Работа в физике

– Что вам задано на завтра по физике, Игорь? - спросил Иван Иванович, подходя к столу, за которым сидел его сын, перелистывая учебник физики.

– Повторить о работе. Очень мало, всего три параграфа и две задачи. Это очень просто. Я уже приготовил уроки.

– Мало — это верно, но просто ли? Вот скажи, пожалуйста, что называется работой?

– Что называется работой? М-м-м, пожалуй, прямого ответа на этот вопрос в книге нет. Приводятся примеры работы, говорится, что понятие о работе в механике не совпадает с представлением о работе в обыденной жизни. В механике понятие работы относится только к тем случаям, когда какое-либо тело перемещается под действием приложенной к нему силы... Но что называется работой?! Постой, учитель задал, например, такой вопрос: «По гладкому горизонтальному льду катится стальной шарик. Допустим, что сопротивление движению (трение) отсутствует. Совершается ли при этом механическая работа?» Может быть, механическая работа представляет собой преодоление сопротивления на пути движения тела. Работой называют произведение силы на путь, пройденный по направлению силы:

A = Fs.

– Так, преодоление сопротивления, говоришь? Скажи, если тело массой m, падая в пустоте, например в трубке Ньютона, проходит путь h, то совершает ли работу сила тяжести?

– Конечно, A = mgh.

– Ну, а что же здесь преодолевается?

Лицо Игоря выражает крайнее изумление. Как же так? Есть и перемещение, и сила, приложенная к телу, т. е. соблюдены оба условия, необходимые для того, чтобы можно было говорить о работе, а в чем же тут состоит работа? Что преодолевается? Нельзя же сказать, что преодолевается инерция тела. Учитель не один раз разъяснял, что сохранение состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения по инерции никак нельзя понимать как сопротивление тала изменению его состояния. В чем же тут дело?

– Что же произошло с телом? Как изменилось его состояние? Как движется свободно падающее тело?

– Равноускоренно. Тело под действием силы тяжести стало двигаться, и притом ускоренно. Теперь оно обладает кинетической энергией! Результат работы: тело получило энергию.

– Неужели ты думаешь, что тело не имело энергии в верхней точке?

– Имело, потенциальную. Теперь ее стало меньше, но появилась кинетическая энергия.

– А вот другой пример. Когда я поднимаю вот эту книгу и ставлю ее на верхнюю полку, я совершаю работу против силы тяжести. Книга поднята. У нее добавилась потенциальная энергия по сравнению с прежним ее положением. Откуда она взялась?

Игорь (радостно). Знаю, это твоя энергия! Ты отдал часть энергии книге. Работа, стало быть, есть передача энергии от одного тела к другому. Поднимая книгу, ты совершал работу, т. е. передавал энергию.

– Хорошо, думай дальше. Я снимаю книгу с полки и опять кладу ее на стол. Вернулась ли ком не прежняя энергия?

Лицо Игоря снова вытягивается, он морщит лоб, силясь разрешить задачу.

– Потенциальная энергия книги, снятой с полки, стала меньше. Куда же делась кинетическая энергия, какую она приобрела бы, падая с той же высоты? Эта энергия, конечно, досталась мне, но не вернула меня в прежнее состояние. Удерживая книгу от падения, я должен был напрягать мускулы, произошли физиологические изменения, которые нельзя учесть по законам механики.

– Работа по преодолению силы трения, силы сопротивления среды...

– Опять преодоление? Нет, мне решительно не нравится такое определение работы. Гораздо лучше, если ты всегда будешь рассматривать работу как передачу энергии от одного тела к другому, причем почти всегда будет происходить превращение энергии из одного вида в другой.

На что расходуется энергия лошади при перевозке дров на санях? Учти, что ответ: «Энергия пошла на преодоление трения» - я не зачту.

Игорь пытается ответить, но ему не хватает нужных слов.

Отец. Принеси мне, пожалуйста, из соседней комнаты со стола книгу «Избранные сочинения» Горького. Я прочту тебе замечательное описание работы грузчиков на пристани.

Игорь нашел требуемую книгу и передал ее отцу.

– Спасибо. Пока я найду нужную страницу, скажи, в чем заключалась сейчас твоя работа, когда ты нес книгу. Не о работе по преодолению силы трения тут речь, ты же не шаркал ногами по полу, да и не так велико сопротивление среды. Может быть, ты поднимал груз?

Нет, положительно не везло в этот вечер Игорю. Что ни вопрос, то загадка. И на этот вопрос он не может самостоятельно ответить.

– Ну, так и быть, я тебе помогу ответить на эти вопросы. Когда ты идешь с книгой или без книги, то при каждом шаге центр тяжести твоего тела поднимается и опускается. По существу при ходьбе ты совершаешь работу, связанную с многократным подниманием центра тяжести. А теперь слушай, как написал Горький в повести «Мои университеты»: «Мне хорошо памятен день, когда я впервые почувствовал героическую поэзию труда.

