Измерение единицы работы силы в физике
Содержание
- 1 Определение
- 2 Кинетическая энергия
- 3 Потенциальная энергия
- 4 Работа в термодинамике
- 5 Работа силы в теоретической механике
- 6 Размерность и единицы
- 7 Видео
Слово «работа» имеет несколько значений: результат труда, действие механизма, любая деятельность или её готовый продукт. В чём измеряется работа, можно говорить лишь после того, как станет понятно, о каком процессе идёт речь. В физике рассматриваются такие её виды, как: механическая, термодинамическая или работа выхода – количество энергии, приданное отрицательно заряженной частице (электрону) для удаления его из твёрдого вещества.
Работа как составная часть процесса
Определение
Когда на тело действует некоторая сила, заставляющая его проделать путь в определённом направлении, есть смысл говорить о совершённой им полезной работе. Это физическая мера, в механике равна скалярному значению силы, влияющей на тело.
Важно! Работа напрямую зависит от того, куда и в какую сторону действует сила, от её количественного значения, а также от того, как далеко переместится объект, попавший под воздействие этой силы.
Работа силы, приложенной к материальной точке
Сила F→ постоянной величины и направления воздействует на точку. Траектория движения точки прямолинейная. Соответствующая A такой силы будет равна произведению её проекции F→ на направление перемещения (касательную) и длину элементарного смещения точки:
A = Fs*s = F*s*cos(F,s) = F→*s→ ,
где:
- А – работа;
- F→ – сила;
- s→ – вектор смещения.
Как видно из формулы, это произведение скалярное.
Внимание! При таких вычислениях F→ пребывает неизменной в промежутке времени, за которое рассчитывается необходимая работа.
Такая формула справедлива только для прямолинейного перемещения точки и F→ = const. В противном случае рассчитать работу поможет интеграл:
А = ∫ F→*ds→,
тут интеграл второго рода является криволинейным и суммирует все перемещения по кривой. При этом необходимо принимать перемещения ds→ конечными, в итоге длину каждого сделать стремящейся к нулю.
Приложение силы к реальной точкеРабота сил, приложенных к системе материальных точек
Возникает, когда необходимо измерить значение для сил, влияющих на систему реальных точек. Её можно получить путём сложения работ для сил, способствующих передвижению каждой точки такой системы.
Для случаев, когда тело не представляет собой систему, состоящую из дискретных точек, применяют его мысленное разбиение на элементы. Бесконечно маленький размер такого элемента позволяет считать его материальной точкой. Применение интегрирования вместо дискретной суммы даст возможность рассчитать значение A.
К сведению. Производить математические вычисления допустимо для нахождения работы не только одной определённой силы, но и для любого количества подобных сил, приложенных к точке или системе точек.
Кинетическая энергия
В чем измеряется освещенностьЭто часть полной энергии, определяющая энергетику движения. В системе СИ измеряется в джоулях (Дж), в СГС – в эргах (эрг).
Как связать понятие работы с кинетической энергией? Формула кинетической энергии имеет вид:
Ek = m*v2/2.
В этой формуле физическая величина Ek равна 1/2 от массы тела, умноженной на скорость этого тела в квадрате.
Кинетическая энергияДалее отображается работа сил, воздействующих на точку при помощи 2-го закона Ньютона. Формула закона позволяет через ускорение (а) выразить силу (F):
F = m*a,
где:
- m – масса тела;
- a – ускорение тела.
Оперируя с кинематическими величинами и обратив внимание на формулу А = F*s, пробуют выразить желаемую взаимосвязь.
Случай прямолинейного ускоренного движения, где скорость и перемещение можно выразить формулой:
s = v22-v21/2a,
где:
- v1 – модуль вектора начальной скорости (в начале участка);
- v2 – модуль вектора конечной скорости (в конце участка).
Следует подставить значение величины перемещения s и F в формулу работы:
А = m*a*(v22-v21)/2a = m*v22/2 – m*v21/2.
Уменьшаемое или вычитаемое, отображаемые во второй части полученного равенства, имеют общий вид:
m*v/2.
Это есть кинетическая энергия, её обычно обозначают – Ek.
Из всего этого следует, что работа, выполняемая над телом, равнодействующих сил, соответствует изменению Ek.
Следует запомнить! Когда сила давит на тело сонаправленно его движению, совершаемая ею работа положительна, и Ek > 0. Когда она приложена навстречу движению тела, тогда Ek < 0, и работа отрицательная.
Второй закон НьютонаПотенциальная энергия
В чем измеряется светЭта физическая хаpaктеристика является частью полной механической энергии. Описывает расположение тела в силовом поле (источнике силы). Причём эта величина может давать оценку только для целой системы. Она бесполезна для хаpaктеристики отдельных точек. При этом оценивается не величина, а ее изменение.
