עסקי פיזיקה

אם אתה דוחף ספר על שולחן עד שהוא זז, אתה מבצע עבודה על הספר. כאשר חפץ נופל אל פני השטח של כדור הארץ בגלל שהוא נמשך על ידי כוח הכבידה , כוח הכבידה מבצע עבודה על החפץ. לעומת זאת, אם אתה דוחף חפץ בכל כוחך עד שאתה ספוג בזיעה אך החפץ לא זז, לא ביצעת עבודה על החפץ. בחיי היומיום, אומרים שביצעת עבודה או עבודה קשה בדחיפת חפץ, אך לפי הפיזיקה, לא ביצעת עבודה על החפץ מכיוון שהחפץ אינו חווה תזוזה (החפץ אינו משנה מקום).

עבודה יכולה להתבצע על ידי כוח קבוע (גודל וכיוון הכוח תמיד נשארים זהים) או כוח משתנה (גודל וכיוון הכוח משתנים). דוגמה לכוח בעל גודל וכיוון קבועים הוא כוח הכבידה הפועל על גוף קרוב לפני כדור הארץ. דוגמה לכוח בעל גודל וכיוון משתנים הוא כוחו של קפיץ. אם מותחים קפיץ, ככל שמותחים אותו יותר, כך מושכים אותו חזק יותר, לכן גודל הכוח אינו קבוע ככל שהקפיץ נמתח. דוגמה נוספת היא כאשר טיל נע לחלל, ככל שהוא רחוק יותר מפני כדור הארץ, כך כוח הכבידה של כדור הארץ פועל על הטיל קטן יותר.

1.1 עבודה הנעשית על ידי כוח קבוע
מבחינה מתמטית, העבודה שכוח קבוע מבצע על גוף היא מכפלה של תְזוּזָה גוף בעל כוח או רכיב כוח באותו כיוון כמו תזוזת הגוף.

עבודה שנעשית על ידי כוח הדחיפה (F):
W = (F)(s)(cos θ) = Fs (cos 0) = Fs (1) = Fs
העבודה שמבצע רכיב הכוח F בכיוון האופקי (F cos θ):
W = (F cos θ)(s)(cos 0) = (F cos θ)(s)(1) = F s cos θ
עבודה הנעשית על ידי כוח החיכוך הקינטי (fk):
W = (f_k cos θ(s)(cos 180) = (f_k )(שניות)(-1) = – ו_k s
עבודה הנעשית על ידי כוח נורמלי (N):
W = (N)(s)(cos 90^o) = (N)(שניות)(0) = 0
עבודה שנעשית על ידי כוח הכבידה (w):
W = (w)(s)(cos 90^o) = (w)(s)(0) = 0
תיאור: W = מאמץ או עבודה (ג'אול), s = תזוזה (מטרים), θ = זווית הנוצרת על ידי כוח עם תזוזה

בדוגמה הקודמת, העבודה שבוצעה על ידי כּוֹחַ מְשִׁיכָה ל-(w) ערך אפס מכיוון שכיוון כוח הכבידה ניצב (ויוצר זווית של 90°)^o) עם כיוון התזוזה (כיוון התנועה) של העצם. יש לציין כי העבודה שמבצעת המשקולת אינה אפס אם כיוון כוח הכבידה זהה או הפוך לכיוון התזוזה.

העבודה שכוח הכבידה (w) מבצע על העצם הנופל בחופשיות באיור a היא:
W = Fs (cos θ) = wh (cos 0) = wh (1) = wh = mgh
העבודה שכוח הכבידה (w) מבצע על הגוף הנע אנכית כלפי מעלה באיור ב' היא:
W = Fs (cos θ) = wh (cos 180) = wh (-1) = -wh = -mgh

תיאור: w = משקל (ניוטון), h = גובה (מטרים), m = מסה (ק"ג), g = תאוצת כוח הכבידה (מטרים לשנייה בריבוע)

