Fysikvirksomhed

Hvis du skubber en bog mod et bord, indtil den bevæger sig, udfører du arbejde på bogen. Når en genstand falder ned på jordens overflade, fordi den trækkes af tyngdekraften , udfører tyngdekraften arbejde på genstanden. Omvendt, hvis du skubber en genstand med al din kraft, indtil du er gennemblødt af sved, men genstanden ikke bevæger sig, har du ikke udført arbejde på genstanden. I hverdagen siges det, at man har udført arbejde eller hårdt arbejde med at skubbe en genstand, men ifølge fysikken har du ikke udført arbejde på genstanden, fordi genstanden ikke oplever forskydning (genstanden skifter ikke plads).

Arbejde kan udføres af en konstant kraft (kraftens størrelse og retning forbliver altid den samme) eller en variabel kraft (kraftens størrelse og retning ændrer sig). Et eksempel på en kraft med konstant størrelse og retning er tyngdekraften, der virker på et objekt nær Jordens overflade. Et eksempel på en kraft med variabel størrelse og retning er kraften fra en fjeder. Hvis du strækker en fjeder, jo mere du strækker den, jo hårdere trækker du i den, derfor er kraftens størrelse ikke konstant, når fjederen strækker sig. Et andet eksempel er, når en raket bevæger sig ud i rummet, jo længere den er fra Jordens overflade, desto mindre virker Jordens tyngdekraft på raketten.

1.1 Arbejde udført af en konstant kraft
Matematisk set er det arbejde, som en konstant kraft udfører på et objekt, produktet af perpindahan et objekt med en kraft eller kraftkomponent, der er i samme retning som objektets forskydning.

Arbejde udført af trykkraften (F):
W = (F)(s)(cos θ) = Fs (cos 0) = Fs (1) = Fs
Arbejdet udført af kraftkomponenten F i vandret retning (F cos θ):
W = (F cos θ)(s)(cos 0) = (F cos θ)(s)(1) = F s cos θ
Arbejde udført af kinetisk friktionskraft (fk):
W = (f_k cos θ)(s)(cos 180) = (f_k )(s)(-1) = – f_k s
Arbejde udført af normalkraft (N):
W = (N)(s)(cos 90^o) = (N)(s)(0) = 0
Arbejde udført af tyngdekraften (w):
W = (w)(s)(cos 90^o) = (w)(s)(0) = 0
Beskrivelse: W = kraft eller arbejde (Joule), s = forskydning (meter), θ = vinkel dannet af kraft med forskydning

I det foregående eksempel blev arbejdet udført af alvor (w) har en værdi på nul, fordi tyngdekraftens retning er vinkelret (danner en 90° vinkel)^o) med objektets forskydningsretning (bevægelsesretning). Det skal bemærkes, at det arbejde, der udføres af vægten, ikke er nul, hvis tyngdekraftens retning er den samme som eller modsat forskydningsretningen.

Det arbejde, som tyngdekraften (w) udfører på det frit faldende objekt i figur a, er:
W = Fs (cos θ) = wh (cos 0) = wh (1) = wh = mgh
Det arbejde, som tyngdekraften (w) udfører på objektet, der bevæger sig lodret opad i figur b, er:
W = Fs (cos θ) = wh (cos 180) = wh (-1) = -wh = -mgh

Beskrivelse: w = vægt (Newton), h = højde (meter), m = masse (kg), g = tyngdeacceleration (meter pr. sekund i anden)

Baseret på den foregående forklaring kan følgende punkter konkluderes:
Først, hvis objektet ikke oplever forskydning, så udfører den kraft, der virker på forskydningen, ikke arbejde. Hvis s = 0, så er W = 0.
AndenHvis kraften danner en bestemt vinkel i forhold til objektets forskydning, er det kun den kraftkomponent, der er i retning af objektets forskydning, som virker på objektet.
Ketiga, en kraft vinkelret på forskydningen af ​​et objekt udfører intet arbejde på objektet. Hvis kraften er vinkelret på forskydningen, er den dannede vinkel 90°^oCos 90^o = 0.
KeempatKraften kan være positiv eller negativ. Hvis kraften er i samme retning som objektets forskydning, er den dannede vinkel 0^o så udfører kraften positivt arbejde, omvendt hvis kraften er i den modsatte retning af forskydningen, så den dannede vinkel er 180^o så udfører kraften negativt arbejde på objektet.
Det arbejde, der udføres af en konstant kraft på et objekt, mens objektet oplever forskydning, er lig med det skyggelagte område i grafen for kraft (F) og forskydning (s).
Symbolet for arbejde er W (stort bogstav), mens symbolet for vægt er w (lille bogstav). Den internationale enhed for arbejde er Newtonmeter (N m). Et andet navn for Newtonmeteret er Joule, forkortet J, opkaldt efter den britiske fysiker James Prescott Joule fra det 19. århundrede.

1.2. Arbejde udført af en ikke-konstant kraft
Et eksempel på en variabel kraft er fjederkraften. Fjederkraftens størrelse ændrer sig altid, så det arbejde, som fjederkraften udfører på et objekt, kan ikke beregnes ved hjælp af formlen for arbejde udført af en konstant kraft.

Hvis fjederen strækkes, jo længere fjederen er, desto større er den nødvendige kraft. Ligeledes omvendt, jo mere tryk der trykkes, jo kortere kraften er, når fjederen er, desto større er den nødvendige kraft. Så længe fjederen trykkes eller strækkes, ændres fjederkraften fra 0 (x = 0) til maksimum (F = kx), så fjederkraften beregnes ud fra gennemsnittet. Den gennemsnitlige fjederkraft er:
F = ½ (0 + kx) = ½ kx
Det arbejde, som fjederkraften udfører på en genstand, er:
W = F x = ½ kx²
Beskrivelse: W = arbejde (enheder joule), x = forøgelse af fjederlængde (enheder meter), F = fjederkraft (enheder newton).

2. Resulterende arbejde eller samlet arbejde (arbejde udført af samlet kraft)
Hvis der kun er én kraft, der virker på et objekt under dets forskydning, er det arbejde, der udføres af den samlede kraft, lig med det arbejde, der udføres af den kraft. For eksempel, når et objekt er i frit fald, og luftmodstand ignoreres, er den eneste kraft, der virker på objektet, tyngdekraften.
W= W_alvor
Hvis der er flere kræfter, der virker på en genstand, mens genstanden bevæger sig, er det arbejde, der udføres af den samlede kraft, lig med summen af ​​det arbejde, der udføres af alle de kræfter, der virker på genstanden.
W = W₁ + W₂ + W₃ + … + V_n
Arbejdet udført af flere kræfter, der virker på et objekt, kan også beregnes ved først at finde størrelsen af ​​den samlede kraft og derefter gange den med størrelsen af ​​forskydningen.
W = (Resulterende kraft)(forskydning) = (resulterende F)(s)

Referencer