Что это - работа в физике? Энергия и работа. Формула. Работа газов и сил трения

Каждому человеку из своего жизненного опыта известно, что для подъема груза на определенную высоту или для его переноса на некоторое расстояние необходимо приложить определенное усилие. С физической точки зрения говорят, что следует совершить некоторую работу. Что это - работа в физике, рассмотрим подробнее в статье.

Энергия и работа

Рассматривая вопрос, что это - работа в физике, следует в первую очередь вспомнить о понятии энергии. Так, каждый школьник знает, что поднятое над поверхностью земли тело обладает потенциальной энергией, а движущийся с некоторой скоростью предмет характеризуется энергией кинетической. Если вспомнить физику газов, то здесь на первый план выходит внутренняя энергия системы. В чем смысл всех этих типов энергий? С точки зрения физики энергия - это возможность совершить работу. Последняя не может быть выполнена без наличия энергетических запасов любого вида у тела. Например, если предмет находится в потенциальной яме некоторого внешнего поля (электрического, гравитационного) и не обладает кинетической энергией, то он не может выполнить над другим телом какую-либо работу.

Выполненная работа проявляется в изменении пространственных координат тела или его геометрических размеров. Так, работа по перемещению груза - это изменение пространственных координат последнего, а расширение газа - это изменение габаритов самой системы. Заметим, что понятие работы всегда предполагает наличие механического перемещения тела или его частей. Если же некоторый тип энергии был затрачен на нагрев другого тела, то в таком случае говорят об изменении внутреннего состояния последнего, а не о выполненной работе первого.

Формула работы в физике

Поскольку рассматриваемая величина является физической, то для ее вычисления существует конкретная формула. Согласно определению работы в физике, она представляет собой определяемую в соответствии со следующим равенством величину:

A = (F¯*L¯)

Это равенство говорит о том, что работа осуществляется с помощью действующей на тело силы F¯. Эта сила вызывает перемещение тела на вектор L¯. Скалярное произведение этих величин будет работой A. Поскольку рассматривается именно скалярное произведение, то работу совершает только проекция вектора F¯ на вектор перемещения L¯. Если записать в явном виде формулу работы в физике, то получится следующее выражение:

A = F*L*cos(φ)

Где φ является углом между рассмотренными векторами.

Таким образом, мы выяснили, что всякая работа в физике - это результат действия некоторой силы по изменению параметров тела и его координат в пространстве.

Единицы измерения величины A

В чем в физике измеряется работа? Из записанных в пункте выше выражений следует, что ее единицей является ньютон на метр (Н*м). Последняя называется джоулем (Дж). Отметим, что единица Н*м зарезервирована для количественного определения крутящего момента.

Напомним, что энергия также измеряется в Джоулях. Последнее является неудивительным, ведь работа отражает перевод разных видов энергии в механическое движение тел.

Работа газов

Газы являются текучими субстанциями, которые ни форму, ни объем не сохраняют при минимальном внешнем воздействии на них. Если газовую систему нагревать, то увеличение кинетической энергии ее атомов и молекул приводит к возрастанию давления. Последнее заставляет всю систему расширяться. Когда газ расширяется, то говорят, что он совершает положительную работу. Наоборот, сжатие системы соответствует отрицательной работе. Если воспользоваться записанным выше выражением для A, то в случае газов оно примет следующую форму:

A = ∫_V(P*dV)

Вспоминая геометрический смысл интеграла, можно сказать, что для газа в физике работа - это площадь под кривой давления, изображенной на плоском графике в осях P-V.

В общем случае давление является функцией объема, поэтому данный интеграл нельзя представить в явном виде. Тем не менее для некоторых случаев это оказывается возможным. Например, для изобарного процесса получаем такое выражение для A:

A = P*(V₂ - V₁)

Где V₂ и V₁ - конечный и начальный объемы системы.

Силы трения и работа

Как известно, во время абсолютно любого механического движения тела в какой-либо среде или по твердой поверхности возникают силы трения. Поскольку они действуют в процессе перемещения тела и препятствуют ему, то совершают они всегда отрицательную работу. Рассчитать ее можно так:

A = -F_t*L

Где сила трения F_t рассчитывается по соответствующей формуле. Например, при скольжении поверхностей твердых тел друг по другу для ее вычисления используют такое равенство:

F_t = µ*N

Здесь µ и N - коэффициент трения и реакция опоры соответственно.

Во время перемещения тела в текучей субстанции (в жидкости или газе) величина F_t зависит от скорости тела прямо пропорционально или пропорционально ее квадрату. Этот факт означает, что отрицательная работа сил трения в текучих субстанциях быстро увеличивается с повышением скорости движения тела в них.

Силы трения в абсолютном большинстве случаев являются причиной снижения КПД разных механизмов и систем, включая такие простые устройства, как рычаг или блок.