Apa pekerjaan seorang fisikawan? Pekerjaan mekanis. Rumus. Perumusan definisi. Pertanyaan dan tugas tambahan

Semua orang tahu. Bahkan anak-anak pun bekerja, di taman kanak-kanak - saat masih balita. Namun, gagasan sehari-hari yang diterima secara umum jauh dari sama dengan konsep kerja mekanik dalam fisika. Misalnya, seorang pria sedang berdiri dan memegang tas di tangannya. Dalam pengertian biasa, ia bekerja dengan menahan suatu beban. Namun, dari sudut pandang fisika, hal semacam itu tidak terjadi. Apa masalahnya?

Karena pertanyaan seperti itu muncul, sekarang saatnya mengingat definisinya. Ketika suatu gaya diterapkan pada suatu benda dan benda bergerak di bawah aksinya, kerja mekanis dilakukan. Nilai ini sebanding dengan jalur yang ditempuh benda dan gaya yang diterapkan. Ada juga ketergantungan tambahan pada arah penerapan gaya dan arah pergerakan benda.

Oleh karena itu, kami memperkenalkan konsep seperti kerja mekanis. Fisika mendefinisikannya sebagai hasil kali besar gaya dan perpindahan, dikalikan dengan nilai kosinus sudut, yang ada dalam kasus paling umum di antara keduanya. Sebagai contoh, kita dapat mempertimbangkan beberapa kasus yang akan memungkinkan kita untuk lebih memahami apa yang dimaksud dengan hal ini.

Kapan pekerjaan mekanis tidak dilakukan? Truknya berdiri di situ, kita dorong, tapi tidak bergerak. Kekuatan diterapkan, tetapi tidak ada gerakan. Usaha yang dilakukan adalah nol. Berikut contoh lainnya - seorang ibu sedang menggendong anaknya di kereta dorong, dalam hal ini pekerjaan selesai, gaya diterapkan, kereta dorong bergerak. Perbedaan dari dua kasus yang dijelaskan adalah adanya pergerakan. Dan dengan demikian, pekerjaan tersebut sudah selesai (misalnya dengan kereta dorong) atau belum selesai (misalnya dengan truk).

Kasus lain - seorang anak laki-laki di atas sepeda telah berakselerasi dan dengan tenang berguling di sepanjang jalan setapak, tanpa mengayuh. Pekerjaan sedang selesai? Tidak, walaupun ada gerak, tidak ada gaya yang diterapkan, gerak tersebut dilakukan secara inersia.

Contoh lainnya adalah seekor kuda yang menarik kereta, dan seorang pengemudi duduk di atasnya. Apakah itu berhasil? Ada gerakan, ada gaya yang diberikan (beban pengemudi bekerja pada kereta), tetapi usaha tidak dilakukan. Sudut antara arah gerak dan arah gaya adalah 90 derajat, dan kosinus sudut 90° adalah nol.

Contoh di atas memperjelas bahwa kerja mekanik bukan sekadar hasil kali dua besaran. Hal ini juga harus memperhitungkan bagaimana besaran-besaran ini diarahkan. Jika arah gerak dan arah kerja gaya bertepatan maka hasilnya positif, jika arah gerak berlawanan dengan arah penerapan gaya maka hasilnya negatif (misalnya usaha yang dilakukan oleh gaya gesekan saat memindahkan beban).

Selain itu, harus diingat bahwa gaya yang bekerja pada benda dapat disebabkan oleh beberapa gaya. Jika demikian, maka usaha yang dilakukan oleh semua gaya yang diterapkan pada benda sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya resultan. Pekerjaan diukur dalam joule. Satu joule sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar satu newton ketika suatu benda bergerak sejauh satu meter.

