Что такое работа в физике? Работа сил, работа при расширении газа и работа момента силы

Каждый понимает, что работа - это некий вид социальной активности человека, который ему необходим, чтобы обеспечивать свое существование. Тем не менее в физике также существует аналогичное понятие, которое имеет совершенно иной смысл. Что такое работа в физике, ответит данная статья.

Работа как физическая величина

Отвечая на вопрос, что такое работа в физике, следует уточнить, что это энергия, которая затрачена на совершение каких-либо действий. Например, человек переносит груз с одного места на другое, при этом он совершает работу против сил трения. Если же этот человек начнет поднимать груз, то его работа будет направлена на преодоление силы тяготения планеты. Другой пример: газ, находящийся под поршнем, в результате нагрева начинает увеличивать свой объем, в таком случае говорят, что он совершает некоторую работу.

Во всех перечисленных случаях присутствует одна общая черта: работа отличается от нуля только тогда, когда имеется какой-либо тип механического перемещения объектов или их частей (движение рабочего с грузом, расширение газа).

Таким образом, работа - это процесс перевода энергии из одного состояние в другое для данного тела, в результате которого это тело изменяет положение в пространстве.

Формула работы

Теперь покажем, как количественно можно вычислить изучаемую величину. Перевод энергии между разными состояниями возможен только в том случае, если присутствует некоторая сила. Это может быть физическое усилие человеческих рук и ног, сила машин, создаваемое давление, которое легко пересчитывается в силу, в случае сгорания топлива в цилиндре, сила электромагнитной индукции электродвигателя и так далее.

На вопрос, как находить работу в физике, ответит следующая формула:

A = (F¯ * l¯)

Работа A - это скалярная величина, в свою очередь сила F¯ и перемещение l¯ - это величины векторные. Именно поэтому в формуле для вычисления A используются круглые скобки, чтобы показать, что речь идет о скалярном произведении векторов. В скалярной форме выражение выше можно переписать в следующем виде:

A = F * l * cos(φ)

Здесь φ является углом между векторами силы F¯ и перемещения l¯.

Поскольку перемещение измеряется в метрах, а сила в ньютонах, то единицей работы будет ньютон на метр (Н * м). В СИ эта единица имеется собственное название - джоуль (Дж). Получается, что работа в 1 Дж соответствует силе в 1 Н, которая, действуя вдоль направления смещения, переместила тело на 1 метр.

Работа газа

Мы разобрали вопрос, что такое механическая работа в физике, и привели формулу, по которой ее можно вычислить. В случае расширения газов используют, однако, иное выражение.

Предположим, что у нас имеется газовая система, которая заполняет объем V₁ и находится под давлением P. Пусть в результате какого-либо внешнего или внутреннего воздействия на систему ее объем изменился и стал равным V₂. Тогда работу газа A можно определить по такой формуле:

A = ∫_V(P(V) * dV)

Если изобразить на графике функцию P(V) в осях P-V, то площадь под кривой численно будет равна величине A.

В случае изобарного процесса (P = const) для идеального газа ответом на вопрос, как находить работу в физике, будет следующее простое выражение:

A = P * (V₂-V₁)

Если в результате термодинамического процесса объем газа не изменяется, то его работа будет равна нулю. Если V₂>V₁, то газ совершает положительную работу, если V₁>V₂, то отрицательную.

Работа момента силы

Моментом силы называется физическая величина, которая выражается следующей формулой:

M = [F¯ * r¯]

То есть M равно векторному произведению силы F на радиус-вектор r относительно оси вращения. Момент силы выражается в Н*м.

Что такое в физике работа момента силы? На этот вопрос ответит следующая формула:

A = M * θ

Это равенство означает, если момент M, действуя на систему, приводит к ее повороту вокруг оси на угол θ, то он совершает работу A. Угол θ здесь должен выражаться в радианах, чтобы получить работу в джоулях.

Вычисление работы момента силы играет важную роль во всех механических системах, где имеется вращение, например, колеса, шестерни, валы и так далее.

Работа силы тяжести

Разобравшись, что такое работа в физике, вычислим эту величину для сил тяготения. Предположим, что тело массой m падает с высоты h. Поскольку сила тяжести F действует вертикально вниз, то она совершает положительную работу. Определяется она по такой формуле:

A = m * g * h,

где F = m * g

Многие в полученной формуле для величины A могут увидеть выражение для потенциальной энергии тела, находящегося в поле сил гравитации. Во время падения тела сила тяжести совершает работу по переводу потенциальной энергии тела в кинетическую энергию его движения.