Формулы работы: Недопустимое название — Викиверситет

{2}}{2}(1)$$

Действие силы на материальную точку можно охарактеризовать не только с помощью изменения скорости движения тела, но при помощи величины перемещения, которое совершает рассматриваемое тело под действием силы ($\bar{F}$).

Элементарная работа

Элментарная реабота $(\delta A)$ некоторой силы $\bar{F}$ определяется как скалярное произведение:

$$\delta A=\bar{F} \cdot d \bar{r}=F \cdot d s \cdot \cos \alpha(2)$$

$\bar{r}$ радиус – вектор точки, к которой приложена сила, $\bar{r}$ – элементарное перемещение точки по траектории, $\alpha$ – угол между векторами $d s=|d \bar{r}|$ и $d \bar{r}$. Если $\alpha$ является тупым углом работа меньше нуля, если угол $\alpha$ острый, то работа положительная, при $\alpha=\frac{\pi}{2} \delta A=0$

В декартовых координатах формула (2) имеет вид:

$$\delta A=F_{x} d x+F_{y} d y+F_{z} d z(3)$$

где F_x,F_y,F_z – проекции вектора $\bar{F}$ на декартовы оси.

При рассмотрении работы силы, приложенной к материальной точке можно использовать формулу:

$$\delta A=\bar{F} \bar{v} d t=\bar{v} d \bar{p}(4)$$

где $\bar{v}$ – скорость материальной точки, $\bar{p}$ – импульс материальной точки. {2}}{2}(1)$$

Действие силы на материальную точку можно охарактеризовать не только с помощью изменения скорости движения тела, но при помощи величины перемещения, которое совершает рассматриваемое тело под действием силы ($\bar{F}$).

Элементарная работа

Элментарная реабота $(\delta A)$ некоторой силы $\bar{F}$ определяется как скалярное произведение:

$$\delta A=\bar{F} \cdot d \bar{r}=F \cdot d s \cdot \cos \alpha(2)$$

$\bar{r}$ радиус – вектор точки, к которой приложена сила, $\bar{r}$ – элементарное перемещение точки по траектории, $\alpha$ – угол между векторами $d s=|d \bar{r}|$ и $d \bar{r}$. Если $\alpha$ является тупым углом работа меньше нуля, если угол $\alpha$ острый, то работа положительная, при $\alpha=\frac{\pi}{2} \delta A=0$

В декартовых координатах формула (2) имеет вид:

$$\delta A=F_{x} d x+F_{y} d y+F_{z} d z(3)$$

где F_x,F_y,F_z – проекции вектора $\bar{F}$ на декартовы оси.

При рассмотрении работы силы, приложенной к материальной точке можно использовать формулу:

$$\delta A=\bar{F} \bar{v} d t=\bar{v} d \bar{p}(4)$$

где $\bar{v}$ – скорость материальной точки, $\bar{p}$ – импульс материальной точки.

{2}}{2}(1)$$

Действие силы на материальную точку можно охарактеризовать не только с помощью изменения скорости движения тела, но при помощи величины перемещения, которое совершает рассматриваемое тело под действием силы ($\bar{F}$).

Элементарная работа

Элментарная реабота $(\delta A)$ некоторой силы $\bar{F}$ определяется как скалярное произведение:

$$\delta A=\bar{F} \cdot d \bar{r}=F \cdot d s \cdot \cos \alpha(2)$$

$\bar{r}$ радиус – вектор точки, к которой приложена сила, $\bar{r}$ – элементарное перемещение точки по траектории, $\alpha$ – угол между векторами $d s=|d \bar{r}|$ и $d \bar{r}$. Если $\alpha$ является тупым углом работа меньше нуля, если угол $\alpha$ острый, то работа положительная, при $\alpha=\frac{\pi}{2} \delta A=0$

В декартовых координатах формула (2) имеет вид:

$$\delta A=F_{x} d x+F_{y} d y+F_{z} d z(3)$$

где F_x,F_y,F_z – проекции вектора $\bar{F}$ на декартовы оси.

При рассмотрении работы силы, приложенной к материальной точке можно использовать формулу:

$$\delta A=\bar{F} \bar{v} d t=\bar{v} d \bar{p}(4)$$

где $\bar{v}$ – скорость материальной точки, $\bar{p}$ – импульс материальной точки.

{4}$$

Ответ. n=4

Читать дальше: Формула силы Ампера.

Формула для нахождения работы. Формула работы

Обратите внимание, что у работы и энергии одинаковые единицы измерения. Это означает, что работа может переходить в энергию. Например, для того, чтобы тело поднять на некоторую высоту, тогда оно будет обладать потенциальной энергией , необходима сила, которая совершит эту работу. Работа силы по поднятию перейдет в потенциальную энергию.

Правило определения работы по графику зависимости F(r): работа численно равна площади фигуры под графиком зависимости силы от перемещения.

Угол между вектором силы и перемещением

1) Верно определяем направление силы, которая выполняет работу; 2) Изображаем вектор перемещения; 3) Переносим вектора в одну точку, получаем искомый угол.

На рисунке на тело действуют сила тяжести (mg), реакция опоры (N), сила трения (Fтр) и сила натяжения веревки F, под воздействием которой тело совершает перемещение r.

Работа силы тяжести

Работа реакции опоры

Работа силы трения

Работа силы натяжения веревки

Работа равнодействующей силы

Работу равнодействующей силы можно найти двумя способами: 1 способ – как сумму работ (с учетом знаков “+” или “-“) всех действующих на тело сил, в нашем примере
2 способ – в первую очередь найти равнодействующую силу, затем непосредственно ее работу, см. рисунок

Работа силы упругости

Для нахождения работы, совершенной силой упругости, необходимо учесть, что эта сила изменяется, так как зависит от удлинения пружины. Из закона Гука следует, что при увеличении абсолютного удлинения, сила увеличивается.

Для расчета работы силы упругости при переходе пружины (тела) из недеформированного состояния в деформированное используют формулу

Мощность

Скалярная величина, которая характеризует быстроту выполнения работы (можно провести аналогию с ускорением , которое характеризует быстроту изменения скорости).

Определяется по формуле

Коэффициент полезного действия

КПД – это отношение полезной работы, совершенной машиной, ко всей затраченной работе (подведенной энергии) за то же время

Коэффициент полезного действия выражается в процентах. Чем ближе это число к 100%, тем выше производительность машины. Не может быть КПД больше 100, так как невозможно выполнить больше работы, затратив меньше энергии.

КПД наклонной плоскости – это отношение работы силы тяжести, к затраченной работе по перемещению вдоль наклонной плоскости.

Главное запомнить

1) Формулы и единицы измерения;
2) Работу выполняет сила;
3) Уметь определять угол между векторами силы и перемещения

Если работа силы при перемещении тела по замкнутому пути равна нулю, то такие силы называют консервативными или потенциальными . Работа силы трения при перемещении тела по замкнутому пути никогда не равна нулю. Сила трения в отличие от силы тяжести или силы упругости является неконсервативной или непотенциальной .

Есть условия, при которых нельзя использовать формулу
Если сила является переменной, если траектория движения является кривой линией. В этом случае путь разбивается на малые участки, для которых эти условия выполняются, и подсчитать элементарные работы на каждом из этих участков. Полная работа в этом случае равна алгебраической сумме элементарных работ:

Значение работы некоторой силы зависит от выбора системы отсчета.

Термин «мощность» в физике имеет специфический смысл. Механическая работа может выполняться с различной скоростью. А механическая мощность обозначает, как быстро совершается эта работа. Способность правильно измерить мощность имеет важное значение для использования энергетических ресурсов.

Разные виды мощности

Для формулы механической мощности применяется следующее выражение:

В числителе формулы затраченная работа, в знаменателе – временной промежуток ее совершения. Это отношение и называется мощностью.

Существует три величины, которыми можно выразить мощность: мгновенная, средняя и пиковая:

1. Мгновенная мощность – мощностной показатель, измеренный в данный момент времени. Если рассмотреть уравнение для мощности N = ΔA/Δt , то мгновенная мощность представляет собой ту, которая берется в чрезвычайно малый промежуток времени Δt. Если имеется построенная графическая зависимость мощности от времени, то мгновенная мощность – это просто считываемое с графика значение в любой взятый момент времени. Другая запись выражения для мгновенной мощности:

1. Средняя мощность – мощностная величина, измеренная за относительно большой временной отрезок Δt;
2. Пиковая мощность – максимальное значение, которое мгновенная мощность может иметь в конкретной системе в течение определенного временного промежутка. Стереосистемы и двигатели автомобилей – примеры устройств, способных обеспечить максимальную мощность, намного выше их средней номинальной мощности. Однако поддерживать эту мощностную величину можно в течение короткого времени. Хотя для эксплуатационных характеристик устройств она может быть более важной, чем средняя мощность.

Важно! Дифференциальная форма уравнения N = dA/dt универсальна. Если механическая работа выполняется равномерно в течение времени t, то средняя мощность будет равна мгновенной.

Из общего уравнения получается запись:

где A будет общая работа за заданное время t. Тогда при равномерной работе вычисленный показатель равен мгновенной мощности, а при неравномерной –средней.

В каких единицах измеряют мощность

Стандартной единицей для измерения мощности служит Ватт (Вт), названный в честь шотландского изобретателя и промышленника Джеймса Ватта. Согласно формуле, Вт = Дж/с.

Существует еще одна единица мощности, до сих пор широко используемая, – лошадиная сила (л. с.).

Интересно. Термин «лошадиная сила» берет свое начало в 17-м веке, когда лошадей использовали для поднятия груза из шахты. Одна л. с. равна мощности для поднятия 75 кг на 1 м за 1 с. Это эквивалентно 735,5 Вт.

Мощность силы

Уравнение для мощности соединяет выполненную работу и время. Поскольку известно, что работа выполняется силами, а силы могут перемещать объекты, можно получить другое выражение для мгновенной мощности:

1. Работа, проделанная силой при перемещении:

A = F x S x cos φ.

1. Если поставить А в универсальную формулу для N , определяется мощность силы:

N = (F x S x cos φ)/t = F x V x cos φ, так как V = S/t.

1. Если сила параллельна скорости частицы, то формула принимает вид :

Мощность вращающихся объектов

Процессы, связанные с вращением объектов, могут быть описаны аналогичными уравнениями. Эквивалентом силы для вращения является крутящий момент М, эквивалент скорости V – угловая скорость ω.

Если заменить соответствующие величины, то получается формула:

M = F x r, где r – радиус вращения.

Для расчета мощности вала, вращающегося против силы, применяется формула:

N = 2π x M x n,

где n – скорость в об/с (n = ω/2π).

Отсюда получается то же упрощенное выражение:

Таким образом, двигатель может достичь высокой мощности либо при высокой скорости, либо, обладая большим крутящим моментом. Если угловая скорость ω равна нулю, то мощность тоже равна нулю, независимо от крутящего момента.

Видео

English: Wikipedia is making the site more secure. You are using an old web browser that will not be able to connect to Wikipedia in the future. Please update your device or contact your IT administrator.

中文: 维基百科正在使网站更加安全。您正在使用旧的浏览器，这在将来无法连接维基百科。请更新您的设备或联络您的IT管理员。以下提供更长，更具技术性的更新（仅英语）。

Español: Wikipedia está haciendo el sitio más seguro. Usted está utilizando un navegador web viejo que no será capaz de conectarse a Wikipedia en el futuro. Actualice su dispositivo o contacte a su administrador informático. Más abajo hay una actualización más larga y más técnica en inglés.

ﺎﻠﻋﺮﺒﻳﺓ: ويكيبيديا تسعى لتأمين الموقع أكثر من ذي قبل. أنت تستخدم متصفح وب قديم لن يتمكن من الاتصال بموقع ويكيبيديا في المستقبل. يرجى تحديث جهازك أو الاتصال بغداري تقنية المعلومات الخاص بك. يوجد تحديث فني أطول ومغرق في التقنية باللغة الإنجليزية تاليا.

Français: Wikipédia va bientôt augmenter la sécurité de son site. Vous utilisez actuellement un navigateur web ancien, qui ne pourra plus se connecter à Wikipédia lorsque ce sera fait. Merci de mettre à jour votre appareil ou de contacter votre administrateur informatique à cette fin. Des informations supplémentaires plus techniques et en anglais sont disponibles ci-dessous.

