Afaceri în fizică

Dacă împingi o carte pe o masă până când se mișcă, depui lucru mecanic asupra cărții. Când un obiect cade la suprafața pământului deoarece este tras de forța gravitațională , forța gravitațională depune lucru mecanic asupra obiectului. Invers, dacă împingi un obiect cu toată puterea ta până când ești leoarcă de transpirație, dar obiectul nu se mișcă, nu ai depus lucru mecanic asupra obiectului. În viața de zi cu zi, se spune că ai depus un lucru mecanic sau o muncă grea împingând un obiect, dar conform fizicii, nu ai depus lucru mecanic asupra obiectului deoarece obiectul nu se deplasează (obiectul nu își schimbă locul).

Lucrul mecanic poate fi efectuat de o forță constantă (magnitudinea și direcția forței rămân întotdeauna aceleași) sau de o forță variabilă (magnitudinea și direcția forței se schimbă). Un exemplu de forță cu magnitudine și direcție constante este forța gravitațională care acționează asupra unui obiect din apropierea suprafeței Pământului. Un exemplu de forță cu magnitudine și direcție variabile este forța unui arc. Dacă întinzi un arc, cu cât îl întinzi mai mult, cu atât tragi mai tare de el, prin urmare, magnitudinea forței nu este constantă pe măsură ce arcul se întinde. Un alt exemplu este atunci când o rachetă se deplasează în spațiu, cu cât este mai departe de suprafața Pământului, cu atât forța gravitațională a Pământului care acționează asupra rachetei este mai mică.

1.1 Lucrul mecanic efectuat de o forță constantă
Matematic, lucrul mecanic efectuat de o forță constantă asupra unui obiect este produsul dintre deplasare un obiect cu o forță sau o componentă a forței care are aceeași direcție cu deplasarea obiectului.

Lucrul mecanic efectuat de forța de împingere (F):
W = (F)(s)(cos θ) = Fs (cos 0) = Fs (1) = Fs
Lucrul mecanic efectuat de componenta forței F pe direcție orizontală (F cos θ):
W = (F cos θ)(s)(cos 0) = (F cos θ)(s)(1) = F s cos θ
Lucrul mecanic efectuat de forța de frecare cinetică (fk):
W = (f)_k cos θ)(s)(cos 180) = (f_k )(s)(-1) = – f_k s
Lucrul mecanic efectuat de forța normală (N):
W = (N)(s)(cos 90^o) = (N)(s)(0) = 0
Lucrul mecanic efectuat de gravitație (w):
W = (w)(s)(cos 90^o) = (w)(s)(0) = 0
Descriere: W = efort sau lucru mecanic (Jouli), s = deplasare (metri), θ = unghiul format de forță cu deplasarea

În exemplul anterior, munca depusă de gravitaţie (w) are valoarea zero deoarece direcția forței gravitaționale este perpendiculară (formând un unghi de 90°)^o) cu direcția de deplasare (direcția de mișcare) a obiectului. Trebuie menționat că lucrul mecanic efectuat de greutate nu este zero dacă direcția forței gravitaționale este aceeași cu sau opusă direcției de deplasare.

Lucrul mecanic efectuat de forța gravitațională (w) asupra obiectului în cădere liberă din figura a este:
W = F s (cos θ) = wh (cos 0) = wh (1) = wh = mgh
Lucrul mecanic efectuat de forța gravitațională (w) asupra obiectului care se mișcă vertical în sus în figura b este:
W = F s (cos θ) = wh (cos 180) = wh (-1) = -wh = -mgh

Descriere: w = greutate (Newton), h = înălțime (metri), m = masă (kg), g = accelerația gravitațională (metri pe secundă la pătrat)

Pe baza explicației anterioare, se pot concluziona următoarele aspecte:
Primul, dacă obiectul nu se deplasează, atunci forța care acționează asupra deplasării nu efectuează lucru mecanic. Dacă s = 0, atunci W = 0.
Al doileaDacă forța formează un anumit unghi față de deplasarea obiectului, atunci numai componenta forței în direcția deplasării obiectului efectuează lucru mecanic asupra obiectului.
Al treilea, o forță perpendiculară pe deplasarea unui obiect nu efectuează niciun lucru mecanic asupra obiectului. Dacă forța este perpendiculară pe deplasare, unghiul format este de 90°^oCos 90^o = 0.
Al patruleaEfortul poate fi pozitiv sau negativ. Dacă forța este în aceeași direcție ca și deplasarea obiectului, unghiul format este 0.^o atunci forța efectuează lucru mecanic pozitiv, invers dacă forța este în direcția opusă deplasării, astfel încât unghiul format este de 180°^o atunci forța efectuează un lucru mecanic negativ asupra obiectului.
Lucrul mecanic efectuat de o forță constantă asupra unui obiect în timp ce obiectul se deplasează este egal cu zona umbrită din graficul forței (F) și al deplasării (s).
Simbolul pentru lucru mecanic este W (literă mare), în timp ce simbolul pentru greutate este w (literă mică). Unitatea de măsură din Sistemul Internațional pentru lucru mecanic este Newton-metrul (N m). O altă denumire pentru Newton-metru este Joule, prescurtat J, numit în onoarea fizicianului britanic din secolul al XIX-lea, James Prescott Joule.

1.2. Lucrul mecanic efectuat de o forță neconstantă
Un exemplu de forță variabilă este forța arcului. Magnitudinea forței arcului se schimbă mereu, așadar lucrul mecanic efectuat de forța arcului asupra unui obiect nu poate fi calculat folosind formula pentru lucrul mecanic efectuat de o forță constantă.

Dacă arcul este întins, cu cât arcul este mai lung, cu atât forța necesară este mai mare. În mod similar, invers, cu cât se exercită o presiune mai mare, cu cât forța arcului este mai mică, cu atât forța necesară este mai mare. Atâta timp cât arcul este apăsat sau întins, forța arcului se schimbă de la 0 (x = 0) la maxim (F = kx), deci forța arcului este calculată folosind media. Forța medie a arcului este:
F = ½ (0 + kx) = ½ kx
Lucrul mecanic efectuat de forța arcului asupra unui obiect este:
W = F x = ½ kx²
Descriere: W = lucrul mecanic (unități Jouli), x = creșterea lungimii arcului (unități metri), F = forța arcului (unități Newton).

2. Lucrul mecanic rezultant sau lucrul mecanic total (lucrul mecanic efectuat de forța totală)
Dacă există o singură forță care acționează asupra unui obiect în timpul deplasării sale, atunci lucrul mecanic efectuat de forța totală este egal cu lucrul mecanic efectuat de acea forță. De exemplu, atunci când un obiect este în cădere liberă și rezistența aerului este ignorată, singura forță care acționează asupra obiectului este gravitația.
W= W_gravitaţie
Dacă asupra unui obiect acționează mai multe forțe în timp ce acesta se mișcă, atunci lucrul mecanic efectuat de forța totală este egal cu suma lucrului mecanic efectuat de toate forțele care acționează asupra obiectului.
W = W₁ +W₂ +W₃ + … + W_n
Lucrul mecanic efectuat de mai multe forțe care acționează asupra unui obiect poate fi calculat și prin găsirea mai întâi a magnitudinii forței totale și apoi înmulțirea acesteia cu magnitudinea deplasării.
W = (Forța rezultantă)(deplasare) = (F rezultantă)(s)

Referinţă