmede 1 N kuvvet tarafından yapılan iştir.

Genellikle birden fazla iş birimi kullanılır - kilojoule ve mega joule:

1 kJ = 1000 J,
1 MJ = 1000000 J.

İş, uzun bir sürede veya çok küçük bir sürede yapılabilir. Bununla birlikte, pratikte, işin hızlı mı yoksa yavaş mı yapılabileceği kayıtsız olmaktan uzaktır. İşin yapıldığı süre, herhangi bir motorun performansını belirler. Küçücük bir elektrik motoru çok iş yapabilir, ancak çok zaman alacaktır. Bu nedenle, işle birlikte, üretildiği hızı - güç - karakterize eden bir değer ortaya çıkar.

Güç, A işinin bu işin yapıldığı Δt zaman aralığına oranıdır, yani güç işin oranıdır:

Formül (5.4)'te A işi (5.2) yerine değiştirerek ifadesini elde ederiz.

Böylece, cismin kuvveti ve hızı sabitse, güç, kuvvet vektörünün modülünün hız vektörünün modülüyle ve bu vektörlerin yönleri arasındaki açının kosinüsünün çarpımına eşittir. Bu miktarlar değişken ise, formül (5.4) ile ortalama güç, tanıma benzer şekilde belirlenebilir. ortalama sürat vücut hareketleri.

Güç kavramı, bazı mekanizmalar (pompa, vinç, makine motoru vb.) tarafından birim zaman başına yapılan işi değerlendirmek için tanıtıldı. Bu nedenle, (5.4) ve (5.5) formüllerinde her zaman itme kuvveti anlamına gelir.

SI'da güç, cinsinden ifade edilir. watt (W).

1 J'ye eşit iş 1 saniyede yapılırsa güç 1 W'dir.

Watt ile birlikte daha büyük (çoklu) güç birimleri kullanılır:

1 kW (kilovat) = 1000 W,
1 MW (megavat) = 1.000.000 W.

Günlük deneyimimizde "iş" kelimesi çok yaygındır. Ancak, fizik biliminin bakış açısından fizyolojik çalışma ile çalışma arasında ayrım yapılmalıdır. Dersten eve geldiğinizde “Ah, ne kadar yorgunum!” diyorsunuz. Bu fizyolojik bir iş. Veya, örneğin, "Şalgam" halk masalındaki ekibin çalışması.

Şekil 1. Kelimenin günlük anlamıyla çalışın

Burada fizik açısından çalışma hakkında konuşacağız.

Bir kuvvet bir cismi hareket ettirdiğinde mekanik iş yapılır. İş Latince A harfi ile gösterilir. İşin daha titiz bir tanımı aşağıdaki gibidir.

kuvvet işi denir fiziksel miktar, kuvvetin büyüklüğünün, cismin kuvvet yönünde kat ettiği mesafenin ürününe eşit.

Şekil 2. İş fiziksel bir niceliktir

Formül, vücuda sabit bir kuvvet etki ettiğinde geçerlidir.

AT uluslararası sistem SI birimleri çalışması joule cinsinden ölçülür.

Bu, bir cisim 1 Newton'luk bir kuvvetin etkisi altında 1 metre hareket ederse, bu kuvvet tarafından 1 joule iş yapıldığı anlamına gelir.

İş birimi, İngiliz bilim adamı James Prescott Joule'nin adını almıştır.

Şekil 3. James Prescott Joule (1818 - 1889)

İşi hesaplama formülünden, işin sıfıra eşit olduğu üç durum olduğunu takip eder.

İlk durum, vücuda bir kuvvet etki ettiğinde, ancak vücut hareket etmediğinde. Örneğin, bir eve büyük bir yerçekimi kuvveti etki eder. Ama ev hareketsiz olduğu için çalışmıyor.

İkinci durum, cismin ataletle hareket etmesidir, yani üzerinde hiçbir kuvvet etki etmez. Örneğin, uzay gemisi galaksiler arası uzayda hareket ediyor.

Üçüncü durum, cismin hareket yönüne dik bir kuvvetin cisme etki etmesidir. Bu durumda cismin hareket etmesine ve kuvvetin ona etki etmesine rağmen cismin hareketi yoktur. kuvvet yönünde.