日本語: ウィキペディアではサイトのセキュリティを高めています。ご利用のブラウザはバージョンが古く、今後、ウィキペディアに接続できなくなる可能性があります。デバイスを更新するか、IT管理者にご相談ください。技術面の詳しい更新情報は以下に英語で提供しています。

Deutsch: Wikipedia erhöht die Sicherheit der Webseite. Du benutzt einen alten Webbrowser, der in Zukunft nicht mehr auf Wikipedia zugreifen können wird. Bitte aktualisiere dein Gerät oder sprich deinen IT-Administrator an. Ausführlichere (und technisch detailliertere) Hinweise findest Du unten in englischer Sprache.

Italiano: Wikipedia sta rendendo il sito più sicuro. Stai usando un browser web che non sarà in grado di connettersi a Wikipedia in futuro. Per favore, aggiorna il tuo dispositivo o contatta il tuo amministratore informatico. Più in basso è disponibile un aggiornamento più dettagliato e tecnico in inglese.

Magyar: Biztonságosabb lesz a Wikipédia. A böngésző, amit használsz, nem lesz képes kapcsolódni a jövőben. Használj modernebb szoftvert vagy jelezd a problémát a rendszergazdádnak. Alább olvashatod a részletesebb magyarázatot (angolul).

Svenska: Wikipedia gör sidan mer säker. Du använder en äldre webbläsare som inte kommer att kunna läsa Wikipedia i framtiden. Uppdatera din enhet eller kontakta din IT-administratör. Det finns en längre och mer teknisk förklaring på engelska längre ned.

हिन्दी: विकिपीडिया साइट को और अधिक सुरक्षित बना रहा है। आप एक पुराने वेब ब्राउज़र का उपयोग कर रहे हैं जो भविष्य में विकिपीडिया से कनेक्ट नहीं हो पाएगा। कृपया अपना डिवाइस अपडेट करें या अपने आईटी व्यवस्थापक से संपर्क करें। नीचे अंग्रेजी में एक लंबा और अधिक तकनीकी अद्यतन है।

We are removing support for insecure TLS protocol versions, specifically TLSv1. 0 and TLSv1.1, which your browser software relies on to connect to our sites. This is usually caused by outdated browsers, or older Android smartphones. Or it could be interference from corporate or personal “Web Security” software, which actually downgrades connection security.

You must upgrade your web browser or otherwise fix this issue to access our sites. This message will remain until Jan 1, 2020. After that date, your browser will not be able to establish a connection to our servers.

Известную формулу из физики A = Fs для определения работы силы можно использовать лишь тогда, когда на тело воздействует постоянная сила, направленная по направлению движения. Однако часто требуется определить работу тогда, когда сила изменяется с пройденным путём. Например, чтобы растянуть пружину, нужно приложить силу, которая пропорциональна пройденному пути – удлиннению пружины.

Пусть тело перемещается по отрезку [a , b ] оси Ox , при этом проекция вектора силы на ось Ox является функцией F (x ) аргумента x . Чтобы определить работу, совершённую силой, разделим отрезок [a , b ] на n частей точками a = x 0 x 1 x 2 x n = b . Таким образом, всё перемещение тела из a в b состоит из n участков пути.

Приложенная сила A будет равна сумме элементарных работ, совершённых при перемещении тела по каждому из участков пути.

Пример 1. Сжатие S винтовой пружины пропорционально приложенной силе F . Вычислить работу силы F при сжатии пружины на 5 см, если для сжатия её на 1 см нужна сила в 1 кг.

Решение. Сила F и перемещение S связаны по условию зависимостью F =kS , где k – постоянная. Будем выражать S в метрах, F – в килограммах. При S =0,01 F =1, то есть 1=k *0,01, откуда k =100, F =100S .

По формуле (1) определяем работу силы:

Пример 2. Сила F , с которой электрический заряд e 1 отталкивает заряд e 2 (того же знака), находящийся от него на расстоянии r , выражается формулой

где k – постоянная.

Вычислить работу силы F при перемещении заряда e 2 из точки A 1 , отстоящей от e 1 на расстоянии r 1 , в точку A 2 , отстоящую от e 1 на расстоянии r 2 , полагая, что заряд e 1 помещён в точке A 0 , принятой за начала отсчёта.

Решение. По формуле (1) вычисляем работу силы:

.

При получим

.

При получим . Последняя величина называется потенциалом поля, создаваемого зарядом e 1 .

Пример 3. Вычислить работу, которую нужно совершить, чтобы вытащить шарик массой 9 г из бочки, высота которой 3 м.

Механическая работа. Единицы работы.

В обыденной жизни под понятием “работа” мы понимаем всё.

В физике понятие работа несколько иное. Это определенная физическая величина, а значит, ее можно измерить. В физике изучается прежде всего механическая работа .

Рассмотрим примеры механической работы.

Поезд движется под действием силы тяги электровоза, при этом совершается механическая работа. При выстреле из ружья сила давления пороховых газов совершает работу – перемещает пулю вдоль ствола, скорость пули при этом увеличивается.

Из этих примеров видно, что механическая работа совершается, когда тело движется под действием силы. Механическая работа совершается и в том случае, когда сила, действуя на тело (например, сила трения), уменьшает скорость его движения.

Желая передвинуть шкаф, мы с силой на него надавливаем, но если он при этом в движение не приходит, то механической работы мы не совершаем. Можно представить себе случай, когда тело движется без участия сил (по инерции), в этом случае механическая работа также не совершается.

Итак, механическая работа совершается, только когда на тело действует сила, и оно движется .

Нетрудно понять, что чем большая сила действует на тело и чем длиннее путь, который проходит тело под действием этой силы, тем большая совершается работа.

Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и прямо пропорциональна пройденному пути .

Поэтому, условились измерять механическую работу произведением силы на путь, пройденный по этому направлению этой силы:

работа = сила × путь

где А – работа, F – сила и s – пройденный путь.

За единицу работы принимается работа, совершаемая силой в 1Н, на пути, равном 1 м.

Единица работы – джоуль (Дж ) названа в честь английского ученого Джоуля. Таким образом,

1 Дж = 1Н · м.

Используется также килоджоули (кДж ) .

1 кДж = 1000 Дж.

Формула А = Fs применима в том случае, когда сила F постоянна и совпадает с направлением движения тела.

Если направление силы совпадает с направлением движения тела, то данная сила совершает положительную работу.

Если же движение тела происходит в направлении, противоположном направлению приложенной силы, например, силы трения скольжения, то данная сила совершает отрицательную работу.

Если направление силы, действующей на тело, перпендикулярно направлению движения, то эта сила работы не совершает, работа равна нулю:

В дальнейшем, говоря о механической работе, мы будем кратко называть ее одним словом – работа.

Пример . Вычислите работу, совершаемую при подъеме гранитной плиты объемом 0,5 м3 на высоту 20 м. Плотность гранита 2500 кг/м 3 .

Дано :

ρ = 2500 кг/м 3

Решение :

где F -сила, которую нужно приложить, чтобы равномерно поднимать плиту вверх. Эта сила по модулю равна силе тяж Fтяж, действующей на плиту, т. е. F = Fтяж. А силу тяжести можно определить по массе плиты: Fтяж = gm. Массу плиты вычислим, зная ее объем и плотность гранита: m = ρV; s = h, т. е. путь равен высоте подъема.

Итак, m = 2500 кг/м3 · 0,5 м3 = 1250 кг.

F = 9,8 Н/кг · 1250 кг ≈ 12 250 Н.

A = 12 250 Н · 20 м = 245 000 Дж = 245 кДж.

Ответ : А =245 кДж.

Рычаги.Мощность.Энергия

На совершение одной и той же работы различным двигателям требуется разное время. Например, подъемный кран на стройке за несколько минут поднимает на верхний этаж здания сотни кирпичей. Если бы эти кирпичи перетаскивал рабочий, то ему для этого потребовалось бы несколько часов. Другой пример. Гектар земли лошадь может вспахать за 10-12 ч, трактор же с многолемешным плугом (лемех – часть плуга, подрезающая пласт земли снизу и передающая его на отвал; многолемешный – много лемехов), эту работу выполнит на 40-50 мин.

Ясно, что подъемный кран ту же работу совершает быстрее, чем рабочий, а трактор – быстрее чем лошадь. Быстроту выполнения работы характеризуют особой величиной, называемой мощностью.

Мощность равна отношению работы ко времени, за которое она была совершена.

Чтобы вычислить мощность, надо работу разделить на время, в течение которого совершена эта работа. мощность = работа/время.

где N – мощность, A – работа, t – время выполненной работы.

Мощность – величина постоянная, когда за каждую секунду совершается одинаковая работа, в других случаях отношение A/t определяет среднюю мощность:

N ср = A/t . За единицу мощности приняли такую мощность, при которой в 1 с совершается работа в Дж.

Эта единица называется ваттом (Вт ) в честь еще одного английского ученого Уатта.

1 ватт = 1 джоуль/ 1 секунда , или 1 Вт = 1 Дж/с.

Ватт (джоуль в секунду) – Вт (1 Дж/с).

В технике широко используется более крупные единицы мощности – киловатт (кВт ), мегаватт (МВт ) .

1 МВт = 1 000 000 Вт

1 кВт = 1000 Вт

1 мВт = 0,001 Вт

1 Вт = 0,000001 МВт

1 Вт = 0,001 кВт

1 Вт = 1000 мВт

Пример . Найти мощность потока воды, протекающей через плотину, если высота падения воды 25 м, а расход ее – 120 м3 в минуту.

Дано :

ρ = 1000 кг/м3

Решение :

Масса падающей воды: m = ρV ,

m = 1000 кг/м3 · 120 м3 = 120 000 кг (12 · 104 кг).

Сила тяжести, действующая на воду:

F = 9.8 м/с2 · 120 000 кг ≈ 1 200 000 Н (12 · 105 Н)

Работа, совершаемая потоком в минуту:

А – 1 200 000 Н · 25 м = 30 000 000 Дж (3 · 107 Дж).

Мощность потока: N = A/t,

N = 30 000 000 Дж / 60 с = 500 000 Вт = 0,5 МВт.

Ответ : N = 0.5 МВт.

Различные двигатели имеют мощности от сотых и десятых долей киловатта (двигатель электрической бритвы, швейной машины) до сотен тысяч киловатт (водяные и паровые турбины).

Таблица 5.

Мощность некоторых двигателей, кВт.

На каждом двигателе имеется табличка (паспорт двигателя), на которой указаны некоторые данные о двигателе, в том числе и его мощность.

Мощность человека при нормальный условиях работы в среднем равна 70-80 Вт. Совершая прыжки, взбегая по лестнице, человек может развивать мощность до 730 Вт, а в отдельных случаях и еще бóльшую.

Из формулы N = A/t следует, что

Чтобы вычислить работу, необходимо мощность умножить на время, в течение которого совершалась эта работа.

Пример. Двигатель комнатного вентилятора имеет мощность 35 Вт. Какую работу он совершает за 10 мин?

Запишем условие задачи и решим ее.

Дано :

Решение :

A = 35 Вт * 600с = 21 000 Вт* с = 21 000 Дж = 21 кДж.

Ответ A = 21 кДж.

Простые механизмы.

С незапамятных времен человек использует для совершения механической работы различные приспособления.

Каждому известно, что тяжелый предмет (камень, шкаф, станок), который невозможно сдвинуть руками, можно сдвинуть с помощью достаточно длинной палки – рычага.

На данный момент считается, что с помощью рычагов три тысячи лет назад при строительстве пирамид в Древнем Египте передвигали и поднимали на большую высоту тяжелые каменные плиты.

Во многих случаях, вместо того, чтобы поднимать тяжелый груз на некоторую высоту, его можно вкатывать или втаскивать на ту же высоту по наклонной плоскости или поднимать с помощью блоков.

Приспособления, служащие для преобразования силы, называются механизмами .

К простым механизмам относятся: рычаги и его разновидности – блок, ворот; наклонная плоскость и ее разновидности – клин, винт . В большинстве случаев простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, т. е. увеличить силу, действующую на тело, в несколько раз.

Простые механизмы имеются и в бытовых, и во всех сложных заводских и фабричных машинах, которые режут, скручивают и штампуют большие листы стали или вытягивают тончайшие нити, из которых делаются потом ткани. Эти же механизмы можно обнаружить и в современных сложных автоматах, печатных и счетных машинах.

Рычаг. Равновесие сил на рычаге.

Рассмотрим самый простой и распространенный механизм – рычаг.