Единицей измерения является Дж или Эрг. Наиболее часто применяемые графические обозначения – U, Ep, W.
Различают следующие типы потенциальной энергии:
- в пределах земного притяжения;
- в зоне действия электростатических полей;
- в системах механической природы.
Для тела, расположенного поблизости от земной поверхности, формула имеет вид:
Ер = m*g*h,
где:
- m – масса;
- g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2);
- h – высота центра массы тела над нулевым уровнем.
Уровень нуля можно выбирать произвольно.
Электрически заряженная материальная точка, имеющая потенциал φ(r→), находясь в зоне электростатического поля, обладает потенциальной энергией Ер. Она вычисляется с помощью выражения:
Ер = qp* φ(r→),
где qp – электрический заряд, которым эта точка обладает.
В механических системах при упругих деформациях тела разные его точки взаимодействуют между собой. Такие взаимодействия можно охаpaктеризовать потенциальной энергией.
Упругая деформация может быть записана как:
Ep = k*(∆x)2/2.
Здесь k – это жёсткость (упругость), ∆x – величина смещения от равновесного положения.
Работа в термодинамике
В чем измеряется работа сил в термодинамике? Термодинамика рассматривает процессы преобразования системы, в результате которых меняется объём. При этом внутреннее изменение энергии тела есть работа. Лучше всего разобрать это на примере воздействия газа на поршень. Пусть газ давит на поверхность поршня с силой F→’. Она, согласно 3-му закону Ньютона, направлена в противоположную сторону той силе, с которой поршень воздействует на газ. Это значит, F→’ = – F→.
Единица измерения силы токаПод давлением газа (p) поршень начинает совершать перемещение ∆h. В случае, если оно мало, то можно говорить о том, что p = const. Тогда работа будет равна A’ = F’*∆h. Можно подставить сюда значение F’= p*S, где S – площадь поверхности, на которую давит газ. После этого выражение примет вид:
A’ = p*S*∆h = p*∆V,
где ∆V – изменение объёма.
Важно! Работа положительная, если газ расширяется. Это обусловлено тем, что поршень движется в ту же сторону, куда направлена F→’. При сжимании газа его работа имеет отрицательное значение, потому как поршень перемещается в противоположную от F→’ сторону.
Работа в термодинамикеРабота силы в теоретической механике
При изучении в теоретической механике преобразований любых форм механического движения в иные типы движения используют понятие работы силы. При расчётах подразумевают, что и направление, и модуль этой силы F постоянны, выражение имеет вид:
A = F→*s→ = F*s*cos(F→,s→) = F*s*cos α.
От угла α зависит знак А, от направления зависит величина работы:
- если угол α между направлением силы и перемещением равен нулю, то A = F*s;
- работа А имеет положительное значение, если α меньше 900, и отрицательное, если он больше 900;
- при α = 900 между направлениями силы и перемещения работа равна нулю;
- при α = 0, когда направления F и s совпадают, А = F*s;
- при α = 1800 (сила и перемещение противоположны по направлению), А = – F*s.
Отдельными случаями в теоретической механике рассматривают воздействие сил при перемещениях точек по криволинейным траекториям и их вращениях по оси.
Размерность и единицы
Работа, совершаемая в процессах физики, имеет почти одинаковые обозначения, измерять её можно, зная единицы.
Основная единица измерения работы – 1 джоуль (Дж). Он равен:
1 Дж = 1 Н*м = 1 кг*м²/с².
1 эрг = 1 г*см²/с² = 1 дин*см = 10−7 Дж.
Работа двигателя внутреннего сгорания соразмерна тяге одной лошади. Одна лошадиная сила равна поднятию лошадью тяжести весом 75 кг. Хотя это не совсем верно. В данном случае речь идёт о мощности, это не что иное, как работа двигателя, выполняемая им ежесекундно.
(В*А*с) – это тоже единица измерения, работа, совершаемая электрическим током при перемещении заряженных зарядов по цепи за единицу времени. Сама формула пишется так:
А = U*I*t,
где:
- U – напряжение, (вольт);
- I – ток (ампер);
- t – время (cекунда).
Сила трения, которая не только изнашивает трущиеся детали, но и помогает движению трaнcпорта, также совершает определённую работу. Её выполняет и сила тяжести. На определение величины работы тех или иных сил влияют условия, при которых она совершается.
Видео
Виды стабилизаторов по классам. Выбор типа защитного устройства. Подготовка места для монтажа стабилизатора напряжения. Стабилизатор напряжений: типовая схема подключения. Порядок проведения работ. Стабилизация трёхфазного питающего напряжения....
09 05 2026 20:32:56
Определение магнитной (диамагнитной) левитации. Магнитная левитация: эксперименты в домашних условиях. Как сделать левитирующий магнит своими руками. Применение магнитов в подшипниках. Как используют магнитную левитацию в ветрогенераторах....