Şekil 4. İşin sıfıra eşit olduğu üç durum

Bir kuvvetin işinin negatif olabileceği de söylenmelidir. Yani vücudun hareketi gerçekleşirse olacak kuvvetin yönüne karşı. Örneğin, bir vinç bir kablo ile yerden bir yükü kaldırdığında, yerçekimi işi negatiftir (ve aksine, kablonun yukarı doğru kuvvetinin işi pozitiftir).

Diyelim ki, inşaat işi yaparken çukurun kumla kaplanması gerekiyor. Bunu yapmak için bir ekskavatörün birkaç dakikaya ihtiyacı olacak ve kürekle çalışan bir işçinin birkaç saat çalışması gerekecekti. Ancak hem ekskavatör hem de işçi aynı iş.

Şekil 5. Aynı iş farklı zamanlarda yapılabilir

Fizikte işin hızını karakterize etmek için güç adı verilen bir miktar kullanılır.

Güç, işin gerçekleştirilme zamanına oranına eşit fiziksel bir miktardır.

Güç bir Latin harfi ile gösterilir N.

SI güç birimi watt'tır.

Bir watt, bir saniyede bir joule işin yapıldığı güçtür.

Güç birimi, İngiliz bilim adamı ve buhar makinesinin mucidi James Watt'ın adını almıştır.

Şekil 6. James Watt (1736 - 1819)

İş hesaplama formülünü, güç hesaplama formülüyle birleştirin.

Şimdi hatırlayın ki, cismin kat ettiği yolun oranı, S, hareket zamanına göre t vücudun hızıdır v.

Böylece, güç, kuvvetin sayısal değeri ile cismin kuvvet yönündeki hızının çarpımına eşittir..

Bu formül, bilinen bir hızda hareket eden bir cisme bir kuvvetin etki ettiği problemleri çözerken kullanışlıdır.

bibliyografya

Lukashik V.I., Ivanova E.V. 7-9. sınıflar için fizikteki görevlerin toplanması Eğitim Kurumları. - 17. baskı. - M.: Aydınlanma, 2004.
Peryshkin A.V. Fizik. 7 hücre - 14. baskı, klişe. - M.: Toy kuşu, 2010.
Peryshkin A.V. Fizikteki problemlerin toplanması, 7-9. sınıflar: 5. baskı, klişe. - M: Sınav Yayınevi, 2010.

İnternet portalı Physics.ru ().
İnternet portalı Festival.1september.ru ().
İnternet portalı Fizportal.ru ().
İnternet portalı Elkin52.narod.ru ().

Ev ödevi

İş ne zaman sıfıra eşittir?
Kuvvet yönünde gidilen yolda yapılan iş nedir? Ters yönde mi?
0,4 m hareket ettiğinde tuğlaya etkiyen sürtünme kuvvetinin yaptığı iş nedir? Sürtünme kuvveti 5 N'dir.

AT Gündelik Yaşamİş kavramıyla sık sık karşılaşırız. Bu kelime fizikte ne anlama geliyor ve elastik bir kuvvetin işi nasıl belirlenir? Bu soruların cevaplarını yazıda bulacaksınız.

mekanik iş

İş, kuvvet ve yer değiştirme arasındaki ilişkiyi karakterize eden skaler cebirsel bir niceliktir. Bu iki değişkenin yönü çakışırsa aşağıdaki formülle hesaplanır:

F- işi yapan kuvvet vektörünün modülü;
S- yer değiştirme vektör modülü.

Vücuda etki eden kuvvet her zaman iş yapmaz. Örneğin, yönü vücudun hareketine dik ise yerçekimi işi sıfırdır.

Kuvvet vektörü, yer değiştirme vektörü ile sıfır olmayan bir açı oluşturuyorsa, işi belirlemek için başka bir formül kullanılmalıdır:

A=FScosα

α - kuvvet ve yer değiştirme vektörleri arasındaki açı.

Anlamına geliyor, mekanik iş kuvvetin yer değiştirme yönündeki izdüşümü ile yer değiştirme modülünün veya yer değiştirmenin kuvvet yönünde izdüşümünün ve bu kuvvetin modülünün ürünüdür.

mekanik iş işareti

Cismin yer değiştirmesine göre kuvvetin yönüne bağlı olarak, A işi şu şekilde olabilir:

pozitif (0°≤ α<90°);
olumsuz (90°<α≤180°);
sıfır (α=90°).

A>0 ise cismin hızı artar. Bir örnek, bir ağaçtan yere düşen bir elmadır. Bir için<0 сила препятствует ускорению тела. Например, действие силы трения скольжения.