Рычаг представляет собой твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры.

На рисунках показано, как рабочий для поднятия груза в качестве рычага, использует лом. В первом случае рабочий с силой F нажимает на конец лома B , во втором – приподнимает конец B .

Рабочему нужно преодолеть вес груза P – силу, направленную вертикально вниз. Он поворачивает для этого лом вокруг оси, проходящей через единственную неподвижную точку лома – точку его опоры О . Сила F , с которой рабочий действует на рычаг, меньше силы P , таким образом, рабочий получает выигрыш в силе . При помощи рычага можно поднять такой тяжелый груз, который своими силами поднять нельзя.

На рисунке изображен рычаг, ось вращения которого О (точка опоры) расположена между точками приложения сил А и В . На другом рисунке показана схема этого рычага. Обе силы F 1 и F 2, действующие на рычаг, направлены в одну сторону.

Кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила, называется плечом силы.

Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы.

Длина этого перпендикуляра и будет плечом данной силы. На рисунке показано, что ОА – плечо силы F 1; ОВ – плечо силы F 2 . Силы, действующие на рычаг могут повернуть его вокруг оси в двух направлениях: по ходу или против хода часовой стрелки. Так, сила F 1 вращает рычаг по ходу часовой стрелки, а сила F 2 вращает его против часовой стрелки.

Условие, при котором рычаг находится в равновесии под действием приложенных к нему сил, можно установить на опыте. При этом надо помнить, что результат действия силы, зависит не только от ее числового значения (модуля), но и от того, в какой точке она приложена к телу, или как направлена.

К рычагу (см рис.) по обе стороны от точки опоры подвешиваются различные грузы так, что каждый раз рычаг оставался в равновесии. Действующие на рычаг силы, равны весам этих грузов. Для каждого случая измеряются модули сил и их плечи. Из опыта изображенного на рисунке 154, видно, что сила 2 Н уравновешивает силу 4 Н . При этом, как видно из рисунка, плечо меньшей силы в 2 раза больше плеча большей силой.

На основании таких опытов было установлено условие (правило) равновесия рычага.

Рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

Это правило можно записать в виде формулы:

F 1/F 2 = l2/ l1 ,

где F 1 и F2 – силы, действующие на рычаг, l 1 и l2 , – плечи этих сил (см. рис.).

Правило равновесия рычага было установлено Архимедом около 287 – 212 гг. до н. э. (но ведь в прошлом параграфе говорилось, что рычаги использовались египтянами? Или тут важную роль играет слово “установлено”?)

Из этого правила следует, что меньшей силой можно уравновесить при помощи рычага бóльшую силу. Пусть одно плечо рычага в 3 раза больше другого (см рис.). Тогда, прикладывая в точке В силу, например, в 400 Н, можно поднять камень весом 1200 Н. Что0бы поднять еще более тяжелый груз, нужно увеличить длину плеча рычага, на которое действует рабочий.

Пример . С помощью рычага рабочий поднимает плиту массой 240 кг (см рис. 149). Какую силу прикладывает он к большему плечу рычага, равному 2,4 м, если меньшее плечо равно 0,6 м?

Запишем условие задачи, и решим ее.

Дано :

Решение :

По правилу равновесия рычага F1/F2 = l2/l1, откуда F1 = F2 l2/l1, где F2 = Р – вес камня. Вес камня asd = gm, F = 9,8 Н · 240 кг ≈ 2400 Н

Тогда, F1 = 2400 Н · 0,6/2,4 = 600 Н.

Ответ : F1 = 600 Н.

В нашем примере рабочий преодолевает силу 2400 Н, прикладывая к рычагу силу 600 Н. Но при этом плечо, на которое действует рабочий, в 4 раза длиннее того, на которое действует вес камня (l 1 : l2 = 2,4 м: 0,6 м = 4).

Применяя правило рычага, можно меньшей силой уравновесить бóльшую силу. При этом плечо меньшей силы должно быть длиннее плеча большей силы.

Момент силы.

Вам уже известно правило равновесия рычага:

F 1 / F2 = l 2 / l1 ,

Пользуясь свойством пропорции (произведение ее крайних членов, равно произведению ее средних членов), запишем его в таком виде:

F 1l 1 = F2 l2 .

В левой части равенства стоит произведение силы F 1 на ее плечо l 1, а в правой – произведение силы F 2 на ее плечо l 2 .

Произведение модуля силы, вращающей тело, на ее плечо называется моментом силы ; он обозначается буквой М. Значит,

Рычаг находится в равновесии под действием двух сил, если момент силы, вращающий его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки.

Это правило, называемое правилом моментов , можно записать в виде формулы:

М1 = М2

Действительно, в рассмотренном нами опыте, (§ 56) действующие силы были равны 2 Н и 4 Н, их плечи соответственно составляли 4 и 2 давления рычага, т. е. моменты этих сил одинаковы при равновесии рычага.

Момент силы, как и всякая физическая величина, может быть измерена. За единицу момента силы принимается момент силы в 1 Н, плечо которой ровно 1 м.

Эта единица называется ньютон-метр (Н · м ).

Момент силы характеризует действие силы, и показывает, что оно зависит одновременно и от модуля силы, и от ее плеча. Действительно, мы уже знаем, например, что действие силы на дверь зависит и от модуля силы, и от того, где приложена сила. Дверь тем легче повернуть, чем дальше от оси вращения приложена действующая на нее сила. Гайку, лучше отвернуть длинным гаечным ключом, чем коротким. Ведро тем легче поднять из колодца, чем длиннее ручка вóрота, и т. д.

Рычаги в технике, быту и природе.

Правило рычага (или правило моментов) лежит в основе действия различного рода инструментов и устройств, применяемых в технике и быту там, где требуется выигрыш в силе или в пути.

Выигрыш в силе мы имеем при работе с ножницами. Ножницы – это рычаг (рис), ось вращения которого, происходит через винт, соединяющий обе половины ножниц. Действующей силой F 1 является мускульная сила руки человека, сжимающего ножницы. Противодействующей силой F 2 – сила сопротивления такого материала, который режут ножницами. В зависимости от назначения ножниц их устройство бывает различным. Конторские ножницы, предназначенные для резки бумаги, имеют длинные лезвия и почти такой же длины ручки. Для резки бумаги не требуется большой силы, а длинным лезвием удобнее резать по прямой линии. Ножницы для резки листового металла (рис.) имеют ручки гораздо длиннее лезвий, так как сила сопротивления металла велика и для ее уравновешивания плечо действующей силы приходится значительно увеличивать. Еще больше разница между длиной ручек и расстоянии режущей части и оси вращения в кусачках (рис.), предназначенных для перекусывания проволоки.

Рычаги различного вида имеются у многих машин. Ручка швейной машины, педали или ручной тормоз велосипеда, педали автомобиля и трактора, клавиши пианино – все это примеры рычагов, используемых в данных машинах и инструментах.

Примеры применения рычагов – это рукоятки тисков и верстаков, рычаг сверлильного станка и т. д.

На принципе рычага основано действие и рычажных весов (рис.). Учебные весы, изображенные на рисунке 48 (с. 42), действуют как равноплечий рычаг . В десятичных весах плечо, к которому подвешена чашка с гирями, в 10 раз длиннее плеча, несущего груз. Это значительно упрощает взвешивание больших грузов. Взвешивая груз на десятичных весах, следует умножить массу гирь на 10.

Устройство весов для взвешивания грузовых вагонов автомобилей также основано на правиле рычага.

Рычаги встречаются также в разных частях тела животных и человека. Это, например, руки, ноги, челюсти. Много рычагов можно найти в теле насекомых (прочитав книгу про насекомых и строение их тела), птиц, в строении растений.

Применение закона равновесия рычага к блоку.

Блок представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме. По желобу блока пропускается веревка, трос или цепь.

Неподвижным блоком называется такой блок, ось которого закреплена, и при подъеме грузов не поднимается и не опускается (рис).

Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса (рис): ОА = ОВ = r . Такой блок не дает выигрыша в силе. (F 1 = F 2), но позволяет менять направление действие силы. Подвижный блок – это блок. ось которого поднимается и опускается вместе с грузом (рис.). На рисунке показан соответствующий ему рычаг: О – точка опоры рычага, ОА – плечо силы Р и ОВ – плечо силы F . Так как плечо ОВ в 2 раза больше плеча ОА , то сила F в 2 раза меньше силы Р :

F = P/2 .

Таким образом, подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза .

Это можно доказать и пользуясь понятием момента силы. При равновесии блока моменты сил F и Р равны друг другу. Но плечо силы F в 2 раза больше плеча силы Р , а, значит, сама сила F в 2 раза меньше силы Р .

Обычно на практике применяют комбинацию неподвижного блока с подвижным (рис.). Неподвижный блок применяется только для удобства. Он не дает выигрыша в силе, но изменяет направление действия силы. Например, позволяет поднимать груз, стоя на земле. Это пригождается многим людям или рабочим. Тем не менее, он даёт выигрыш в силе в 2 раза больше обычного!

Равенство работ при использовании простых механизмов.

“Золотое правило” механики.

Рассмотренные нами простые механизмы применяются при совершении работы в тех случаях, когда надо действием одной силы уравновесить другую силу.

Естественно, возникает вопрос: давая выигрыш в силе или пути, не дают ли простые механизмы выигрыша в работе? Ответ на поставленный вопрос можно получить из опыта.

Уравновесив на рычаге две какие-нибудь разные по модулю силы F 1 и F 2 (рис.), приводим рычаг в движение. При этом оказывается, что за одно и то же время точка приложения меньшей силы F 2 проходит больший путь s 2 , а точка приложения большей силы F 1 – меньший путь s 1. Измерив эти пути и модули сил, находим, что пути, пройденные точками приложения сил на рычаге, обратно пропорциональны силам:

s 1 / s 2 = F 2 / F 1.

Таким образом, действуя на длинное плечо рычага, мы выигрываем в силе, но при этом во столько же раз проигрываем в пути.

Произведение силы F на путь s есть работа. Наши опыты показывают, что работы, совершаемые силами, приложенными к рычагу, равны друг другу:

F 1 s 1 = F 2 s 2, т. е. А 1 = А 2.

Итак, при использовании рычага выигрыша в работе не получится.

Пользуясь рычагом, мы можем выиграть или в силе, или в расстоянии. Действуя же силой на короткое плечо рычага, мы выигрываем в расстоянии, но во столько же раз проигрываем в силе.

Существует легенда, что Архимед, восхищенный открытием правила рычага, воскликнул: “Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!”.

Конечно, Архимед не мог бы справиться с такой задачей, если бы даже ему и дали бы точку опоры (которая должна была бы быть вне Земли) и рычаг нужной длины.

Для подъема земли всего на 1 см длинное плечо рычага должно было бы описать дугу огромной длины. Для перемещения длинного конца рычага по этому пути, например, со скоростью 1 м/с, потребовались бы миллионы лет!

Не дает выигрыша в работе и неподвижный блок, в чем легко убедиться на опыте (см. рис.). Пути, проходимые точками приложения сил F и F , одинаковы, одинаковы и силы, а значит, одинаковы и работы.

Можно измерить и сравнить между собой работы, совершаемые с помощью подвижного блока. Чтобы при помощи подвижного блока поднять груз на высоту h, необходимо конец веревки, к которому прикреплен динамометр, как показывает опыт (рис.), переместить на высоту 2h.

Таким образом, получая выигрыш в силе в 2 раза, проигрывают в 2 раза в пути, следовательно, и подвижный блок, на дает выигрыша в работе.

Многовековая практика показала, что ни один из механизмов не дает выигрыш в работе. Применяют же различные механизмы для того, чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или в пути.

Уже древним ученым было известно правило, применимое ко всем механизмом: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Это правило назвали “золотым правилом” механики.

Коэффициент полезного действия механизма.

Рассматривая устройство и действие рычага, мы не учитывали трение, а также вес рычага. в этих идеальных условиях работа, совершенная приложенной силой (эту работу мы будем называть полной ), равна полезной работе по подъему грузов или преодоления какого – либо сопротивления.

На практике совершенная с помощью механизма полная работа всегда несколько больше полезной работы.

Часть работы совершается против силы трения в механизме и по перемещению его отдельных частей. Так, применяя подвижный блок, приходится дополнительно совершать работу по подъему самого блока, веревки и по определению силы трения в оси блока.