08 05 2026 1:11:33
Освещение светодиодное в квартире становится более популярным, благодаря низкому потрeблению электроэнергии и эстетической привлекательности светильников....
07 05 2026 8:54:19
Виды выключателей: наружные и встроенные - преимущества и недостатки. Диммеры, датчики движения, кнопочные и сенсорные выключатели света. Как поменять выключатель своими руками. Необходимые инструменты и расходные материалы....
06 05 2026 17:59:11
Что такое напряжение прикосновения и методы его измерения. Приборы предназначенные для измерения тока напряжения. Меры электробезопасности. Электротравмы: местные и общие (общее поражение электрическим током)....
05 05 2026 6:12:44
Требования к светодиодным осветительным приборам для уличного освещения и их класификация. Принцип работы и конструкция светильников для магистралей и улиц....
04 05 2026 7:38:13
Промышленное освещение осуществляют с помощью светодиодных светильников и ламп, которые являются наиболее экономичными и полностью соответствуют нормам....
03 05 2026 18:37:23
Назначение и принцип работы УЗО. Подключения устройства защитного отключения. Основные отличия УЗО от дифференциального автомата. Как выбрать нужное устройство по параметрам....
30 04 2026 2:26:14
Общее описание прибора учета электроэнергии Меркурий 201. Правила (схема) подключения и технические хаpaктеристики однофазного счетчика Меркурий-201. Преимущества использования в быту и на производстве....
29 04 2026 20:11:30
Требования для существования постоянного электрического тока. Электрический ток и его плотность: определение и формулы для вычисления величины. Виды электротока, условия протекания и единицы измерений рассмотренных величин. Вектор плотности тока....
28 04 2026 11:35:29
Как сделать штроборез для газобетонных стен с пылезащитным кожухом из профтрубы или пластиковой канистры своими руками. Конструкция и принцип работы. Техника штробления. Пошаговая инструкция. Техника безопасности....
27 04 2026 9:17:59
При обустройстве жилья это направление особенно популярно...
26 04 2026 19:32:50
Маркировка электролитических конденсаторов. Какие существуют виды и типы. Электролитический конденсатор переменной емкости....
25 04 2026 23:44:40
Полезная мощность: какую энергию называют полезной, по какой формуле она высчитывается. Потери внутри источника питания и внутреннее сопротивление. Энергия Р и КПД. Коэффициент полезного действия нагрузки. Измерение мощности источника тока....
24 04 2026 18:56:43
Формулы для перевода вольтамперов в ватты. Напряжение умножаемое на ток - мощность. Понятие активной, реактивной и полой силы. Отличие ватта от вара и вольт ампера. Определение мощности в электричестве....
23 04 2026 20:16:47
Аккумуляторы и их виды: классификация аккумуляторных батареек в зависимости от размера, мощности и конструкции. АКБ: принцип работы и применение. Зарядные устройства для аккумуляторных батарей в зависимости от типа аккумуляторов....
22 04 2026 18:12:59
Единицы измерения освещенности. Формулы вычисление конкретного значения кандел, люменов и люксов. Обозначения на источниках света. Рекомендуемые значения освещённости разных жилых помещений....
21 04 2026 10:36:19
Генератор Тесла или вечный двигатель? Определение альтернативной энергетики. Tрaнcформатор и генератор Николы Теслы. Изготовление генератора своими руками в домашних условиях. Схемы сборки и запитки основных узлов....
20 04 2026 22:12:40
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля AWG: электрические и механические хаpaктеристики. Таблица перевода номеров AWG в дюймы и миллиметры. Особенности американской маркировки проводов AWG....
19 04 2026 19:28:39
Экстренная реанимация батареи "на один звонок". Использование пальчиковой батарейки. Солнечные батареи и переносные зарядные устройства. Зарядка для телефона без розетки за городом и на отдыхе....
18 04 2026 16:43:26
Назначение и принцип работы терморегуляторов с датчиком температуры воздуха. Важные функции выполняемые термореле или термостатом. Особенности датчиков температур. Особенности эксплуатации терморегулятора оснащенного выносными датчиками....
17 04 2026 21:22:54
Формулирование закона электромагнитной индукции (закон Фарадея). Опыты с электромагнитыми катушками. ЭДС индукции в проводнике: расчет индуктивного напряжения. Законы электролиза. Электромагнитная индукция: история и современное применение....
16 04 2026 8:29:28
Что представляют собой точечные светильники. Как грамотно организовать подготовительный и монтажный процесс подключения точечного светильника...
15 04 2026 2:20:40
Для чего нужно заземление. Классификация заземления: отличие устройств в зависимости от их предназначения. Защита от молний. Использование естественных заземлений. Как правильно сделать искусственное заземление в частном доме: срок службы заземления....