Dari contoh-contoh yang dipertimbangkan, kita dapat menarik kesimpulan yang sangat menarik. Ketika kami melihat pengemudi kereta, kami memutuskan bahwa dia tidak sedang melakukan pekerjaan. Usaha dilakukan pada bidang mendatar karena disitulah terjadinya gerak. Namun situasinya sedikit berubah ketika kita mempertimbangkan pejalan kaki.

Saat berjalan, pusat gravitasi seseorang tidak tetap, ia bergerak dalam bidang vertikal dan karenanya melakukan usaha. Dan karena gerakannya berlawanan, maka usaha akan terjadi berlawanan dengan arah tindakan. Sekalipun gerakannya kecil, namun dengan berjalan jauh tubuh harus melakukan usaha tambahan. Jadi gaya berjalan yang tepat mengurangi kerja ekstra ini dan mengurangi kelelahan.

Setelah menganalisis beberapa situasi kehidupan sederhana, memilih sebagai contoh, dan menggunakan pengetahuan tentang apa itu pekerjaan mekanis, kami memeriksa situasi utama manifestasinya, serta kapan dan jenis pekerjaan apa yang dilakukan. Kami menetapkan bahwa konsep usaha dalam kehidupan sehari-hari dan dalam fisika mempunyai sifat yang berbeda. Dan mereka membuktikan melalui penerapan hukum fisika bahwa gaya berjalan yang salah menyebabkan kelelahan tambahan.

Salah satu konsep terpenting dalam mekanika adalah kerja paksa .

Pekerjaan paksa

Semua benda fisik di dunia sekitar kita digerakkan oleh kekuatan. Jika suatu benda yang bergerak dalam arah yang sama atau berlawanan dikenai gaya atau beberapa gaya dari satu atau lebih benda, maka dikatakan demikian. pekerjaan sedang dilakukan .

Artinya, kerja mekanis dilakukan oleh gaya yang bekerja pada benda. Dengan demikian, gaya traksi lokomotif listrik menggerakkan seluruh kereta, sehingga menghasilkan kerja mekanis. Sepeda digerakkan oleh kekuatan otot kaki pengendara sepeda. Akibatnya, gaya ini juga melakukan kerja mekanis.

Dalam fisika kerja paksa sebut besaran fisika yang sama dengan hasil kali modulus gaya, modulus perpindahan titik penerapan gaya, dan kosinus sudut antara vektor gaya dan vektor perpindahan.

A = F s cos (F, s) ,

Di mana F modul kekuatan,

S - modul perjalanan .

Usaha selalu dilakukan jika sudut antara gaya angin dan perpindahan tidak nol. Jika gaya bekerja berlawanan arah dengan arah gerak, maka besar usahanya negatif.

Tidak ada usaha yang dilakukan jika tidak ada gaya yang bekerja pada benda, atau jika sudut antara gaya yang diberikan dan arah gerak adalah 90 o (cos 90 o = 0).

Jika seekor kuda menarik kereta, maka gaya otot kuda, atau gaya tarikan yang diarahkan sepanjang arah gerak kereta, melakukan usaha. Namun gaya gravitasi yang digunakan pengemudi untuk menekan kereta tidak melakukan usaha apapun, karena arahnya ke bawah, tegak lurus terhadap arah pergerakan.

Usaha gaya merupakan besaran skalar.

Satuan kerja dalam sistem pengukuran SI - Joule. 1 joule adalah usaha yang dilakukan gaya sebesar 1 newton pada jarak 1 m jika arah gaya dan perpindahannya berimpit.

Jika beberapa gaya bekerja pada suatu benda atau suatu titik material, maka kita berbicara tentang usaha yang dilakukan oleh gaya resultan gaya tersebut.

Jika gaya yang diterapkan tidak konstan, maka usahanya dihitung sebagai integral:

Kekuatan

Gaya yang menggerakkan suatu benda menghasilkan kerja mekanis. Namun bagaimana pekerjaan ini dilakukan, cepat atau lambat, terkadang sangat penting untuk diketahui dalam praktiknya. Sebab, pekerjaan yang sama bisa diselesaikan dalam waktu berbeda. Usaha yang dilakukan oleh motor listrik besar dapat dilakukan oleh motor kecil. Tapi dia akan membutuhkan lebih banyak waktu untuk ini.