Какой мы механизм мы не взяли, полезная работа, совершенная с его помощью, всегда составляет лишь часть полной работы. Значит, обозначив полезную работу буквой Ап, полную(затраченную) работу буквой Аз, можно записать:

Ап

Отношение полезной работы к полной работе называется коэффициентом полезного действия механизма.

Сокращенно коэффициент полезного действия обозначается КПД.

КПД = Ап / Аз.

КПД обычно выражается в процентах и обозначается греческой буквой η, читается он как “эта”:

η = Ап / Аз · 100%.

Пример : На коротком плече рычага подвешен груз массой 100 кг. Для его подъема к длинному плечу приложена сила 250 Н. Груз подняли на высоту h2 = 0,08 м, при этом точка приложения движущей силы опустилась на высоту h3 = 0,4 м. Найти КПД рычага.

Запишем условие задачи и решим ее.

Дано :

Решение :

η = Ап / Аз · 100%.

Полная (затраченная) работа Аз = Fh3.

Полезная работа Ап = Рh2

Р = 9,8 · 100 кг ≈ 1000 Н.

Ап = 1000 Н · 0,08 = 80 Дж.

Аз = 250 Н · 0,4 м = 100 Дж.

η = 80 Дж/100 Дж · 100% = 80%.

Ответ : η = 80%.

Но “золотое правило” выполняется и в этом случае. Часть полезной работы – 20% ее-расходуется на преодоление трения в оси рычага и сопротивления воздуха, а также на движение самого рычага.

КПД любого механизма всегда меньше 100%. Конструируя механизмы, люди стремятся увеличить их КПД. Для этого уменьшаются трение в осях механизмов и их вес.

Энергия.

На заводах и фабриках, станки и машины приводятся в движения с помощью электродвигателей, которые расходуют при этом электрическую энергию (отсюда и название).

Сжатая пружина (рис), распрямляясь, совершить работу, поднять на высоту груз, или заставить двигаться тележку. Поднятый над землей неподвижный груз не совершает работы, но если этот груз упадет, он может совершить работу (например, может забить в землю сваю). Способностью совершить работу обладает и всякое движущееся тело. Так, скатившийся с наклонной плоскости стальной шарик А (рис), ударившись о деревянный брусок В, передвигает его на некоторое расстояние. При этом совершается работа. Если тело или несколько взаимодействующих между собой тел (система тел) могут совершить работу, говорится, что они обладают энергией. Энергия – физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело (или несколько тел). Энергия выражается в системе СИ в тех же единицах, что и работу, т. е. в джоулях . Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает. При совершении работы энергия тел изменяется. Совершенная работа равна изменению энергии. Потенциальная и кинетическая энергия. Потенциальной (от лат. потенция – возможность) энергией называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел и частей одного и того же тела. Потенциальной энергией, например, обладает тело, поднятое относительно поверхности Земли, потому что энергия зависит от взаимного положения его и Земли. и их взаимного притяжения. Если считать потенциальную энергию тела, лежащего на Земле, равной нулю, то потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту, определится работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю. Обозначим потенциальную энергию тела Е п, поскольку Е = А , а работа, как мы знаем, равна произведению силы на путь, то А = Fh , где F – сила тяжести. Значит, и потенциальная энергия Еп равна: Е = Fh, или Е = gmh, где g – ускорение свободного падения, m – масса тела, h – высота, на которую поднято тело. Огромной потенциальной энергией обладает вода в реках, удерживаемая плотинами. Падая вниз, вода совершает работу, приводя в движение мощные турбины электростанций. Потенциальную энергию молота копра (рис.) используют в строительстве для совершению работы по забиванию свай. Открывая дверь с пружиной, совершается работа по растяжению (или сжатию) пружины. За счет приобретенной энергии пружина, сокращаясь (или распрямляясь), совершает работу, закрывая дверь. Энергию сжатых и раскрученных пружин используют, например, в ручных часах, разнообразных заводных игрушках и пр. Потенциальной энергией обладает всякое упругое деформированное тело. Потенциальную энергию сжатого газа используют в работе тепловых двигателей, в отбойных молотках, которые широко применяют в горной промышленности, при строительстве дорог, выемке твердого грунта и т. д. Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической (от греч. кинема – движение) энергией. Кинетическая энергия тела обозначается буквой Е к. Движущаяся вода, приводя во вращение турбины гидроэлектростанций, расходует свою кинетическую энергию и совершает работу. Кинетической энергией обладает и движущийся воздух – ветер. От чего зависит кинетическая энергия? Обратимся к опыту (см. рис.). Если скатывать шарик А с разных высот, то можно заметить, что чем с большей высоты скатывается шарик, тем больше его скорость и тем дальше он продвигает брусок, т. е. совершает большую работу. Значит, кинетическая энергия тела зависит от его скорости. За счет скорости большой кинетической энергией обладает летящая пуля. 2 /2, где m – масса тела, v – скорость движения тела. Кинетическую энергию тел используют в технике. Удерживаемая плотиной вода обладает, как было уже сказано, большой потенциальной энергией. При падении с плотины вода движется и имеет такую же большую кинетическую энергию. Она приводит в движение турбину, соединенную с генератором электрического тока. За счет кинетической энергии воды вырабатывается электрическая энергия. Энергия движущейся воды имеет большое значение в народном хозяйстве. Эту энергию используют с помощью мощных гидроэлектростанций. Энергия падающей воды является экологически чистым источником энергии в отличие от энергии топлива. Все тела в природе относительно условного нулевого значения обладают либо потенциальной, либо кинетической энергией, а иногда той и другой вместе. Например, летящий самолет обладает относительно Земли и кинетической и потенциальной энергией. Мы познакомились с двумя видами механической энергии. Иные виды энергии (электрическая, внутренняя и др.) будут рассмотрены в других разделах курса физики. Превращение одного вида механической энергии в другой. Явление превращения одного вида механической энергии в другой очень удобно наблюдать на приборе, изображенном на рисунке. Накручивая на ось нить, поднимают диск прибора. Диск, поднятый вверх, обладает некоторой потенциальной энергией. Если его отпустить, то он, вращаясь, начнет падать. По мере падения потенциальная энергия диска уменьшается, но вместе с тем возрастает его кинетическая энергия. В конце падения диск обладает таким запасом кинетической энергии, что может опять подняться почти до прежней высоты. (Часть энергии расходуется на работу против силы трения, поэтому диск не достигает первоначальной высоты.) Поднявшись вверх, диск снова падает, а затем снова поднимается. В этом опыте при движении диска вниз его потенциальная энергия превращается в кинетическую, а при движении вверх кинетическая превращается в потенциальную. Превращение энергии из одного вида в другой происходит также при ударе двух каких-нибудь упругих тел, например резинового мяча о пол или стального шарика о стальную плиту. Если поднять над стальной плитой стальной шарик (рис) и выпустить его из рук, он будет падать. По мере падения шарика его потенциальная энергия убывает, а кинетическая растет, так как увеличивается скорость движения шарика. При ударе шарика о плиту произойдет сжатие как шарика, так и плиты. Кинетическая энергия, которой шарик обладал, превратится в потенциальную энергию сжатой плиты и сжатого шарика. Затем благодаря действию упругих сил плита и шарик, примут свою первоначальную форму. Шарик отскочит от плиты, а их потенциальная энергия вновь превратится в кинетическую энергию шарика: шарик отскочит вверх со скоростью, почти равной скорости, которой обладал в момент удара о плиту. При подъеме вверх скорость шарика, а значит, и его кинетическая энергия уменьшаются, потенциальная энергия увеличивается. отскочив от плиты, шарик поднимается почти до той же высоты, с которой начал падать. В верхней точке подъема вся его кинетическая энергия вновь превратится в потенциальную. Явления природы обычно сопровождается превращением одного вида энергии в другой. Энергия может и передаваться от одного тела к другому. Так, например, при стрельбе из лука потенциальная энергия натянутой тетивы переходит в кинетическую энергию летящей стрелы.

Механическая работа. Мощность | Физика

1. Определение работы

С механической работой (работой силы) вы уже знакомы из курса физики основной школы. Напомним приведенное там определение механической работы для следующих случаев.

Если сила направлена так же, как перемещение тела, то работа силы

A = Fs     (1)

В этом случае работа силы положительна.

Если сила направлена противоположно перемещению тела, то работа силы

A = –Fs     (2)

В этом случае работа силы отрицательна.

Если сила f_vec направлена перпендикулярно перемещению s_vec тела, то работа силы равна нулю:

A = 0      (3)

Работа – скалярная величина. Единицу работы называют джоуль (обозначают: Дж) в честь английского ученого Джеймса Джоуля, сыгравшего важную роль в открытии закона сохранения энергии. Из формулы (1) следует:

1 Дж = 1 Н * м.

? 1. Брусок массой 0,5 кг переместили по столу на 2 м, прикладывая к нему силу упругости, равную 4 Н (рис. 28.1). Коэффициент трения между бруском и столом равен 0,2. Чему равна работа действующей на брусок:
а) силы тяжести m?
б) силы нормальной реакции ?
в) силы упругости ?
г) силы трения скольжения _тр?

Суммарную работу нескольких сил, действующих на тело, можно найти двумя способами:
1. Найти работу каждой силы и сложить эти работы с учетом знаков.
2. Найти равнодействующую всех приложенных к телу сил и вычислить работу равнодействующей.

Оба способа приводят к одному и тому же результату. Чтобы убедиться в этом, вернитесь к предыдущему заданию и ответьте на вопросы задания 2.

? 2. Чему равна:
а) сумма работ всех действующих на брусок сил?
б) равнодействующая всех действующих на брусок сил?
в) работа равнодействующей? В общем случае (когда сила f_vec направлена под произвольным углом к перемещению s_vec) определение работы силы таково.

Работа A постоянной силы равна произведению модуля силы F на модуль перемещения s и на косинус угла α между направлением силы и направлением перемещения:

A = Fs cos α     (4)

? 3. Покажите, что из общего определения работы следуют к выводы, показанные на следующей схеме. Сформулируйте их словесно и запишите в тетрадь.

? 4. К находящемуся на столе бруску приложена сила, модуль которой 10 Н. Чему равен угол между этой силой и перемещением бруска, если при перемещении бруска по столу на 60 см эта сила совершила работу: а) 3 Дж; б) –3 Дж; в) –3 Дж; г) –6 Дж? Сделайте пояснительные чертежи.

2. Работа силы тяжести

Пусть тело массой m движется вертикально от начальной высоты h_н до конечной высоты h_к.

Если тело движется вниз (h_н > h_к, рис. 28.2, а), направление перемещения совпадает с направлением силы тяжести, поэтому работа силы тяжести положительна. Если же тело движется вверх (h_н < h_к, рис. 28.2, б), то работа силы тяжести отрицательна.

В обоих случаях работа силы тяжести

A = mg(h_н – h_к).     (5)

Найдем теперь работу силы тяжести при движении под углом к вертикали.

? 5. Небольшой брусок массой m соскользнул вдоль наклонной плоскости длиной s и высотой h (рис. 28.3). Наклонная плоскость составляет угол α с вертикалью.

а) Чему равен угол между направлением силы тяжести и направлением перемещения бруска? Сделайте пояснительный чертеж.
б) Выразите работу силы тяжести через m, g, s, α.
в) Выразите s через h и α.
г) Выразите работу силы тяжести через m, g, h.
д) Чему равна работа силы тяжести при движении бруска вдоль всей этой же плоскости вверх?

Выполнив это задание, вы убедились, что работа силы тяжести выражается формулой (5) и тогда, когда тело движется под углом к вертикали – как вниз, так и вверх.

Но тогда формула (5) для работы силы тяжести справедлива при движении тела по любой траектории, потому что любую траекторию (рис. 28.4, а) можно представить как совокупность малых «наклонных плоскостей» (рис. 28.4, б).

Таким образом,
работа силы тяжести при движении но любой траектории выражается формулой

A_т = mg(h_н – h_к),

где h_н – начальная высота тела, h_к – его конечная высота.
Работа силы тяжести не зависит от формы траектории.

Например, работа силы тяжести при перемещении тела из точки A в точку B (рис. 28.5) по траектории 1, 2 или 3 одинакова. Отсюда, в частности, следует, что рибота силы тяжести при перемещении по замкнутой траектории (когда тело возвращается в исходную точку) равна нулю.