14 04 2026 8:36:22
Поперечные сечения проводников: самостоятельный расчет. Определение поперечного сечения. Измерение диаметра жилы. Геометрические формулы расчетов. Разница ГОСТов и ТУ....
13 04 2026 15:38:15
Основные понятия электротехники. Круг вопросов, рассматриваемых в большинстве курсов по электротехнике. Определения электромагнетизма, переменного тока и электрических машин (электродвигатели и генераторы)....
12 04 2026 17:35:29
Сравнение двух источников света: люминесцентные лампы и светильники и светодиодные источники света. Их подключение, демонтаж и монтаж....
11 04 2026 19:43:30
Способы пайки: пайка прибором, работающим от тока, с помощью газовой горелки, стыковка двух материалов или провода без паяльника. Как правильно паять паяльником с кислотой....
10 04 2026 14:33:25
Разновидность кабель каналов: цепеобразный, трубчатый (гофрированный), секционный. Различие гибких каналов для кабеля по способу укладки и типу. Сфера применения, требования пожарной и электробезопасности к гибкому каналу для кабелей....
09 04 2026 19:25:33
Принцип работы синхронного генератора. Подробное описание устройства ротора. Реакция якоря и режимы работы СГ. Синхронные генераторы: хаpaктерные черты и принцип работы....
08 04 2026 8:44:30
Что такое источник тока с точки зрения теоретической и пpaктической электротехники. Химические (гальванические элементы и аккумуляторы) и физические (преобразующие тепловую, солнечную и пр. энергии) источники токов....
07 04 2026 1:55:25
Установка розеток с заземлением это легко, но нужно знать основные принципы и особенности таких розеток, все это вы найдете...
06 04 2026 12:34:34
Закон Ома для полной замкнутой цепи. Принцип пропорциональности. Особенности сопротивлений в источниках питания. Как вычислить сопротивление ЭДС. Что такое теория электро- радиотехнических цепей....
05 04 2026 13:27:38
Включение постоянных конденсаторов в цепи синусоидальной ЭДС. Простейший тип включения. Емкостное сопротивление конденсатора. График ёмкостного сопротивления. Работа в ёмкостной нагрузке....
04 04 2026 2:56:58
Понятие кабельного чулка. Преимущества кабельных чулок, облегчающих процесс протяжки и фиксации кабеля. Разновидности кабельных чулок. Кабельные чулки с петлями различной модификации....
03 04 2026 4:48:13
Как изготовить рамочную магнитную антенну из коаксиального кабеля своими руками в домашних условиях. Устройство рамочной магнитной антенны. Особенности эксплуатации и расположения устройства....
02 04 2026 15:42:56
Зарядное устройство аккумуляторов шуруповерта. Разновидности устройств для зарядки батарей. Дополнительные функции устройств для зарядки. Ремонт и модернизация зарядных приборов своими руками. Форм фактор, совместимость....
01 04 2026 21:47:38
Принцип работы простейшего электрического дверного звонка. Разновидности в зависимости от назначения. Проводные дверные звонки и беспроводные устройства. Об установке дверных звонков....
31 03 2026 17:37:57
Подключить, монтировать трaнcформатор тока в цепях защиты и измерения. Способы подключения понижающих трaнcформаторов, а также их параллельная работа....
29 03 2026 21:18:28
Устройство и разновидности проходных выключателей. Схемы подключения проходного выключателя в квартире и загородном доме. Проходной выключатель: монтаж своими силами....
28 03 2026 12:23:49
Что представляет собой короткое замыкание. Причины возникновения короткого замыкания. Виды коротких замыканий. Защита от КЗ. Виды пpeдoxpaнителей и автоматических выключателей. Что такое УЗО....
27 03 2026 22:56:41
Внешний кронштейн для антенны на дачу или для стены дома. Крепеж для тв антенны на крышу...
26 03 2026 7:24:33
Оплата электроэнергии и её условия. Льготы и возможность их использования. Права и обязанности сторон. Примеры различных ситуаций, советы, видео, фото....
25 03 2026 17:19:54
Выбор подходящей конструкции: сравнение горизонтальных и вертикальных исполнений ветряных генераторов. Особенности конструкции лопастей. Изготовление ветрогенераторов своими руками из автомобильного генератора....
23 03 2026 16:25:22
Что такое гистерезис. Вещества и их магнитные свойства. Использование явления. Использование графического изображения петель гистерезиса для упрощения расчётов хаpaктеристик магнитных полей и параметров систем. Площадь магнитного гистерезиса....
22 03 2026 20:34:49
Формирование аттестационных комиссий при образовательных центрах и на предприятиях с энергоустановками. Состав аттестационной комиссии по проверке знаний по электробезопасности на предприятии....
21 03 2026 6:29:28
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
