Работа в физике — это величина, которую находят путем умножения модуля силы, перемещающей тело, на расстояние, на которое оно сдвинулось. В статье мы подробно рассмотрим ситуации, когда тело перемещается и остается неподвижным. Узнаем формулу работы и единицы ее измерения.
Силы, действующие на тело
Представим себе, что у нас есть нить, на которую подвешено тело. Со стороны нити на него действует сила упругости нити, обозначим ее F. Тело неподвижно, допустим, мы прикрепили нить к штативу. Нужно ли что-то делать, чтобы это состояние сохранялось сколь угодно долго? Нет. Хотя на тело действует сила, оно не двигается.
Работа в физике — это что такое? Прежде чем ответить на данный вопрос, рассмотрим ситуацию. Предположим, тело движется, но на него не действуют никакие силы. Например, если это шар в далеком космическом пространстве, вдали от всех звезд и галактик. Тогда сила их притяжения будет пренебрежимо мала. Изобразим схему.
Тело переместилось на некоторое расстояние s, но сила при этом отсутствует (F=0). Необходимо ли предпринимать какие-либо действия для того, чтобы тело продолжало двигаться? Нет. Это состояние может сохраняться сколь угодно долго. Это равномерное прямолинейное движение при отсутствии сил, действующих на тело.
Сила, производящая механическую работу
А теперь принципиально другая ситуация. Мы будем поднимать тот же шар. На него действует сила, она приложена к телу со стороны веревки. Величину перемещения шара обозначим буквой s, а силу — F. Будет ли шар сам подниматься? Нет, что-то должно его поднимать. Например, где-то должен работать электродвигатель. Но для того, чтобы он работал, с плотины должна падать вода, которая приводит к вращению турбины, к которой подключен генератор. По линии электропередач энергия должна передаваться в двигатель, а он — работать и поднимать груз. То есть перемещение не может реализоваться само по себе.
Физики говорят, что в первых двух случаях сила не выполняет никакой механической работы. В третьем случае работа выполняется. Чем она производится? Силой F. В физике работа — это величина. А раз так, то она может меняться в большую и меньшую сторону. Нетрудно догадаться, что если силу увеличить и перемещать тело на то же самое расстояние, то работа этой силы будет больше. Как можно увеличить силу? Например, взять шар в два раза тяжелее. Тогда работа увеличится вдвое. Следовательно, работа силы пропорциональна величине силы. Это закон.
Формула механической работы
Представим, что нам нужно поднять все тот же шар не на 50 см, а на 100 см. Необходимо совершить работу, чтобы поднять его сначала на первую половину дистанции, а затем на вторую. Всякий раз будет совершаться одинаковая работа, но общая работа будет в два раза больше. Значит, работа прямо пропорциональна расстоянию перемещения тела. Поэтому физики договорились обозначить величину F*s буквой А и назвать ее работой силы. Выражение F*s как раз и будет прямо пропорционально силе и перемещению тела.
A=F*s — это формула работы в физике. A — искомая величина силы, приложенной к телу, а s — путь, пройденный телом. Однако бывают ситуации, когда сила приложена к телу, а оно не перемещается. В нашем третьем случае тело перемещается в том же направлении, в котором приложена сила. Поэтому точнее будет сказать, что s — это перемещение тела в направлении действия силы. Сформулируем определение: работа в физике — это величина, равная произведению модуля силы на перемещение тела в направлении действия силы.
Единицы измерения
Посмотрим на определяющую формулу A=F*s. [А]=Н*м=Дж. Н — это ньютоны, Дж — джоули. Как понять, что из себя представляет 1 джоуль? Нарисуем схему, на которой изобразим силу, совершающую работу в один джоуль.
На рисунке показано первоначальное и конечное положение тела. Мы переместили его на расстояние 1 м. При перемещении к телу была приложена сила в один ньютон. А=1 Н*1 м=1 Дж. То есть один джоуль — это работа, совершаемая силой в один ньютон при перемещении тела, на расстоянии 1 м в направлении действия силы.
Один джоуль — это небольшая работа. Чтобы поднять килограммовую гирю на 10 см, нужно совершить работу в 1 джоуль. Чтобы поднять ее на метровую высоту, нужно совершить работу в 10 джоулей. Если говорить о работе подъемных кранов, то они поднимают тонны на десятки метров. Поэтому используют и другие единицы измерения работы: килоджоули, мегаджоули и т. д. 1 кДж=1000 Дж, 1 МДж=10^6 Дж. Стрелку настенных часов приводит в движения мотор. Он совершает работу, гораздо меньшую, чем один джоуль. Ее измеряют в милиджоулях. 1 мДж=0,001 Дж. Существуют и микроджоули. 1 мкДж=1*10^-6 Дж.