? 6. Шар массой m, висящий на нити длиной l, отклонили на 90º, держа нить натянутой, и отпустили без толчка.
а) Чему равна работа силы тяжести за время, в течение которого шар движется к положению равновесия (рис. 28.6)?
б) Чему равна работа силы упругости нити за то же время?
в) Чему равна работа равнодействующей сил, приложенных к шару, за то же время?

3.

Работа силы упругости

Когда пружина возвращается в недеформированное состояние, сила упругости совершает всегда положительную работу: ее направление совпадает с направлением перемещения (рис. 28.7).

Найдем работу силы упругости .
Модуль этой силы связан с модулем деформации x соотношением (см. § 15)

F = kx.     (6)

Работу такой силы можно найти графически.

Заметим сначала, что работа постоянной силы численно равна площади прямоугольника под графиком зависимости силы от перемещения (рис. 28.8).

На рисунке 28.9 изображен график зависимости F(x) для силы упругости. Разобьем мысленно все перемещение тела на столь малые промежутки, чтобы на каждом из них силу можно было считать постоянной.

Тогда работа на каждом из этих промежутков численно равна площади фигуры под соответствующим участком графика. Вся же работа равна сумме работ на этих участках.

Следовательно, и в этом случае работа численно равна площади фигуры под графиком зависимости F(x).

? 7. Используя рисунок 28.10, докажите, что

работа силы упругости при возвращении пружины в недеформированное состояние выражается формулой

A = (kx₂)/2.     (7)

? 8. Используя график на рисунке 28.11, докажите, что при изменении деформации пружины от x_н до x_к работа силы упругости выражается формулой

Из формулы (8) мы видим, что работа силы упругости зависит только от начальной и конечной деформации пружины, Поэтому если тело сначала деформируют, а потом оно возвращается в начальное состояние, то работа силы упругости равна нулю. Напомним, что таким же свойством обладает и работа силы тяжести.

? 9. В начальный момент растяжение пружины жесткостью 400 Н/м равно 3 см. Пружину растянули еще на 2 см.
а) Чему равна конечная деформация пружины?
б) Чему равна работа силы упругости пружины?

? 10. В начальный момент пружина жесткостью 200 Н/м растянута на 2 см, а в конечный момент она сжата на 1 см. Чему равна работа силы упругости пружины?

4. Работа силы трения

Пусть тело скользит по неподвижной опоре. Действующая на тело сила трения скольжения направлена всегда противоположно перемещению и, следовательно, работа силы трения скольжения отрицательно при любом направлении перемещения (рис. 28.12).

Поэтому если сдвинуть брусок вправо, а пегом на такое же расстояние влево, то, хотя он и вернется в начальное положение, суммарная работа силы трения скольжения не будет равна нулю. В этом состоит важнейшее отличие работы силы трения скольжения от работы силы тяжести и силы упругости. Напомним, что работа этих сил при перемещении тела по замкнутой траектории равна нулю.

? 11. Брусок массой 1 кг передвигали по столу так, что его траекторией оказался квадрат со стороной 50 см.
а) Вернулся ли брусок в начальную точку?
б) Чему равна суммарная работа действовавшей на брусок силы трения? Коэффициент трения между бруском и столом равен 0,3.

5.

Мощность

Часто важна не только совершаемая работа, но и скорость совершения работы. Она характеризуется мощностью.

Мощностью P называют отношение совершенной работы A к промежутку времени t, за который эта работа совершена:

P = A/t.      (9)

(Иногда мощность в механике обозначают буквой N, а в электродинамике – буквой P. Мы считаем более удобным одинаковое обозначение мощности.)

Единица мощности – ватт (обозначают: Вт), названная в честь английского изобретателя Джеймса Уатта. Из формулы (9) следует, что

1 Вт = 1 Дж/c.

? 12. Какую мощность развивает человек, равномерно поднимая ведро воды массой 10 кг на высоту 1 м в течение 2 с?

Часто мощность удобно выражать не через работу и время, а через силу и скорость.

Рассмотрим случай, когда сила направлена вдоль перемещения. Тогда работа силы A = Fs. Подставляя это выражение в формулу (9) для мощности, получаем:

P = (Fs)/t = F(s/t) = Fv.     (10)

? 13. Автомобиль едет по горизонтальной дороге со скоростью 72 км/ч. При этом его двигатель развивает мощность 20 кВт. Чему равна сила сопротивления движению автомобиля?

Подсказка. Когда автомобиль движется по горизонтальной дороге с постоянной скоростью, сила тяги равна по модулю силе сопротивления движению автомобиля.

? 14. Сколько времени потребуется для равномерного подъема бетонного блока массой 4 т на высоту 30 м, если мощность двигателя подъемного крана 20 кВт, а КПД электродвигателя подъемного крана равен 75%?

Подсказка. КПД электродвигателя равен отношению работы по подъему груза к работе двигателя.

Дополнительные вопросы и задания

15. Мяч массой 200 г бросили с балкона высотой 10 и под углом 45º к горизонту. Достигнув в полете максимальной высоты 15 м, мяч упал на землю.
а) Чему равна работа силы тяжести при подъеме мяча?
б) Чему равна работа силы тяжести при спуске мяча?
в) Чему равна работа силы тяжести за все время полета мяча?
г) Есть ли в условии лишние данные?

16. Шар массой 0,5 кг подвешен к пружине жесткостью 250 Н/м и находится в равновесии. Шар поднимают так, чтобы пружина стала недеформированной, и отпускают без толчка.
а) На какую высоту подняли шар?
б) Чему равна работа силы тяжести за время, в течение которого шар движется к положению равновесия?
в) Чему равна работа силы упругости за время, в течение которого шар движется к положению равновесия?
г) Чему равна работа равнодействующей всех приложенных к шару сил за время, в течение которого шар движется к положению равновесия?

17. Санки массой 10 кг съезжают без начальной скорости со снежной горы с углом наклона α = 30º и проезжают некоторое расстояние по горизонтальной поверхности (рис. 28.13). Коэффициент трения между санками и снегом 0,1. Длина основания горы l = 15 м.

а) Чему равен модуль силы трения при движении санок по горизонтальной поверхности?
б) Чему равна работа силы трения при движении санок по горизонтальной поверхности на пути 20 м?
в) Чему равен модуль силы трения при движении санок по горе?
г) Чему равна работа силы трения при спуске санок?
д) Чему равна работа силы тяжести при спуске санок?
е) Чему равна работа равнодействующей сил, действующих на санки, при их спуске с горы?

18. Автомобиль массой 1 т движется со скоростью 50 км/ч. Двигатель развивает мощность 10 кВт. Расход бензина составляет 8 л на 100 км. Плотность бензина 750 кг/м₃, а его удельная теплота сгорания 45 МДж/кг. Чему равен КПД двигателя? Есть ли в условии лишние данные?
Подсказка. КПД теплового двигателя равен отношению совершенной двигателем работы к количеству теплоты, которое выделилось при сгорании топлива.

Требования к оформлению формул в диссертации по ГОСТ 2020

Содержание статьи

Диссертации по техническим специальностям – это сложные научно-исследовательские работы, состоящие из множества формул, уравнений, графиков и других наглядных пособий. Требования к оформлению этих элементов строго регламентируются ГОСТом.

Основные правила оформления формул в диссертации

Оформление формул в кандидатских диссертациях основано на соответствующих технико-орфографических правилах.

Если формула, использованная в тексте диссертации, пронумерована или громоздкая (наличие интегрирования, дифференцирования, произведения/суммы), ее рекомендуется размещать на нескольких строчках. Переносится уравнение после знаков «=» или умножение/деление/плюс/минус («х», «:», «+», «-»)

Чтобы сэкономить место на листе, однотипные формулы, удаленные от текста научной работы, подаются в одной строчке. В некоторых случаях, они вписываются в строку текста (правило актуально для несложных и небольших формул).

Примечание. Значения коэффициентов и использованных символов размещаются с новой строки. Формат первой строки пояснения – слово «где» (без использования двоеточия). Обязательной нумерации подлежат уравнения со ссылками в тексте диссертации.

Все формулы отделяются от текста сверху и внизу межстрочным интервалом (значение – 1,5).

Особенности нумерации формул

Для порядковой нумерации формул используют арабские цифры. Они размещаются в круглых скобках и располагаются в правой части листа без точек возле конца формулы. Если номер не поместился в конце строки, разрешается указать его чуть ниже, на уровне следующей строки.

Правило нумерации для формул в рамке следующее – цифра записывается за пределами рамки с правой части уравнения напротив основной его строки. Формулы-дроби нумеруются напротив уровня их основной горизонтальной черты.

Все формулы, употребляемые в тексте технических диссертаций, подлежат сквозной нумерации. Исключение составляют мат.выражения, вынесенные в приложения – такие формулы нумеруются сочетанием арабской цифры и символа.

Для промежуточных формул, использующихся для выведения основных, используется другой тип нумерации – это звездочки или буквы, размещенные в круглых скобках (например, (в), (а), (**), (*) и т.д.).

Что следует учитывать при нумерации формул?

1. Требования ГОСТ 7.32-2001, ГОСТ 2.105-95 не предполагают обязательной нумерации всех формул, размещенных в диссертации. Автор имеет право пронумеровать только важные позиции, на которые указаны ссылки в тексте документа.
2. Формулы-дроби нумеруются по центральной части выражения параллельно основным горизонтальны чертам.
3. Не громоздкие формулы, объединенные одной группой, нумеруются общей арабской цифрой.
4. Буквенно-цифровая нумерация разрешается для обозначения разновидности основного математического выражения, приведенного до описания основной расшифровки в тексте диссертационного исследования.
5. Сквозная нумерация используется в небольших научных работах для идентификации малых объемов основных формул или для обозначения небольшого количества нумерованных формулах в объемных диссертациях.
6. Нумерация нескольких групп математических выражений, объединенных парантезом, сводится к тому, чтобы острие скобки, расположенное в середине основной группы, указывало на порядковый номер, размещенный в правом поле.

Пунктуация и формулы в диссертации по математике

При составлении предложений, соискателю ученой степени следует учесть, что формулы являются их равноправным элементом. Перед уравнениями и после них соблюдаются все правила пунктуации.

Обратите внимание! Двоеточие перед формулой используется в двух случаях – наличие обобщающего слова в тексте или особенность построения предложения перед уравнением. Допускается не ставить знаки препинания после определителей и матриц (причина – громоздкость уравнений).

Если обобщающее слово (перечисление, детализация и т.д.) текущего предложения размещается перед математическим выражением, для смысловой взаимосвязи между элементами проставляется двоеточие.

Формулы, следующие друг за другом без текстового прерывания, разделяются между собой точкой с запятой/запятой – знак препинания зависит от основного контекста. В математических выражениях с парантезом, знаки препинания проставляются в их внутренней части.

Коэффициенты, другие математические символы, используемые в диссертации, размещаются с красной строки. При наборе формул в текстовом редакторе Microsoft Word, проставляется полуторный межстрочный интервал. Первая строка пояснения начинается со слова «где», без предварительной простановки двоеточия перед выражением.

Пренебрежение вышеуказанными правилами пунктуации допустимо при случаях использования громоздких математических выражений в форме матрицы/определителя и т. д.

Оформление формул по ГОСТу в диссертации

Основные требования к формулам, регламентируемые положениями ГОСТ.

1. Пояснения к составляющим уравнения (символы, числовые коэффициенты) указываются в тексте или сразу после формулы.
2. Перенос формулы на другую строку – исключительно с переносом знака операции с его повтором в начале следующей строки.
3. Для рукописных вариантов диссертаций, формулы указываются чертежным или машинописным шрифтом. Рекомендуемая высота – до 2,5 мм. Запрещается использовать сочетание рукописных и машинописных составляющих в одной формуле.
4. Использование сквозной нумерации для всех формул, кроме размещенных в приложении. Единственная формула подлежит обязательной нумерации (пример – (1)).
5. Ссылки на формулы указываются в круглых скобках.
6. Формулы в приложении диссертации нумеруются отдельно, арабскими цифрами с добавлением символа, характеризующего приложение. (например, формула С.2).

Пример оформления формулы в диссертации:

Правила оформления уравнений/формул в текстовом редакторе Microsoft Word

В текстовом редакторе Microsoft Word 2003 года, вставка математических формул/уравнений осуществляется без использования дополнительных утилит. Если автор диссертационного исследования  использует современные версии Microsoft Word, рекомендуется использовать Microsoft Education.

Как вставить математические выражения с помощью Microsoft Education?