Dalam mekanika, ada besaran yang mencirikan kecepatan kerja. Besaran ini disebut kekuatan.

Daya adalah perbandingan kerja yang dilakukan dalam jangka waktu tertentu dengan nilai jangka waktu tersebut.

tidak= SEBUAH /∆ T

A-priori SEBUAH = F S karena α , A s/∆ t = ay , karena itu

tidak= F ay karena α = F ay ,

Di mana F - memaksa, ay kecepatan, α – sudut antara arah gaya dan arah kecepatan.

Itu adalah kekuatan - ini adalah produk skalar dari vektor gaya dan vektor kecepatan benda.

Dalam sistem SI internasional, daya diukur dalam watt (W).

Daya 1 watt sama dengan usaha 1 joule (J) yang dilakukan dalam 1 sekon.

Daya dapat ditingkatkan dengan meningkatkan gaya yang melakukan usaha atau kecepatan di mana usaha tersebut dilakukan.

Dalam pengalaman kita sehari-hari, kata “bekerja” sangat sering muncul. Namun kita harus membedakan antara kerja fisiologis dan kerja dari sudut pandang ilmu fisika. Ketika Anda pulang dari kelas, Anda berkata: “Oh, saya lelah sekali!” Ini adalah pekerjaan fisiologis. Atau misalnya hasil karya tim dalam cerita rakyat “Lobak”.

Gambar 1. Bekerja dalam arti kata sehari-hari

Di sini kita akan berbicara tentang usaha dari sudut pandang fisika.

Kerja mekanis dilakukan jika suatu benda bergerak di bawah pengaruh suatu gaya. Pekerjaan dilambangkan dengan huruf latin A. Definisi kerja yang lebih ketat adalah sebagai berikut.

Kerja suatu gaya adalah besaran fisis yang sama dengan hasil kali besar gaya dan jarak yang ditempuh benda dalam arah gaya.

Gambar 2. Usaha merupakan besaran fisis

Rumus tersebut berlaku jika gaya konstan bekerja pada benda.

Dalam sistem satuan SI internasional, usaha diukur dalam joule.

Artinya jika di bawah pengaruh gaya 1 newton sebuah benda bergerak sejauh 1 meter, maka gaya tersebut melakukan usaha sebesar 1 joule.

Satuan kerja dinamai ilmuwan Inggris James Prescott Joule.

Gambar 3. James Prescott Joule (1818 - 1889)

Dari rumus menghitung usaha maka ada tiga kemungkinan kasus dimana usaha sama dengan nol.

Kasus pertama adalah ketika suatu gaya bekerja pada suatu benda, tetapi benda tersebut tidak bergerak. Misalnya, sebuah rumah terkena gaya gravitasi yang sangat besar. Namun dia tidak melakukan pekerjaan apapun karena rumahnya tidak bergerak.

Kasus kedua adalah ketika benda bergerak karena inersia, yaitu tidak ada gaya yang bekerja padanya. Misalnya, sebuah pesawat luar angkasa bergerak di ruang antargalaksi.

Kasus ketiga adalah ketika suatu gaya bekerja pada benda yang tegak lurus terhadap arah gerak benda. Dalam hal ini, meskipun benda bergerak dan ada gaya yang bekerja padanya, tidak ada pergerakan pada benda tersebut ke arah kekuatan tersebut.

Gambar 4. Tiga kasus ketika usaha nol

Juga harus dikatakan bahwa usaha yang dilakukan oleh suatu gaya bisa bernilai negatif. Hal ini akan terjadi jika tubuh bergerak melawan arah gaya. Misalnya, ketika sebuah derek mengangkat beban ke atas tanah dengan menggunakan kabel, usaha yang dilakukan oleh gravitasi adalah negatif (dan usaha yang dilakukan oleh gaya elastis kabel yang diarahkan ke atas, sebaliknya, adalah positif).