Под Казанью села на камень, проломив днище, большая баржа с персидским товаром; был сентябрь, дул верховой ветер, по серой реке сердито прыгали волны, ветер бешено срывал их гребни, кропил реку холодным дождем. Артель, человек полсотни, угрюмо расположилась на палубе пустой баржи, кутаясь рогожами и брезентом...

К полуночи доплыли до переката, причалили пустую баржу борт о борт к сидевшей на камнях; артельный староста, ядовитый старичишка, рябой хитрец и сквернослов, с глазами и носом коршуна, сорвав с лысого черепа мокрый картуз, крикнул высоким, бабьим голосом:

– Молись, ребята!

В темноте, на палубе баржи, грузчики сбились в черную кучу и заворчали, как медведи, а староста, кончив молиться раньше всех, завизжал:

– Фонарей! Ну, молодчики, покажи работу! Честно, детки! С богом – начинай!

И тяжелые, мокрые люди начали «показывать работу». Они, точно в бой, бросились на палубу и в трюмы затонувшей баржи — с гиком, ревом, с прибаутками. Вокруг меня с легкостью пуховых подушек летали мешки риса, тюки изюма, кож, каракуля, бегали коренастые фигуры, ободряя друг друга воем, свистом, крепкой руганью. Трудно было поверить, что так весело, легко и споро работали те самые люди, которые только что жаловались на жизнь, на дождь. Дождь стал гуще, холоднее, ветер усилился, рвал рубахи, закидывал подолы на головы, обнажая животы. В мокрой тьме при слабом свете шести фонарей метались черные люди, глухо топая ногами о палубы барж. Работали так, как будто ожидали удовольствия швырять с рук на руки четырехпудовые мешки, бегом носиться с тюками на спине...

Я тоже хватал мешки, бросал, снова бежал и хватал, и казалось мне, что и я сам, и все вокруг завертелось в бурной пляске, что эти люди могут так страшно и весело работать без устали, не щадя себя — месяца, года, что они могут, ухватясь за колокольни и минареты города, стащить его с места, куда захотят.

Я жил эту ночь в радости, не испытанной мною, душу озаряло желание прожить всю жизнь в этом полубезумном восторге делания.

И до двух часов дня, пока не перегрузили весь товар, полуголые люди работали без отдыха под проливных дождем и резким ветром, заставив меня благоговейно понять, какими могучими силами богата человеческая земля».

Иван Иванович захлопнул книгу.

– Так-то, брат! Поэзия ручного труда! Горький, конечно, великий писатель, перец человека и его творческих сил. Но давай посмотрим на всю эту историю глазами физика. Давай подсчитаем работу, проделанную 50 грузчиками за 14 ч. Мощность человека в среднем равна одной десятой лошадиной силы (1 л. с. = 736 Вт), хотя в минуту душевного подъема, в экстазе, она может быть и больше одной лошадиной силы, но ненадолго. В данном случае, при длительной работе, я думаю, мы все же не сможем оценить ее свыше 0,15 л. с.
Зная мощность и время работы, мы можем вычислить проделанную работу:

A = Nt = 0,15 л. с. · 50 · 14 · ч · 736 · 10-3 кВт/л.с. = 76,3 кВт · ч.

Описанный Горьким случай относится к 1886 году.

Разгрузка такой баржи современными механизмами заняла бы не больше 3 ч, а главное, избавила бы людей от изнурительно тяжелой работы. Портальные краны, транспортеры, нории (вертикальные транспортеры), плавучие краны, судовые стрелы, пневматические перегрузчики совершенно преобразили работу крупных морских портов и речных пристаней.

А рекорды строительной техники! Я читал, что на постройке пирамиды Хеопса трудились 10000 рабов в течение 20 лет. В наши дни такую пирамиду можно было бы соорудить за 9 месяцев при участии всего 500 рабочих.

Вам, конечно, рассказывали в школе, что землеройные машины с вместимостью ковша 20 м3 заменяют 10 тысяч рабочих.

Разумеется, в основе успехов техники лежит наука, и в первую очередь физика. Вот почему ты должен особенно ценить уроки физики, читать дополнительную литературу.

Пока же предлагаю тебе несколько вопросов по теме, заданной на дом. Эти вопросы ты можешь предложить завтра товарищам.

  1. Человек, держащий в руках груз (корзину с продуктами), не совершает механической работы. Совершает ли работу этот человек, если он поднимается в лифте?
  2. Тело покоится на тележке, движущейся по инерции. Совершается ли при этом работа?
  3. При занятии гимнастикой человек поднимает и опускает гантели. Совершает ли он работу?
  4. Если человек стоит с грузом на плечах, он не совершает никакой работы, так как ничего не движет. Почему же устает стоящий человек, если у него на плечах какой-нибудь груз?
  5. Первый раз футбольный мяч ударился о штангу ворот и остановился. Второй раз мяч был схвачен вратарем, двигавшимся навстречу мячу с такой же по модулю скоростью, что и мяч. Будет ли разница в работах, произведенных мячом в первый и во второй раз? (Ответ: во втором случае работа будет в 4 раза больше.)
Физика: