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
Реактивное сопротивление резисторов и реактивных устройств. Понятие электрического импенданса. Вычисления падения напряжения на концах катушки индуктивности (соленоида). Расчет реактивного сопротивления конденсатора....
29 09 2026 3:51:48
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля ВББШВНГ. Маркировка жил на основе алюминия согласно ГОСТ. ВББШВНГ-кабель: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок. Конструкция провода ВББШВНГ....
28 09 2026 4:17:26
Кварцевые резонаторы: технический элемент резонансных схем. Принцип действия. Устройство резонатора. Для чего нужен кварцевый резонатор. Отличия кварцевого резонатора от кварцевого генератора....
27 09 2026 13:55:49
Обозначение конденсаторов на схеме. Технологическое подразделение конденсаторов на типы: электростатические, электролитические, двуслойные изделия. Конденсаторы с постоянной емкостью. Код номера конденсатора....
26 09 2026 12:56:12
Организационные и технические мероприятия по электробезопасности: назначение и список мер. Обязанности производителя работ в электроустановках. Порядок постановки задачи и допуска к работе: наряд на производство работ....
25 09 2026 17:18:20
Что собой представляет источник бесперебойного питания. Типы источников питания и выбор нужного в конкретных условиях устройства....
24 09 2026 23:15:48
Сейчас на рынке большое разнообразие декоративных розеток, мы покажем лучшие решения для вас! Керамика, дерево, фарфор и многое другое....
23 09 2026 19:16:34
Строение NYM-кабеля. Основные хаpaктеристики кабеля NYM. Преимущества и недостатки НУМ кабелей. Области применения, способы монтажа, производители и условия хранения кабельной продукции с маркировкой NYM....
22 09 2026 11:24:11
Описание и принцип работы электромеханического стабилизатора. Электромеханический стабилизатор напряжения: устройство и основные узлы прибора. Автотрaнcформатор и щеточный узел. Сервопривод и блок электроники электромеханических стабилизаторов....
21 09 2026 4:33:14
Отличительные особенности работы энергосистем. Классы устройств автоматики по предназначению и области применения. Системная противоаварийная автоматика. Логическая защита шин как модернизация линейной защиты....
20 09 2026 21:37:52
Расчет расхода электроэнергии с помощью формул и специальных калькуляторов это важная задача для планирования семейного бюджета, это просто!...
19 09 2026 11:24:40
Что такое напряжение прикосновения и методы его измерения. Приборы предназначенные для измерения тока напряжения. Меры электробезопасности. Электротравмы: местные и общие (общее поражение электрическим током)....
18 09 2026 2:42:32
Формула для определения мощности. Измеряем мощность приборами: мультиметр, бытовой ваттметр, прочие электроприборы. Потрeбляемая электроэнергия и способы экономии. Как измерить потрeбляемую мощность электроприбора мультиметром....
17 09 2026 13:29:24
Пути вычисления электрических схем. Категории элементов и устройств электрической цепи. Метод расчета по законам Ома и Кирхгофа. Метод преобразования электроцепи. Дополнительные методы расчета цепей....
16 09 2026 4:40:49
Цветовая температура светодиодных ламп: определения, условные обозначения, влияние на зрение человека. О цветовой температуре светодиодных ламп: таблица цветности, маркировки изделий. Что такое теплый и холодный свет....
15 09 2026 4:37:29
Внешний кронштейн для антенны на дачу или для стены дома. Крепеж для тв антенны на крышу...
14 09 2026 12:25:41
Признаки повреждения резисторов. Проверка сопротивления мультиметром. Порядок проверки «подозрительного» резистора. Переменный резистор: правила проверки (прозвона). Измеряем позистор. Мультиметр: правила эксплуатации....
13 09 2026 4:51:39
Виды кабель-каналов: прозрачные, перфорированные, гибкие, магистральные и другие. Размеры кабельных каналов для электропроводки и порядок монтажа кабель канала. Хаpaктеристика кабельного металлического канала....
12 09 2026 2:47:14
Определение и основные хаpaктеристики электрического поля. Особенности и свойства электрических полей. Проводники и диэлектрики в электро полях. Статическое распределение зарядов присущее электрическому полю....
11 09 2026 1:22:36
Определение емкости конденсатора по структурным размерам. Формулы для расчета емкостей конденсаторов. Конденсаторы с переменной емкостью и их хаpaктеристики. Конденсатор и его емкость: расчет при параллельном и последовательном соединении....
10 09 2026 15:50:42
Особенности правильной зарядки автомобильной аккумуляторной батареи. Время заряда аккумуляторов. Выбор оптимального по мощности зарядного устройства для автомобильных аккумуляторных батарей. Правила обслуживания АКБ....
09 09 2026 9:43:36
Определение и формулы для расчета удельных сопротивлений материалов. Проводимость и электросопротивление проводов. Выбор сечения кабеля: по допустимому нагреву, по допустимым потерям напряжения. Удельное сопротивление меди....
08 09 2026 20:49:44
Маркировка корпуса электроприборов. Расшифровка: что обозначают первая и вторая цифры в маркировке IPXX. Таблица кодов защиты. Класс (степень) защиты IPX7. Тестирование электроизделий погружением....
07 09 2026 2:56:47
Определение катода и анода в электрохимии. Применение катодов и анодов в вакуумных приборах и полупроводниковых элементах. Катод и анод - это плюс или минус?...