SI'da (Uluslararası Birimler Sistemi) işin ölçü birimi Joule'dür (1N*1m=J). Joule, bir cisim kuvvet yönünde 1 metre hareket ettiğinde değeri 1 Newton olan bir kuvvetin işidir.

Elastik kuvvetin işi

Bir kuvvetin işi grafiksel olarak da belirlenebilir. Bunun için eğrisel şeklin F s (x) grafiği altındaki alanı hesaplanır.

Böylece, elastik kuvvetin yayın uzamasına bağımlılığının grafiğine göre, elastik kuvvetin işi için formül türetmek mümkündür.

Şuna eşittir:

A=kx 2/2

k- sertlik;
x- mutlak uzama.

Ne öğrendik?

Mekanik iş, bir cisme etki eden ve cismin hareketine yol açan bir kuvvet olduğunda gerçekleştirilir. Kuvvet ve yer değiştirme arasındaki açıya bağlı olarak, iş sıfır olabilir veya negatif veya pozitif işaretli olabilir. Örnek olarak elastik kuvveti kullanarak, işi belirlemenin grafiksel bir yolunu öğrendiniz.

Konu testi

Rapor Değerlendirmesi

Ortalama puanı: 4.4. Alınan toplam puan: 247.

Mekaniğin en önemli kavramlarından biri iş gücü .

Zorla çalışma

Çevremizdeki dünyadaki tüm fiziksel bedenler güç tarafından yönlendirilir. Aynı veya zıt yönde hareket eden bir cisim, bir veya daha fazla cisimden gelen bir kuvvet veya birkaç kuvvetten etkileniyorsa, derler ki: iş bitti .

Yani mekanik iş cisme etki eden kuvvet tarafından yapılır. Böylece, bir elektrikli lokomotifin çekiş kuvveti, tüm treni harekete geçirir ve böylece mekanik iş gerçekleştirir. Bisiklet, bisikletçinin bacaklarının kas gücüyle hareket eder. Bu nedenle, bu kuvvet aynı zamanda mekanik iş yapar.

fizikte kuvvet işi kuvvet modülünün, kuvvet uygulama noktasının yer değiştirme modülünün ve kuvvet ile yer değiştirme vektörleri arasındaki açının kosinüsünün çarpımına eşit bir fiziksel nicelik olarak adlandırılır.

A = F s cos (F, s) ,

nerede F kuvvet modülü,

s- hareket modülü .

Kuvvet rüzgarları ile yer değiştirme arasındaki açı sıfıra eşit değilse, her zaman iş yapılır. Kuvvet, hareket yönünün tersi yönde etki ederse, iş miktarı negatiftir.

Vücuda hiçbir kuvvet etki etmiyorsa veya uygulanan kuvvet ile hareket yönü arasındaki açı 90 o ise (cos 90 o \u003d 0) iş yapılmaz.

At arabayı çekerse, atın kas kuvveti veya arabaya doğru yönlendirilen çekiş kuvveti işi yapar. Ve sürücünün arabaya bastığı yerçekimi kuvveti, hareket yönüne dik olarak aşağıya doğru yönlendirildiği için hiçbir işe yaramaz.

Bir kuvvetin işi skaler bir büyüklüktür.

SI iş birimi - joule. 1 joule, kuvvetin yönü ile yer değiştirmenin aynı olması durumunda 1 m mesafede 1 newtonluk bir kuvvetin yaptığı iştir.

Bir cisme veya maddesel bir noktaya birden fazla kuvvet etki ediyorsa, bu kuvvetler bileşke kuvvetlerinin yaptığı işten bahsederler.

Uygulanan kuvvet sabit değilse, işi bir integral olarak hesaplanır:

Güç

Vücudu harekete geçiren kuvvet mekanik iş yapar. Ancak bu işin nasıl yapıldığını, hızlı veya yavaş, bazen pratikte bilmek çok önemlidir. Sonuçta, aynı iş farklı zamanlarda yapılabilir. Büyük bir elektrik motorunun yaptığı iş, küçük bir motor tarafından yapılabilir. Ama bunu yapması çok daha uzun sürecek.

Mekanikte, işin hızını karakterize eden bir nicelik vardır. Bu değer denir güç.

Güç, belirli bir süre içinde yapılan işin bu sürenin değerine oranıdır.

N= bir / ∆ t

Tanım olarak bir = F s çünkü α , a s/∆ t = v , Sonuç olarak