1. Перейти на утилиту с помощью меню «Вставка», через подпункт «Объект».
2. Выбрать в появившемся окошке требуемые компоненты, необходимые для корректного создания формулы/уравнения. Здесь пользователь может выбрать дроби, расположение символов/знаков/возведение в степень и т.д.
3. Каждое действие с составными элементами математического выражения оформляется с помощью Microsoft Education. Символы, цифры, другие обозначения самостоятельно вводятся пользователем.
4. Напротив основных формул по правому полю страницы в скобках указывается их нумерация – этот подход упростит поиск требуемого математического выражения в тексте документа.
5. Другой способ вставить формулу – это меню «Вставка», подпункт «Символы». Пользователь может воспользоваться стандартными шаблонами распространенных формул (например, бином Ньютона, ряд Тейлора, квадратное уравнение, тригонометрическое тождество и т.д.) или самостоятельно вставить требуемую формулу. Такой метод подойдет при использовании текстового редактора Microsoft Word 2007.

Компания «Диссертация» оказывает услуги по написанию сложных технических документов, диссертаций, курсовых работ и дипломных проектов. Каждая работа проходит обязательную многоуровневую проверку на соответствие требованиям ВАК и ГОСТ. Мы гарантируем конфиденциальность каждому клиенту и предлагаем удобную форму оплаты за заказ. Будем рады видеть вас в числе наших заказчиков!

Оформление дипломной работы в LibreOffice 3.

2} right ]

Вставка символов в формулу

Чтобы вставить в формулы буквы греческого алфавита необходимо в режиме ввода формулы воспользоваться «Сервис → Каталог».

Обратите внимание, что есть «Набор символов»: Греческий, iГреческий и Специальный. iГреческий вводит буквы курсивом. Обычно приятно набирать формулы именно курсивом.

Привязка формул

После вставки формулы она имеет те же настройки, что и изображения. Её можно привязать к абзацу, символу, странице или как символ. Можно настроить обтекание текстом и расположить формулу на заднем или переднем плане.

Определение и математика работы

В первых трех разделах «Класса физики» мы использовали законы Ньютона для анализа движения объектов. Информация о силе и массе использовалась для определения ускорения объекта. Информация об ускорении впоследствии использовалась для определения информации о скорости или смещении объекта по прошествии заданного периода времени. Таким образом, законы Ньютона служат полезной моделью для анализа движения и прогнозирования конечного состояния движения объекта.В этом модуле будет использоваться совершенно другая модель для анализа движения объектов. Движение будет рассматриваться с точки зрения работы и энергии. Будет исследовано влияние работы на энергию объекта (или системы объектов); итоговая скорость и / или высота объекта могут быть затем спрогнозированы на основе информации об энергии. Чтобы понять этот подход к анализу движения, основанный на работе и энергии, важно сначала получить твердое понимание нескольких основных терминов.Таким образом, Урок 1 этого раздела будет посвящен определениям и значениям таких терминов, как работа, механическая энергия, потенциальная энергия, кинетическая энергия и мощность.

Когда на объект действует сила, вызывающая смещение объекта, говорят, что над объектом было выполнено работы . Есть три ключевых ингредиента для работы – сила, смещение и причина. Чтобы сила квалифицировалась как выполнившая работы над объектом, должно быть смещение, и сила должна вызывать смещение .Есть несколько хороших примеров работы, которые можно наблюдать в повседневной жизни: лошадь тащит плуг через поле, отец толкает тележку с продуктами по проходу продуктового магазина, первокурсник поднимает на плечо рюкзак, полный книг, тяжелоатлет, поднимающий штангу над головой, олимпиец, запускающий толкание ядра, и т. д. В каждом описанном здесь случае на объект действует сила, заставляющая этот объект смещаться.

Прочтите следующие пять утверждений и определите, представляют ли они примеры работы.Затем нажмите кнопку «Посмотреть ответ», чтобы просмотреть ответ.

Заявление	Ответ с объяснением
Учитель применяет силу к стене и истощается.
Книга падает со стола и падает на землю.
Официант переносит поднос с едой над головой за одну руку прямо через комнату с постоянной скоростью. (Осторожно! Это очень сложный вопрос, который будет обсуждаться более подробно позже.)
Ракета летит в космосе.

Рабочее уравнение

Математически работу можно выразить следующим уравнением.

W = F • d • cos Θ

, где F – сила, d – смещение, а угол ( тета ) определяется как угол между силой и вектором смещения.Возможно, самый сложный аспект приведенного выше уравнения – это угол «тета». Угол – это не просто любой угол , а, скорее, очень специфический угол. Угловая мера определяется как угол между силой и смещением. Чтобы понять его значение, рассмотрите следующие три сценария.

• Сценарий А. Сила действует на объект вправо, когда он смещается вправо. В таком случае вектор силы и вектор смещения находятся в одном направлении.Таким образом, угол между F и d равен 0 градусов.

• Сценарий B: Сила действует влево на объект, смещенный вправо. В таком случае вектор силы и вектор смещения имеют противоположное направление. Таким образом, угол между F и d составляет 180 градусов.

• Сценарий C: Сила действует вверх на объект, когда он смещается вправо. В таком случае вектор силы и вектор смещения расположены под прямым углом друг к другу.Таким образом, угол между F и d составляет 90 градусов.

Для работы, силы должны Вызвать Смещения

Рассмотрим сценарий C более подробно. Сценарий C включает ситуацию, аналогичную ситуации, когда официант несет поднос с едой над головой за одну руку прямо через комнату с постоянной скоростью. Ранее упоминалось, что официант не работает с подносом , поскольку он переносит его через комнату.Сила, прикладываемая официантом к подносу, направлена ​​вверх, а смещение подноса – это горизонтальное смещение. Таким образом, угол между силой и смещением составляет 90 градусов. Если рассчитать работу официанта на подносе, то результат будет 0. Независимо от величины силы и смещения, F * d * косинус 90 градусов равен 0 (поскольку косинус 90 градусов равен 0. ). Вертикальная сила никогда не может вызвать горизонтальное смещение; таким образом, вертикальная сила не действует на горизонтально смещенный объект !!

Можно точно отметить, что рука официанта на короткое время толкала поднос вперед, чтобы ускорить его от состояния покоя до конечной скорости ходьбы.Но как только достигает скорости , лоток будет продолжать движение по прямой с постоянной скоростью без поступающей силы. И если единственная сила, действующая на лоток во время стадии его движения с постоянной скоростью, направлена ​​вверх, то с лотком не выполняется никаких действий. Опять же, вертикальная сила не действует на горизонтально смещенный объект.

Уравнение для работы содержит три переменных – каждая переменная связана с одним из трех ключевых слов, упомянутых в определении работы (сила, смещение и причина).Угол тета в уравнении связан с величиной силы, вызывающей смещение. Как упоминалось в предыдущем разделе, когда на объект действует сила под углом к ​​горизонтали, только часть силы способствует (или вызывает) горизонтальное смещение. Давайте рассмотрим силу цепи, тянущей вверх и вправо на Фидо, чтобы тащить Фидо вправо. Только горизонтальная составляющая силы натяжения в цепи заставляет Фидо смещаться вправо.Горизонтальная составляющая находится путем умножения силы F на косинус угла между F и d. В этом смысле тета-косинус в уравнении работы относится к коэффициенту , вызывающему причину, – он выбирает часть силы, которая фактически вызывает смещение.

Значение теты

При определении меры угла в уравнении работы важно понимать, что угол имеет точное определение – это угол между силой и вектором смещения.Обязательно избегайте бездумного использования в уравнении с любым углом . Обычная физическая лаборатория включает приложение силы, чтобы переместить тележку по пандусу к вершине стула или коробки. К тележке прилагается усилие , чтобы сместить ее на вверх по склону с постоянной скоростью. Обычно используются несколько углов наклона; тем не менее, сила всегда применяется параллельно уклону. Перемещение тележки также параллельно уклону. Поскольку F и d находятся в одном направлении, угол theta в уравнении работы равен 0 градусов.Тем не менее, большинство студентов испытали сильное искушение измерить угол наклона и использовать его в уравнении. Не забывайте: угол в уравнении не равен , любой угол равен . Он определяется как угол между силой и вектором смещения.

Значение отрицательной работы

Иногда на движущийся объект действует сила, препятствующая перемещению.Примеры могут включать в себя занос автомобиля, который останавливается на проезжей части, или бегун бейсбола, который останавливается на грязи внутри поля. В таких случаях сила действует в направлении, противоположном движению объектов, чтобы замедлить его. Сила не вызывает смещения, а скорее препятствует . Эти ситуации включают то, что обычно называют отрицательной работой . отрицательный отрицательной работы относится к числовому значению, которое получается, когда значения F, d и тета подставляются в уравнение работы.Поскольку вектор силы прямо противоположен вектору смещения, тета составляет 180 градусов. Косинус (180 градусов) равен -1, поэтому количество работы, проделанной с объектом, будет отрицательным. Негативная работа станет важной (и более значимой) в Уроке 2, когда мы начнем обсуждать взаимосвязь между работой и энергией.

Единицы работы

Каждый раз, когда в физику вводится новая величина, обсуждаются стандартные метрические единицы, связанные с этой величиной.В случае работы (а также энергии) стандартной метрической единицей является Джоуль (сокращенно Дж ). Один Джоуль эквивалентен одному Ньютону силы, вызывающей смещение на один метр. Другими словами,

Джоуль – это единица работы.
1 Джоуль = 1 Ньютон * 1 метр
1 Дж = 1 Н * м

Фактически, любая единица силы, умноженная на любую единицу смещения, эквивалентна единице работы.Ниже показаны некоторые нестандартные агрегаты для работы. Обратите внимание, что при анализе каждый набор единиц эквивалентен единице силы, умноженной на единицу смещения.

Нестандартные единицы работы:

фут • фунт

кг • (м / с 2 ) • м

кг • (м 2 / с 2 )

Таким образом, работа выполняется, когда на объект действует сила, вызывающая смещение. Чтобы рассчитать объем работы, необходимо знать три величины. Эти три величины – сила, смещение и угол между силой и смещением.

Расследовать!

Работаем каждый день. Работа, которую мы делаем, требует калорий … эээээ, следует сказать джоулей. Но сколько джоулей (или калорий) было бы израсходовано на различные виды деятельности? Используйте виджет Daily Work , чтобы исследовать объем работы, который необходимо выполнить, чтобы бегать, ходить или ездить на велосипеде в течение заданного времени в заданном темпе.

Нажмите, чтобы продолжить урок по работе

Мы хотели бы предложить … Иногда просто прочитать об этом недостаточно. Вы должны с ним взаимодействовать! И это именно то, что вы делаете, когда используете одно из интерактивных материалов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения It’s All Uphill. Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте.Интерактивное приложение It’s All Uphill Interactive позволяет учащемуся изучить влияние угла наклона на силу и работу, выполняемую при подъеме тележки в гору с постоянной скоростью.

Формула работы: физическое уравнение с примерами

В физике мы говорим, что сила выполняет работу , если приложение силы смещает объект в направлении силы.Другими словами, работа эквивалентна приложению силы на расстоянии. Количество работы, выполняемой силой, прямо пропорционально тому, насколько далеко эта сила перемещает объект. Общая формула для работы и определения объема работы, выполняемой на объекте:

, где W – объем работы, F – вектор силы, D – величина смещения, – угол между вектором силы и вектором смещения.Единица измерения СИ для работы – джоуль ( Дж ), а ее размеры составляют кг • м ² / с ² . Другой способ понять это состоит в том, что один джоуль эквивалентен количеству энергии, передаваемой, когда сила в один ньютон перемещает объект на расстояние в один метр.

Формула для работы

Каждый раз, когда сила перемещает объект, мы говорим, что работа выполнена. Когда мяч катится с холма под действием силы тяжести, когда вы поднимаете рюкзак с земли, когда внутренний двигатель вашего автомобиля прикладывает силу, заставляющую ваши колеса двигаться; все эти события связаны с силой, перемещающей объект на расстояние, и поэтому требуют некоторой работы.В случаях, когда к объекту прикладывается сила, но он не перемещается, работа не выполняется. Таким образом, сила человека, толкающего край небоскреба, не работает, поскольку небоскреб не двигается. Давайте рассмотрим несколько простых примеров, чтобы проиллюстрировать концепцию работы.

