Механическая работа

Термин «работа» был введен в физику в 1826 г. французским ученым Ж. Понселе. Если раньше работой называли лишь труд человека, то теперь под этим стали понимать еще и определенную физическую величину:

A – работа

Для расчета механической работы Понселе предложил специальные правила. Мы рассмотрим лишь самые простые случаи. Пусть тело, к которому приложена какая-то постоянная сила F, перемещается вдоль прямой линии на расстояние s. Тогда:

1) если направление движения тела совпадает с направлением приложенной силы (рис. 44), то данная сила совершает положительную работу, равную произведению силы на пройденный путь:

    A = Fs;    (18.1)

2) если направление движения тела противоположно направлению силы (рис. 45), то данная сила совершает отрицательную работу, равную произведению силы на путь, взятому со знаком «минус»:

    A = -Fs;    (18.1)

3) если скорость тела перпендикулярна направлению силы (рис. 46), то эта сила никакой работы не совершает:

A = 0.

Формула (18.1) показывает, что, чем больше сила и путь, пройденный в направлении действия силы, тем больше работа, совершаемая данной силой.

Для совершения работы необходимо выполнение трех условий: а) к телу должна быть приложена какая-то сила; б) тело должно двигаться; в) направление движения не должно быть перпендикулярным по отношению к направлению действия силы. Если хотя бы одно из этих условий не будет выполнено, то работа будет равна нулю.

Если тело, к которому приложена сила, продолжает оставаться в покое, то механическая работа при этом не совершается. Но немеханическая работа может совершаться и в этом случае. Именно поэтому, например, устает человек, который просто держит на весу какой-либо груз. Работа, совершаемая человеком, обусловлена процессами, происходящими в его организме. Тщательные наблюдения показывают, что груз в руках человека на самом деле не остается в полном покое, а совершает небольшие колебания, периодически поднимаясь и опускаясь. Мышцы человека при этом то расслабляются, то сокращаются, затрачивая на каждый микроскопический подъем груза вырабатываемую организмом энергию.

Примером немеханической работы является и простое запоминание человеком какой-либо информации. Этот процесс связан с жизнедеятельностью клеток мозга и потому изучается в курсе биологии человека.

Единицей работы в СИ является джоуль (1 Дж). 1 Дж — это работа, которую совершает сила в 1 Н на пути 1 м в направлении действия силы. Эта единица названа в честь английского ученого Дж. Джоуля (1818—1889):

1 Дж = 1 Н*м.

Часто применяются также килоджоули и миллиджоули:

1 кДж = 1000 Дж, 1 мДж = 0,001 Дж.

1. В каком случае работа положительна? отрицательна? равна нулю? 2. Как находится работа на пути, пройденном в направлении действия силы? в противоположном направлении? 3. Как называется единица работы? 4. Какую работу — положительную, отрицательную или равную нулю — совершает сила тяжести в следующих случаях: а) выпущенная из лука стрела летит вертикально вверх; б) спутник движется по круговой орбите вокруг Земли; в) камень падает вертикально вниз? 5. Какую работу совершает сила трения покоя, мешающая человеку сдвинуть с места тяжелый шкаф?