בהתבסס על ההסבר הקודם, ניתן להסיק את הנקודות הבאות:
ראשון, אם העצם לא חווה תזוזה, אז הכוח הפועל על התזוזה לא מבצע עבודה. אם s = 0 אז W = 0.
שְׁנִיָהאם הכוח יוצר זווית מסוימת לתזוזה של העצם, אז רק רכיב הכוח בכיוון תזוזה של העצם מבצע עבודה על העצם.
שְׁלִישִׁי, כוח המאונך לתזוזה של גוף אינו מבצע עבודה על הגוף. אם הכוח מאונך לתזוזה, הזווית שנוצרת היא 90°^oקוס 90^o = 0.
קיפאטמאמץ יכול להיות חיובי או שלילי. אם הכוח נמצא באותו כיוון כמו תזוזת העצם, הזווית שנוצרת היא 0^o אז הכוח מבצע עבודה חיובית, ולהיפך אם הכוח נמצא בכיוון ההפוך לתזוזה כך שהזווית שנוצרת היא 180^o אז הכוח מבצע עבודה שלילית על העצם.
העבודה שכוח קבוע מבצע על גוף בזמן שהוא חווה תזוזה שווה לשטח המוצלל בגרף של הכוח (F) והתזוזה (s).
הסמל לעבודה הוא W (אות גדולה) בעוד שסמל המשקל הוא w (אות קטנה). יחידת המדידה הבינלאומית לעבודה היא ניוטון מטר (N m). שם נוסף לניוטון מטר הוא ג'אול, בקיצור J, על שם הפיזיקאי הבריטי בן המאה ה-19 ג'יימס פרסקוט ג'אול.

1.2. עבודה הנעשית על ידי כוח לא קבוע
דוגמה אחת לכוח משתנה היא כוח הקפיץ. גודל כוח הקפיץ משתנה תמיד, ולכן לא ניתן לחשב את העבודה שמבצע כוח הקפיץ על עצם באמצעות הנוסחה לעבודה שמבצע כוח קבוע.

אם הקפיץ נמתח, ככל שהוא ארוך יותר, כך הכוח הנדרש גדול יותר. באופן דומה, להיפך, ככל שלוחצים יותר לחץ, כך הכוח הנדרש קצר יותר כאשר הקפיץ נמתח, כך הכוח הנדרש גדול יותר. כל עוד הקפיץ לחוץ או נמתח, כוח הקפיץ משתנה מ-0 (x = 0) למקסימום (F = kx), כך שכוח הקפיץ מחושב באמצעות הממוצע. כוח הקפיץ הממוצע הוא:
F = ½ (0 + kx) = ½ kx
העבודה שכוח הקפיץ מבצע על גוף היא:
W = F x = ½ kx²
תיאור: W = עבודה (ביחידות ג'אול), x = עלייה באורך הקפיץ (ביחידות מטרים), F = כוח הקפיץ (ביחידות ניוטון).

2. עבודה תוצאתית או עבודה כוללת (עבודה הנעשית על ידי כוח כולל)
אם יש רק כוח אחד הפועל על גוף במהלך תזוזתו, אז העבודה שנעשית על ידי הכוח הכולל שווה לעבודה שנעשית על ידי כוח זה. לדוגמה, כאשר גוף נמצא בנפילה חופשית ומתעלמים מהתנגדות האוויר, הכוח היחיד הפועל על הגוף הוא כוח הכבידה.
W= W_{כּוֹחַ מְשִׁיכָה}
אם ישנם מספר כוחות הפועלים על גוף בזמן שהוא בתנועה, אז העבודה שנעשית על ידי הכוח הכולל שווה לסכום העבודה שנעשית על ידי כל הכוחות הפועלים על הגוף.
W = W₁ + W₂ + W₃ + … + W_n
ניתן לחשב את העבודה הנעשית על ידי מספר כוחות הפועלים על גוף גם על ידי מציאת גודל הכוח הכולל ולאחר מכן הכפלתו בגודל התזוזה.
W = (כוח תוצאתי)(תזוזה) = (כוח תוצאתי F)(ים)

הפניות