Примеры задач

(1)

Сила в 100 Ньютонов прикладывается к коробке весом 15 кг в горизонтальном направлении и перемещает ее на 5 метров по горизонтали. Сколько работы было сделано?

В этом случае мы знаем, что сила составляет 100 Н, а расстояние составляет 5 метров.Мы также знаем, что, поскольку сила приложена в том же направлении, что и смещение, Θ равно 0. Итак, мы подставляем эти значения в наше уравнение

и получаем:

• W = 100 (5) cos (0 ) = 500 Дж

Итак, сила 100 Н выполнила 500 джоулей , переместив блок на 5 метров.

(2)

На столе лежит книга весом 2 кг. К книге прилагается сила 64 Н под углом 120 ° от горизонтали и перемещает книгу на 3 метра в горизонтальном направлении.Сколько работы было сделано?

В этом случае мы знаем силу 64 Н и расстояние 3 м. Мы также знаем, что существует угол 120 ° между углом направления приложенной силы и направлением движения. Таким образом, включение этих значений в наше удобное уравнение дает:

• W = 64 (3) cos (120) = 156,32 Джоулей

Таким образом, сила 64 Н под углом 120 ° составила 156,32 Дж работы перемещение книги 3 метра .

(3)

Линда поднимает чемодан 300 Н на 3 лестничных пролета на общее вертикальное расстояние 16 метров.Затем она толкает чемодан с силой 100 Н на оставшиеся 8 метров к своему гостиничному номеру. Сколько работы было проделано за всю поездку?

Этот вопрос требует 2 отдельных шагов. Ее поездка состоит из двух основных частей, поэтому мы можем рассчитать работу, проделанную для каждой части индивидуально, а затем объединить эти два значения, чтобы получить общий объем проделанной работы. В первой части поездки она прилагает усилие 300 Н, чтобы переместить чемодан на 16 метров по вертикали, поэтому объем проделанной работы составит:

• W ₁ = 300 (16) cos (0) = 4800 Джоуля

Итак, первая часть поездки составила 4800 джоулей.Что касается второй части, мы знаем, что сила 100 Н перемещает чемодан по горизонтали на 8 метров, поэтому общий объем работы, проделанной во второй части поездки, составляет:

• W ₂ = 100 (8) cos (0) = 800 Дж

Объединение двух значений из каждой части поездки дает:

• Вт _всего = Вт ₁ + Вт ₂ = 4800 + 800 = 5600 Джоулей

Итак, за все время поездки Линды было выполнено 5600 Джоулей работы.

Отношение работа / энергия

Три основных уравнения, представляющих отношения между энергией, работой и силой.

Работа и энергия в физике тесно связаны. Согласно принципу работы-энергии, увеличение кинетической энергии твердого тела вызывается равным объемом работы, совершаемой над этим телом силой, приложенной к этому телу. В математических терминах это соотношение может быть выражено как:

, где KE означает кинетическую энергию. Другими словами, изменение кинетической энергии тела равно количеству работы, выполняемой этим телом.В общем, формула кинетической энергии объекта:

, где v обозначает скорость объекта. Единица кинетической энергии такая же, как и работа, джоуль. Давайте рассмотрим некоторые задачи, чтобы исследовать эти математические отношения.

(4)

Осел и Дидди Конг сидят в 90-килограммовой вагонетке, которая изначально движется горизонтально со скоростью 5 м / с. Носорог Рамби толкает вагонетку сзади и ускоряет ее, так что теперь она движется со скоростью 11 м / с. Сколько работы Рамби проделал с вагонеткой?

Чтобы решить эту проблему, нам сначала нужно вычислить начальную кинетическую энергию вагонетки и ее конечную кинетическую энергию. Зная эти значения, мы можем определить общий объем работы. Нам известны скорость и масса вагонетки, поэтому мы можем определить общую кинетическую энергию в начале и в конце. Начальная кинетическая энергия вагонетки:

• KE _{начальная} = (1/2) (90) (5) ² = 1125 Дж

Конечная кинетическая энергия вагонетки

• KE _final = (1/2) (90) (11) ² = 5445 Дж

Таким образом, общий объем выполненных работ на тележке составляет 5545-1125 = 4420 Дж .

«Наука – это знание последствий и зависимости одного факта от другого». – Томас Гоббс

(5)

Автомобиль весом 1300 кг движется со скоростью 18 м / с. Если с автомобилем будет проделано 60000 джоулей работы, какова будет его конечная скорость?

Вопрос потребует немного алгебры. Во-первых, мы должны определить начальную кинетическую энергию автомобиля. Начальная кинетическая энергия автомобиля составляет:

• (1/2) (1300) (18) ² = 210600 Дж

Поскольку мы знаем общий объем работы, проделанной в системе (60000 J) мы можем вычислить конечную кинетическую энергию автомобиля:

• 60000 = KE _final −210600
• 270600 = KE _final

Теперь, поскольку мы знаем конечную кинетическую энергию и массу автомобиля, мы можем определить его конечную скорость следующим образом:

• KE _final = (1/2) кг * v ²
• 270600 = (1/2) (1300) v ²
• 270600 = 650 v ²
• 416.3 = v ²
• v = 20,4 м / с

Конечная скорость автомобиля составит 20,4 м / с .

Итак, суммируя, мы говорим, что работа выполняется всякий раз, когда сила перемещает объект на расстояние. Величина работы равна величине силы, умноженной на пройденное расстояние. Работа и кинетическая энергия тесно взаимосвязаны и могут использоваться для определения друг друга.

Была ли эта статья полезной?

😊 ☹️ Приятно слышать! Хотите больше научных тенденций? Подпишитесь на нашу рассылку новостей науки! Нам очень жаль это слышать! Мы любим отзывы 🙂 и хотим, чтобы вы внесли свой вклад в то, как сделать Science Trends еще лучше.

Формула работы

Работа – это результат, когда сила действует на объект и перемещает его на некоторое расстояние. Иногда направление движения объекта не совпадает с направлением силы. В этом случае только та составляющая силы, которая действует в направлении движения, вызывает выполнение работы. По этой причине рабочая формула включает косинус угла между силой и расстоянием. Если сила и движение в одном направлении, то угол равен 0 радиан (или 0 °). Косинус нуля равен: cos0 = 1. Единицами работы являются джоули (Дж), где 1 Дж = 1 Н ∙ м = 1 кг ∙ м ² / с ² .

работа = сила x расстояние × косинус (угол между направлением силы и движения)

W = Fd cosθ

Вт = работа (ед. Дж)

k = сила (единицы Н)

d = расстояние ( м )

θ = угол между направлением силы и направлением движения

Вопросы по формуле работы:

1) Трактор вытащил телегу с сеном на расстояние 1000 м .Сила, приложенная к вагону для перемещения на это расстояние, составляла 12 000 Н. Сила действовала в том же направлении, что и движение. Найдите, сколько работы было проделано трактором, чтобы тянуть повозку.

Ответ: Сила и движение были в одном направлении, поэтому угол между ними равен 0 °. Работу можно найти по формуле:

W = Fd cosθ

Вт = Fd cos0

W = Fd (1)

W = (12000 Н) (1000 м )

Вт = 12000000 Н ∙ м

Вт = 12000000 Дж

Работа, проделанная трактором по перемещению вагона на заданное расстояние, составила 12 000 000 Дж, что также можно выразить как мегаджоули: 12. 0 M J.

2) Мужчина толкает газонокосилку по своему двору. Усилие, которое он прилагает к ручке газонокосилки, направлено вниз, 60,0 ° от горизонтальной плоскости. Эта сила имеет величину 900 Н. Если он толкает газонокосилку 30,0 м , сколько работы было выполнено для перемещения газонокосилки?

Ответ: Сила находится под углом 60,0 ° по отношению к движению. Работу можно найти по формуле:

W = Fd cosθ

W = Fd cos60 °

W = Fd (0.5)

W = (900 Н) (30,0 м ) (0,5)

W = 13 500 Н ∙ м

Вт = 13 500 Дж

Работа, проделанная при перемещении газонокосилки на заданное расстояние, составила 13 500 Дж.

Теорема работы-энергии | Безграничная физика

Теорема о кинетической энергии и работе-энергии

Теорема работы-энергии утверждает, что работа, совершаемая всеми силами, действующими на частицу, равна изменению кинетической энергии частицы. 2 [/ латекс].

Теорема работы-энергии может быть получена из второго закона Ньютона.

Работа передает энергию из одного места в другое или из одной формы в другую. В более общих системах, чем система частиц, упомянутая здесь, работа может изменять потенциальную энергию механического устройства, тепловую энергию в тепловой системе или электрическую энергию в электрическом устройстве.

Ключевые термины

• крутящий момент : вращательное или скручивающее действие силы; (Единица СИ ньютон-метр или Нм; британская единица измерения фут-фунт или фут-фунт)

Теорема работы-энергии

Принцип работы и кинетической энергии (также известный как теорема работы-энергии) утверждает, что работа, совершаемая суммой всех сил, действующих на частицу, равна изменению кинетической энергии частицы.Это определение можно распространить на твердые тела, определив работу крутящего момента и кинетической энергии вращения. 2} {2 \ text {a}} [ / латекс]

Работа чистой силы рассчитывается как произведение ее величины (F = ma) и смещения частицы.2 = \ text {KE} _ \ text {f} – \ text {KE} _ \ text {i} = \ Delta \ text {KE} [/ latex]

Теорема работы-энергии

– видео по физике от Brightstorm

Согласно теореме о рабочей энергии , чистая работа над объектом вызывает изменение кинетической энергии объекта. Формула для чистой работы: чистая работа = изменение кинетической энергии = конечная кинетическая энергия – начальная кинетическая энергия .

Теорема рабочей энергии, это теорема, которая утверждает, что чистая работа объекта вызывает изменение кинетической энергии объекта.Итак, давайте рассмотрим кинетическую энергию, вспомним, что кинетическая энергия, которую мы будем сокращать ke, равна половине массы, умноженной на квадрат скорости, хорошо. Таким образом, чистая работа – это изменение кинетической энергии или конечной кинетической энергии за вычетом начальной кинетической энергии. Давайте рассмотрим задачу, в которой вас могут попросить использовать теорему об энергии работы для решения проблемы, связанной с работой в сети. Допустим, у меня есть объект размером 3, массой 3 кг, и мне нужно разогнать его с 2 метров в секунду до 4 метров в секунду.И я хочу знать, какая чистая работа необходима, чтобы обеспечить нормальное ускорение. Таким образом, я могу использовать эту формулу, где чистая работа равна моей конечной кинетической энергии за вычетом моей начальной кинетической энергии.

Давайте решим эту проблему, хорошо? Итак, моя конечная кинетическая энергия равна половине, моя масса – 3 килограмма, а моя конечная скорость – 4 метра в секунду в квадрате, верно? Моя начальная скорость равна, и поэтому моя начальная кинетическая энергия равна 3 килограммам на 2 метра в секунду в квадрате, хорошо, так что давайте продолжим и вычислим эти числа, и я должен получить свою половину больше, давайте исправим это, прежде чем двигаться дальше. Итак, у меня есть 4 в квадрате, это 16 умножить на 3, это 48, а половина из 48 – это 24 килограмма на метр на секунду в квадрате, и я собираюсь вычесть из этого, у меня 2 в квадрате – это 4 метра на секунду в квадрате и умноженное на 3. равно 12, и минус половина от 12 составляет 6 килограммов, и если я вычту 6 из 24, я получу 18, и это также равно этой единице, здесь килограммы на метры и секунды в квадрате равняются 18 джоулям энергии. Итак, это моя сетевая работа, которая требуется для ускорения этого объекта с 2 метров в секунду до 4 метров в секунду.Вот как вы можете решить проблему, применяя теорему о рабочей энергии.