Misalkan saat melakukan pekerjaan konstruksi, lubang tersebut perlu diisi dengan pasir. Dibutuhkan waktu beberapa menit bagi ekskavator untuk melakukan hal ini, tetapi pekerja dengan sekop harus bekerja selama beberapa jam. Namun baik ekskavator maupun pekerjanya akan menyelesaikan pekerjaan tersebut pekerjaan yang sama.

Gambar 5. Pekerjaan yang sama dapat diselesaikan dalam waktu yang berbeda

Untuk mengkarakterisasi kecepatan melakukan usaha dalam fisika, digunakan besaran yang disebut daya.

Daya adalah besaran fisis yang sama dengan perbandingan usaha dengan waktu yang dilakukan.

Kekuasaan ditunjukkan dengan huruf latin N.

Satuan SI untuk daya adalah watt.

Satu watt adalah daya yang menghasilkan kerja satu joule dalam satu detik.

Unit daya ini dinamai ilmuwan Inggris, penemu mesin uap, James Watt.

Gambar 6. James Watt (1736 - 1819)

Mari kita gabungkan rumus menghitung usaha dengan rumus menghitung daya.

Sekarang mari kita ingat bahwa perbandingan lintasan yang ditempuh benda adalah S, pada saat pergerakan T mewakili kecepatan gerakan tubuh ay.

Dengan demikian, gaya sama dengan hasil kali nilai numerik gaya dan kecepatan benda dalam arah gaya.

Rumus ini mudah digunakan ketika memecahkan masalah di mana suatu gaya bekerja pada benda yang bergerak dengan kecepatan yang diketahui.

Bibliografi

Lukashik V.I., Ivanova E.V. Kumpulan Soal Fisika Kelas 7-9 Lembaga Pendidikan Umum. - edisi ke-17. - M.: Pendidikan, 2004.
Peryshkin A.V. Fisika. kelas 7 - Edisi ke-14, stereotip. - M.: Bustard, 2010.
Peryshkin A.V. Kumpulan Soal Fisika Kelas 7-9: Edisi ke-5, Stereotip. - M: Rumah Penerbitan “Ujian”, 2010.

Portal internet Fisika.ru ().
Portal internet Festival.1september.ru().
Portal internet Fizportal.ru().
Portal internet Elkin52.narod.ru().

Pekerjaan rumah

Dalam kasus apa usaha sama dengan nol?
Bagaimana usaha yang dilakukan sepanjang lintasan yang dilalui dalam arah gaya? Di arah yang berlawanan?
Berapa usaha yang dilakukan gaya gesek yang bekerja pada batu bata ketika bergerak sejauh 0,4 m? Gaya gesekannya adalah 5 N.

Kerja mekanik merupakan suatu sifat energi gerak suatu benda fisik yang berbentuk skalar. Ini sama dengan modulus gaya yang bekerja pada benda, dikalikan dengan modulus perpindahan yang disebabkan oleh gaya ini dan dengan kosinus sudut di antara keduanya.

Formula 1 - Pekerjaan mekanis.

F - Gaya yang bekerja pada tubuh.

s - Gerakan tubuh.

cosa - Kosinus sudut antara gaya dan perpindahan.

Rumus ini mempunyai bentuk yang umum. Jika sudut antara gaya yang diberikan dan perpindahan adalah nol, maka kosinusnya adalah 1. Oleh karena itu, usaha hanya akan sama dengan hasil kali gaya dan perpindahan. Sederhananya, jika suatu benda bergerak searah dengan gaya yang diterapkan, maka kerja mekanis sama dengan hasil kali gaya dan perpindahan.