06 09 2026 18:16:41
Как правильно выбрать аккумуляторный шуруповерт. Виды акб шуруповертов: какой аккумулятор лучше. Основные технические хаpaктеристики шуруповерта: мощность, вид патрона, типы аккумуляторов, совместимость. Самый маленький профессиональный шуруповерт....
05 09 2026 21:34:43
В нынешнее время существует огромное разнообразие методов декорирования электропроводки, и новые веяния заставили нас разобраться в этой теме....
04 09 2026 4:42:12
Виды существующих зон их время, в суточном понимании. Выбор многотарифных счётчиков для их учёта и экономическая выгодность....
03 09 2026 11:32:35
Назначение и конструктивные особенности резисторов SMD. Расшифровка аббревиатуры SMD-резисторов, в том числе с типоразмером 0805. Маркировка резисторов с четырьмя цифрами и общие методики расшифровки....
02 09 2026 10:35:18
Перечень функций которые выполняет умный дом, варианты применяемого оборудования, а также проектирование умного дома. Как работает система....
01 09 2026 10:18:48
Особенности выбора светодиодов: требования к осветительным элементам. Устройство, особенности конструкции и схема светодиодной лампы. Схемные решения и необходимые детали. Светодиодные светильники своими руками....
31 08 2026 17:43:12
Для чего нужна цветовая маркировка резисторов. Определение сопротивления резистивных элементов. Цветовое кодирование резистора. Правила чтения цветовой маркировки. Отклонения от стандарта. Как расшифровать цветовую маркировку проволочных резисторов....
30 08 2026 23:47:21
Разновидности и хаpaктеристики металлических гофрированных труб. Металлическая гофра для проводки: преимущества и недостатки. Сфера применения металлического рукава. Особенности монтажа и эксплуатации....
29 08 2026 0:27:28
Кремниевые выпрямительные диоды универсального назначения на примере диода 1N4007. Общая информация, эксплуатационные и предельные параметры диодов 1 N 4007. Особенности применения 1-N-4007. Технические хаpaктеристики 1n4007....
28 08 2026 21:22:58
Назначение и конструкция самодельного фена паяльника. Температура нагрева спирали. Изготовление держателя для паяльника. Монтаж схемы управления, распайка платы контроллера. Изоляция нагревательного элемента....
27 08 2026 14:44:42
Подключение и установка наружной розетки дело важное, она должна соответствовать параметрам необходимым для безопасного использования....
26 08 2026 7:55:45
Электробезопасность, как система мероприятий, правил и средств, призванная обеспечивать безопасность людей на производстве и в быту. Об охране труда на производстве: электробезопасность как основа отсутствия травматизма....
25 08 2026 9:44:32
Принцип действия терморезистора. Виды и особенности конструкции терморезисторов, технические хаpaктеристики. Отличие позисторов от термисторов. Терморезистор: области применения, преимущества и недостатки....
24 08 2026 22:13:51
Кабель utp: основные хаpaктеристики и расшифровка аббревиатуры. Виды utp-кабелей. Отличие провода фтп от ютп. Правила монтажа utp-кабеля. Коннекторы для ютп проводов....
23 08 2026 13:10:15
Разница между прямой и обратной полярностью. Что будет, если перепутать полярность аккумулятора? Определение полярности АКБ без маркировки. Рекомендации по определению и обслуживанию аккумуляторов в зависимости от полярностей....
22 08 2026 13:16:10
Для чего применяются таймеры и рале времени, их различия и модификация. Правильный выбор нужного таймера....
21 08 2026 7:20:44
Принцип работы простейшего электрического дверного звонка. Разновидности в зависимости от назначения. Проводные дверные звонки и беспроводные устройства. Об установке дверных звонков....
20 08 2026 2:19:12
Технология сваривания аппаратами инверторного типа. Выбор конкретного аппарата для сварки жил проводников. Контактный, газовый и термитный способы сварки....
19 08 2026 16:19:43
Типы кримперов: разновидностей клемм, которые определяют тип используемого кримпера (трубчатый и разрезной хвостовик, сетевые и телефонные разъемы). Кримпер для обжима наконечников RJ. Как правильно работать с инструментом....
18 08 2026 6:35:57
Методы регулировки освещенности: реостатный или симисторный. Две группы выключателей с регулировкой яркости по конструктивному исполнению. Разновидности комнатных светорегуляторов. Типы используемых в выключателях с регулятором яркости ламп....
15 08 2026 11:15:22
Как правильно подключить диммер для ламп и светодиодной ленты. Схемы подключения диммера, особенности, правила....
14 08 2026 5:44:16
Основные правила эксплуатации. Действия домовладельца при поломке электросчетчика. Дополнительные причины для замены, профилактические меры, рекомендации....
13 08 2026 0:33:38
Определение и классификация тензометров: различие в тензометрах в зависимости от принципа действия. Тензометр: механическое оборудование и электрические приборы. Струнные и оптические тензометры....
12 08 2026 13:51:43
Рекуперативное торможение: достоинства и недостатки. Как работает система рекуперации. Что такое силовой спуск. Рекуперация на трaнcпорте: применение в электромобилях, электровелосипедах и на железной дороге. Торможение асинхронных двигателей....
11 08 2026 3:46:37
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
