如果你用力推動桌上的書,直到它移動,你就對書做了功。當物體因重力作用而落到地球表面時,重力也對物體做了功。反之,如果你使出渾身解數推動一個物體,直到汗流浹背,但物體紋絲不動,你並沒有對物體做功。在日常生活中,人們常說你推動物體做了功或付出了努力,但根據物理學,你並沒有對物體做功,因為物體沒有發生位移(物體的位置沒有改變)。
做功可以由恆力(力的大小和方向始終保持不變)或變力(力的大小和方向會改變)來完成。例如,地球表面附近物體所受的引力就是一個大小和方向都恆定的力。而彈簧的彈力則是一個大小和方向都會改變的力。如果你拉伸彈簧,拉伸的距離越長,拉力就越大,因此彈簧的彈性大小並非恆定不變。另一個例子是火箭進入太空時,它離地球表面越遠,地球對火箭的引力就越小。
1.1 恆力所做的功
從數學角度來說,恆力對物體所做的功等於… 位移 物體所受力或力的分力方向與其位移方向相同。

推力(F)所做的功:
W = (F)(s)(cos θ) = F s (cos 0) = F s (1) = F s
力 F 在水平方向上的分力 (F cos θ) 所做的功:
W = (F cos θ)(s)(cos 0) = (F cos θ)(s)(1) = F s cos θ
動摩擦力(fk)所做的功:
W = (fk cos θ)(s)(cos 180) = (fk )(s)(-1) = – fk s
正壓力所做的功(牛頓):
W = (N)(s)(cos 90o) = (N)(s)(0) = 0
重力所做的功(w):
W = (w)(s)(cos 90o) = (w)(s)(0) = 0
說明:W = 力或功(焦耳),s = 位移(公尺),θ = 力與位移所成的角度
在前一個例子中,由 重力 (w)的值為零,因為重力的方向是垂直的(形成 90° 角)。o與物體的位移方向(運動方向)一致。需要注意的是,即使重力的方向與位移方向相同或相反,重力所做的功也不為零。

如圖a所示,重力(w)對自由落體物體所做的功為:
W = F s (cos θ) = wh (cos 0) = wh (1) = wh = mgh
如圖 b 所示,重力 (w) 對垂直向上移動的物體所做的功為:
W = F s (cos θ) = wh (cos 180) = wh (-1) = -wh = -mgh
說明:w = 重量(牛頓),h = 高度(公尺),m = 質量(公斤),g = 重力加速度(公尺/秒²)
根據以上解釋,可以得到以下幾點結論:
第一如果物體沒有發生位移,那麼作用於位移上的力就不會做功。如果 s = 0,則 W = 0。
第二如果力與物體的位移方向成一定角度,那麼只有力在物體位移方向上的分量才能對物體做功。
第三垂直於物體位移方向的力不會對物體做功。若力垂直於位移方向,則所形成的夾角為90°。o. Cos 90o = 0。
第四作用力可以是正的,也可以是負的。若力的方向與物體位移的方向相同,則所形成的角度為0°。o 那麼力就做正功,反之,如果力的方向與位移方向相反,則所形成的角度為180度。o 那麼該力就對物體做負功。
恆力作用於物體並使其發生位移時所做的功,等於力(F)與位移(s)影像中的陰影面積。
功的符號是 W(大寫字母),重量的符號是 w(小寫字母)。功的國際單位制單位是牛頓米(N·m)。牛頓米的另一個名稱是焦耳,縮寫為 J,是為了紀念 19 世紀英國物理學家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳而命名的。
1.2 非恆力所做的功
彈簧力就是一個變力的例子。彈簧力的大小總是在變化,因此無法用恆力做功的公式來計算彈簧力對物體所做的功。
如果彈簧被拉伸,彈簧越長,所需的力就越大。反之亦然,壓力越大,彈簧越短,所需的力就越大。只要彈簧受到壓縮或拉伸,其彈簧力就會從 0 (x = 0) 變化到最大值 (F = kx),因此彈簧力是透過平均值來計算的。平均彈簧力為:
F = ½ (0 + kx) = ½ kx
彈簧力對物體所做的功為:
W = F x = ½ kx2
說明:W = 功(單位:焦耳),x = 彈簧長度的增加量(單位:公尺),F = 彈簧力(單位:牛頓)。
2. 合力功或總功(總力所做的功)
如果物體在位移過程中只受到一個力的作用,那麼合力所做的功等於該力所做的功。例如,當物體自由落體且忽略空氣阻力時,作用在物體上的唯一力就是重力。
W= W重力
如果物體在運動過程中受到多個力的作用,那麼總力所做的功等於作用在物體上的所有力所做的功之和。
W = W1 + W2 + W3 + … + Wn
也可以先求出總力的大小,再乘以位移的大小來計算多個力作用於物體上所做的功。
W = (合力)(位移) = (合力 F)(s)