Kasus khusus kedua adalah ketika sudut antara gaya yang bekerja pada benda dan perpindahannya adalah 90 derajat. Dalam hal ini kosinus 90 derajat sama dengan nol, sehingga usahanya akan sama dengan nol. Memang benar, yang terjadi adalah kita menerapkan gaya pada satu arah, dan benda bergerak tegak lurus terhadap arah tersebut. Artinya, tubuh jelas tidak bergerak di bawah pengaruh kekuatan kita. Jadi, usaha yang dilakukan gaya kita untuk menggerakkan benda adalah nol.

Gambar 1 - Kerja gaya saat menggerakkan suatu benda.

Jika lebih dari satu gaya yang bekerja pada suatu benda, maka gaya total yang bekerja pada benda tersebut dihitung. Dan kemudian disubstitusikan ke dalam rumus sebagai satu-satunya gaya. Sebuah benda di bawah pengaruh gaya tidak hanya dapat bergerak dalam garis lurus, tetapi juga sepanjang lintasan yang sewenang-wenang. Dalam hal ini, usaha dihitung untuk sebagian kecil pergerakan, yang dapat dianggap bujursangkar, dan kemudian dijumlahkan sepanjang seluruh lintasan.

Pekerjaan bisa berdampak positif dan negatif. Artinya, jika perpindahan dan gaya berimpit, maka usahanya positif. Dan jika suatu gaya diterapkan ke satu arah, dan benda bergerak ke arah lain, maka usahanya akan negatif. Contoh usaha negatif adalah usaha gaya gesek. Karena gaya gesekan diarahkan berlawanan dengan gerakan. Bayangkan sebuah benda bergerak di sepanjang pesawat. Suatu gaya yang diterapkan pada suatu benda mendorongnya ke arah tertentu. Gaya ini melakukan kerja positif untuk menggerakkan benda. Tetapi pada saat yang sama, gaya gesekan menghasilkan usaha negatif. Ini memperlambat pergerakan tubuh dan diarahkan ke gerakannya.

Gambar 2 - Gaya gerak dan gesekan.

Kerja mekanik diukur dalam Joule. Satu Joule adalah usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar satu Newton ketika menggerakkan suatu benda sejauh satu meter. Selain arah gerak benda, besarnya gaya yang diberikan juga dapat berubah. Misalnya, ketika pegas dikompresi, gaya yang diterapkan padanya akan meningkat sebanding dengan jarak yang ditempuh. Dalam hal ini, usaha dihitung menggunakan rumus.

Rumus 2 - Usaha kompresi pegas.

k adalah kekakuan pegas.

x - koordinat bergerak.

Jika suatu gaya bekerja pada suatu benda, maka gaya tersebut melakukan usaha untuk menggerakkan benda tersebut. Sebelum mendefinisikan usaha selama gerak lengkung suatu titik material, mari kita pertimbangkan kasus-kasus khusus:

Dalam hal ini kerja mekanis A adalah sama dengan:

A= F sco=
,

atau A = Fcos× s = F S × S,

Di manaF S – proyeksi kekuatan untuk bergerak. Pada kasus ini F S = konstanta, dan makna geometris dari karya tersebut A adalah luas persegi panjang yang dibangun dalam koordinat F S , , S.

Mari kita gambarkan proyeksi gaya pada arah gerak F S sebagai fungsi perpindahan s. Mari kita nyatakan perpindahan total sebagai jumlah dari n perpindahan kecil
. Untuk kecil Saya gerakan -th
pekerjaan adalah setara

atau luas trapesium yang diarsir pada gambar.

Selesaikan pekerjaan mekanis untuk berpindah dari suatu titik 1 tepat 2 akan sama dengan:

Nilai di bawah integral akan mewakili kerja dasar perpindahan yang sangat kecil
:

- pekerjaan dasar.