Проблемы со временем и работой | Формулы и советы

FORMULAS

• Основная формула для решения: 1 / r + 1 / s = 1 / h
• Возьмем случай, скажем человек Ритик
• Допустим, что за 1 день Ритик выполнит 1/20 ^-го работы, а за 1 день Дхони выполнит 1/30 ^-го работы. Теперь, если они работают вместе, они будут делать 1/20 + 1/30 = 5/60 = 1/12 ^-е работы за 1 день. Теперь попытайтесь проанализировать, если два человека выполняют 1/12 ^-е работы в первый день, они будут выполнять 1/12 ^-е работы во второй день, 1/12 ^-е работы в третий. день и так далее. Теперь добавим все это, когда они проработали бы 12 дней, 12/12 = 1, т.е. вся работа была бы закончена. Таким образом, концепция работает как в прямом, так и в обратном режиме.
• Вывод концепции состоит в том, что если человек выполняет работу в ‘r’ дней, то за 1 день – 1 / r ^th работы выполнено, и если 1 / s ^th работы выполнено за 1 день, то работа будет завершена в «дни».Таким образом, работая вместе, оба могут выполнить 1 / h (1 / r + 1 / s = 1 / h) работу за 1 день, а это завершит задачу за ‘h’ часов.
• То же можно толковать и по-другому, например, если один человек выполняет работу за x дней, а другой – за y дней. Затем вместе они могут закончить эту работу за xy / (x + y) дней
• Если три человека берут x, y и z дней соответственно, они могут закончить работу вместе за xyz / (xy + yz + xz) дней

Проблемы с работой и временем

Пример 1: Если Арт и Рита могут выполнить работу за 8 часов (работая вместе с соответствующими постоянными ставками), а Арт может выполнить работу в одиночку за 12 часов. За сколько часов Рита сможет сделать работу одна ?

Sol: Пусть Рита сделает работу за R дней. Используя базовую формулу работы, уравнение будет 1/12 + 1 / R = 1/8
⇒ 8R + 96 = 12R
⇒ 96 = 4R
⇒ 24 = R Работая в одиночку, Рита может выполнить работу за 24 часа.

Или
Кроме того, в вопросах работы и времени может применяться еще один подход, то есть единичный подход. В этом случае могут быть применены трюки с сокращением времени и работы, поскольку используются числа 8 и 12 часов, пусть работа будет равна 24 единицам (это НОК 8 и 12).Теперь, когда они заканчивают работу за 8 часов, работая вместе, это означает, что вместе они выполняют 24/8 = 3 единицы в час. Работа в одиночку Искусство выполняет эту работу за 12 часов, поэтому одно только Искусство выполняет 24/12 = 2 единицы в час. Это означает, что Рита будет делать 3–2 = 1 единица в час. Общая работа составляет 24 единицы, которые Рита может закончить самостоятельно за 24/1 = 24 часа.

Пример 2: A может выполнить часть работы за 60 дней, а B – за 40 дней. Оба приступили к работе, но А ушел за 10 дней до завершения работы.Работа была закончена за сколько дней?

Sol: A уволился с работы за 10 дней до завершения. Итак, В последние 10 дней работал один. Сначала мы рассчитаем 10-дневную работу Б, которую он проделал в одиночку.
Через 10 дней B выполнит 10 × 1/40 = 1/4 часть работы.
Оставшаяся работа 1 – ¼ = ¾ (которые A и B выполнили вместе). A и B могут выполнить 1/60 + 1/40 работы за 1 день. Их однодневная работа составляет 1/60 + 1/40 = (2 + 3) / 120 = 5/120 = 1/24. Они могут закончить работу за 24 дня.
Они сделали бы три четверти работы за 24 × 3/4 = 18 дней.
⇒ Всего дней = 18 + 10 = 28.

или
Как обсуждалось ранее в вопросах работы со временем, время и рабочие приемы, такие как единичный подход, также могут быть применены. В этом случае, поскольку используются числа 60 и 40, пусть работа будет равна 120 единицам. Это означает, что A делает 120/60 = 2 единицы в день, тогда как только B делает 120/40 = 3 единицы в день. Это означает, что работая в одиночку, B сделал бы 3 × 10 = 30 единиц. Остальные 120 – 30 = 90 единиц работы они сделали вместе. Они выполняют 2 + 3 = 5 единиц в день, работая вместе, таким образом, они закончили бы 90 единиц за 90/5 = 18 дней.Следовательно, вся работа была завершена за 18 + 10 = 28 дней.

Обязательно прочтите статьи о времени и проблемах с работой

Пример 3: A может выполнить часть работы за 24 дня, а B – за 20 дней, но с помощью C они завершили работу за 8 дней. Только C может выполнить работу за сколько дней?

Sol: Используя здесь формулу работы (1 / A) + (1 / B) + (1 / C) = (1/8)
(1 / C) = (1/8) – (1 / A) – ( 1 / B) ⇒ (1 / C) = (1/8) – (1/24) = (1/20) ⇒ (1 / C) = (1/30)
C может выполнить эту работу за 30 дней.

или
Вы можете принять общую работу равной 120 единицам (НОК 24, 20 и 8). Это означает, что A делает 120/24 = 5 единиц в день, B делает 120/20 = 6 единиц в день. Вместе они завершили работу за 8 дней, что означает, что они делают 120/8 = 15 единиц в день. Пусть единицы, сделанные C в день, будут = c. Теперь по утверждению 5 + 6 + c = 15 ⇒ c = 4 единицы. Теперь, если C делает 4 единицы в день, он может закончить работу за 120/4 = 30 дней.

Пример 4: Если машина X может изготовить 1000 болтов за 8 часов, а машина Y может изготовить 1000 болтов за 24 часа.За сколько часов машины X и Y, работая вместе с такой постоянной скоростью, могут произвести 1000 болтов?

Sol: Использование формулы для работы: 1/8 + 1/24 = 1 / час ⇒ 4/24 = 1/6. Работая вместе, станки X и Y могут изготовить 1000 болтов за 6 часов.

Пример 5: A и B могут выполнить часть работы за 36 дней, B и C за 48 дней, A и C могут выполнить эту работу за 72 дня. В какое время они смогут сделать все вместе?

Sol: Работа А и Б за один день = 1/36. Однодневная работа B и C = 1/48. Однодневная работа C и A = 1/72.
Если мы сложим все это, то получим работу 2A, 2B и 2C за 1 день, т.е. (1/36) + (1/48) + (1/72) + (1/16)
Это также означает, что Однодневная работа A, B и C будет составлять половину этой суммы, т.е. (1/2) x (1/16) = (1/32)
Отсюда можно найти, что они завершат работу за 32 дня.

Пример 6: A может выполнить столько же работы за 6 дней, сколько C за 10 дней. B может сделать столько же работы за 6 дней, сколько C – за 4 дня.Сколько времени потребуется B для выполнения работы, если для ее выполнения A потребуется 48 дней?

Сол. A: C :: 6: 10 или (A / C) = (3/5) и B: C :: 6: 4 или (B / C) = (3/2), (B / A) = ( B / C) x (C / A) = (3/2) x (5/3) = (5/2)
Следовательно, B = (5/2) x A ⇒ (5/2) x 48 = 120 дней.

Пример 7: A может выполнить часть работы за 48 дней, а B за 72 дня, но с помощью C они завершили работу за 24 дня. Из общей оплаты рупий. 3000, сколько нужно отдать С?

Sol: Выплата кому-либо осуществляется пропорционально проделанной работе, а не затраченным дням.Используя формулу работы и времени в 24 днях, работая в одиночку, A и B сделали бы 24/48 = 1/2 и 24/72 = 1/3 работы. Это означает, что они вместе сделали 1/2 + 1/3 = 5/6 работы. Оставшаяся 1/6 часть работы должна быть сделана С., единственным присутствующим лицом. Теперь, когда он выполнил 1/6 работы, ему следует заплатить 1/6 часть денег, т.е. 3000 × 1/6 = рупий. 500.

В этой статье мы узнали, как решать вопросы о времени и работе, применяя базовую формулу времени и работы и используя единичный подход.Здесь, используя единичный подход, вы упрощаете свои вычисления и можете решить вопрос, не слишком много пишите. Вы можете использовать этот подход в задачах работы со временем.

Решение проблем, связанных с работой

Решение проблем, связанных с работой Вот шаги, необходимые для решения проблем, связанных с работой:

Шаг 1 :	Задача, связанная с работой, может быть решена по формуле, где T = время совместной работы, A = время для человека A, работающего в одиночку, и B = время для человека B, работающего в одиночку.
Шаг 2 :	Решите уравнение, созданное на первом шаге. Это можно сделать, сначала умножив всю задачу на общий знаменатель, а затем решив полученное уравнение.
Шаг 3 :	Ответьте на вопрос, заданный вам в задаче, и обязательно включите в свой ответ единицы измерения.

Пример 1 – Уолтера и Хелен просят покрасить дом.Уолтер может покрасить дом самостоятельно за 12 часов, а Хелен может покрасить дом сама за 16 часов. Сколько времени нужно было бы на то, чтобы красить дом, если бы они работали вместе?

Шаг 1 : Проблема, связанная с работой, может быть решена с помощью формулы, где T = время совместной работы, A = время для человека A, работающего в одиночку, и B = время для человека B, работающего в одиночку.
Шаг 2 : Решите уравнение, созданное на первом шаге.Это можно сделать, сначала умножив всю задачу на общий знаменатель, а затем решив полученное уравнение. В данном случае наименьший общий знаменатель равен 48.
Шаг 3 : Ответьте на вопрос, заданный вам в задаче, и обязательно укажите единицы измерения.

Пример 2 – Том и Джерри должны заполнить и отправить по почте 1000 конвертов для новой маркетинговой кампании.Джерри может сделать это в одиночку за 6 часов. Если Том поможет, они сделают работу за 4 часа. Сколько времени потребуется Тому, чтобы справиться с работой в одиночку?

Шаг 1 : Проблема, связанная с работой, может быть решена с помощью формулы, где T = время совместной работы, A = время для человека A, работающего в одиночку, и B = время для человека B, работающего в одиночку.
Шаг 2 : Решите уравнение, созданное на первом шаге.Это можно сделать, сначала умножив всю задачу на общий знаменатель, а затем решив полученное уравнение. В этом случае наименьший общий знаменатель – 6А.
Шаг 3 : Ответьте на вопрос, заданный вам в задаче, и обязательно укажите единицы измерения.

Щелкните здесь для практических задач

Пример 3 – Одна труба может заполнить бассейн за 10 часов, а другая труба может опорожнить бассейн за 15 часов.Сколько времени потребуется, чтобы заполнить бассейн, если обе трубы случайно останутся открытыми?

Шаг 1 : Проблема, связанная с работой, может быть решена с помощью формулы, где T = время совместной работы, A = время для человека A, работающего в одиночку, и B = время для человека B, работающего в одиночку. В этом случае одна труба заполняет бассейн, а другая опорожняет бассейн, поэтому мы получаем уравнение:
Шаг 2 : Решите уравнение, созданное на первом шаге.Это можно сделать, сначала умножив всю задачу на общий знаменатель, а затем решив полученное уравнение. В данном случае наименьший общий знаменатель равен 30.
Шаг 3 : Ответьте на вопрос, заданный вам в задаче, и обязательно укажите единицы измерения.

Щелкните здесь для практических задач

Пример 4 – Один кровельщик может установить новую крышу дома в три раза быстрее, чем другой.Работая вместе, они могут построить крышу дома за 5 дней. Сколько времени потребуется более быстрому кровельщику, работающему в одиночку?

Шаг 1 : Проблема, связанная с работой, может быть решена с помощью формулы, где T = время совместной работы, A = время для человека A, работающего в одиночку, и B = время для человека B, работающего в одиночку.
Шаг 2 : Решите уравнение, созданное на первом шаге. Это можно сделать, сначала умножив всю задачу на общий знаменатель, а затем решив полученное уравнение.В этом случае наименьший общий знаменатель – 3x.
Шаг 3 : Ответьте на вопрос, заданный вам в задаче, и обязательно укажите единицы измерения.

Щелкните здесь для практических задач

Пример 5 – Тройняшки, Джастин, Джейсон и Джейкоб работают над школьным проектом. Джастин может завершить проект сам за 6 часов, Джейсон может завершить проект сам за 9 часов, а Джейкоб может завершить проект сам за 8 часов.Сколько времени потребуется тройняшкам, чтобы завершить проект, если они будут работать вместе?

Шаг 1 : Проблема, связанная с работой, может быть решена с помощью формулы, где T = время совместной работы, A = время для человека A, работающего в одиночку, и B = время для человека B, работающего в одиночку. В этом случае есть три человека, поэтому уравнение выглядит следующим образом:
Шаг 2 : Решите уравнение, созданное на первом шаге.Это можно сделать, сначала умножив всю задачу на общий знаменатель, а затем решив полученное уравнение. В данном случае наименьший общий знаменатель 72.
Шаг 3 : Ответьте на вопрос, заданный вам в задаче, и обязательно укажите единицы измерения.

Щелкните здесь для практических задач

.