Kami membagi lintasan suatu titik material menjadi gerakan-gerakan yang sangat kecil

dan kerja paksa

dengan memindahkan suatu titik material dari suatu titik 1 tepat 2 didefinisikan sebagai integral lengkung:

–bekerja dalam gerak melengkung.

Contoh 1: Pekerjaan gravitasi
selama gerak lengkung suatu titik material.

Lebih jauh sebagai nilai konstanta dapat dikeluarkan dari tanda integral, dan integral menurut gambar tersebut akan mewakili perpindahan penuh . .

Jika kita menyatakan ketinggian suatu titik 1 dari permukaan bumi melalui , dan ketinggian titik 2 melalui , Itu

Kita melihat bahwa dalam hal ini usaha ditentukan oleh kedudukan titik material pada momen awal dan akhir waktu dan tidak bergantung pada bentuk lintasan atau lintasan. Usaha yang dilakukan gravitasi sepanjang lintasan tertutup adalah nol:
.

Gaya-gaya yang usahanya pada lintasan tertutup sama dengan nol disebutkonservatif .

Contoh 2 : Usaha yang dilakukan oleh gaya gesekan.

Ini adalah contoh kekuatan non-konservatif. Untuk menunjukkan hal ini, cukup dengan mempertimbangkan kerja dasar gaya gesekan:

itu. Usaha yang dilakukan oleh gaya gesekan selalu besaran negatif dan tidak boleh sama dengan nol pada lintasan tertutup. Usaha yang dilakukan per satuan waktu disebut kekuatan. Jika selama ini
pekerjaan sedang dilakukan
, maka kekuatannya sama

–kekuatan mekanik.

Memukau
sebagai

kita mendapatkan ekspresi untuk kekuatan:

Satuan SI untuk usaha adalah joule:
= 1 J = 1 N 1 m, dan satuan daya adalah watt: 1 W = 1 J/s.

Energi mekanik.

Energi adalah ukuran kuantitatif umum dari pergerakan interaksi semua jenis materi. Energi tidak hilang dan tidak muncul dari ketiadaan: energi hanya dapat berpindah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Konsep energi menghubungkan semua fenomena di alam. Sesuai dengan berbagai bentuk gerak materi, berbagai jenis energi dipertimbangkan - mekanik, internal, elektromagnetik, nuklir, dll.

Konsep energi dan usaha berkaitan erat satu sama lain. Diketahui bahwa usaha dilakukan karena adanya cadangan energi dan sebaliknya dengan melakukan usaha, Anda dapat meningkatkan cadangan energi pada perangkat apa pun. Dengan kata lain, usaha adalah ukuran kuantitatif perubahan energi:

Energi, seperti usaha dalam SI, diukur dalam joule: [ E]=1J.

Energi mekanik terdiri dari dua jenis - kinetik dan potensial.

Energi kinetik (atau energi gerak) ditentukan oleh massa dan kecepatan benda yang bersangkutan. Pertimbangkan suatu titik material yang bergerak di bawah pengaruh suatu gaya . Kerja gaya ini meningkatkan energi kinetik suatu titik material
. Dalam hal ini, mari kita hitung pertambahan kecil (diferensial) energi kinetik:

Saat menghitung
Hukum kedua Newton digunakan
, Dan
- modul kecepatan titik material. Kemudian
dapat direpresentasikan sebagai:

- energi kinetik suatu titik material yang bergerak.

Mengalikan dan membagi ekspresi ini dengan
, dan mengingat itu
, kita mendapatkan

- hubungan antara momentum dan energi kinetik suatu titik material yang bergerak.

Energi potensial ( atau energi posisi benda) ditentukan oleh aksi gaya konservatif pada benda dan hanya bergantung pada posisi benda .

Kita telah melihat bahwa usaha dilakukan secara gravitasi
dengan gerak lengkung suatu titik material
dapat direpresentasikan sebagai perbedaan nilai fungsi
, diambil pada intinya 1 dan pada intinya 2 :