Työ (fysiikka) | Fysiikassa työ on sitä, mitä voima tekee

Fysiikassa työ on sitä, mitä voima tekee.

Kun kappaleeseen kohdistetaan voima tietyn ajan, voiman tekemä työ määritellään voiman suuruutena (voimakkuutena) kertaa kappaleen siirtymä sen alkuasennosta nykyiseen asentoon (lyhin etäisyys pisteen A ja B välillä) kertaa voiman suunnan ja kappaleen siirtymän todellisen suunnan välisen kulman kosinus. Tämä voidaan esittää seuraavasti:

W = F s cos θ {\displaystyle W=Fs\cos \theta } $W=Fs\cos \theta$

Tässä kaavassa työ on W, voiman suuruus on F, siirtymä on s ja kulman kosini on cos θ.

Useimmissa tapauksissa viimeinen tekijä (kulman kosini) on yhtä suuri kuin yksi, koska voiman suunta on yleensä sama kuin siirtymän suunta. Mutta tilanteissa, joissa esimerkiksi painavaa laatikkoa työnnetään kulmassa, joka ei ole samansuuntainen maanpinnan kanssa (sanotaan, että laatikkoa työnnetään 20°:n kulmassa maanpintaa kohti), voiman suunta ei ole sama kuin siirtymän suunta. Tässä esimerkissä voima tekee kohdistetun voiman kulman vuoksi vähemmän työtä, koska se ei ole yhtä tehokas kuin laatikon työntäminen maanpinnan suuntaisessa kulmassa.

Mitä enemmän siirtymän suunta on kohtisuorassa (90°) voiman suuntaan nähden, sitä enemmän työ lähestyy nollaa. Jos kulma on suurempi kuin 90°, se tarkoittaa, että kappale liikkuu yleisesti ottaen taaksepäin siitä, mitä voima aikoo tehdä; voiman työ on negatiivinen.

Yksi käyttökelpoinen esimerkki on skenaario, jossa joukko ihmisiä pelaa köydenvetoa. Joukkue, jota vedetään hitaasti keskelle, harjoittaa voimaa poispäin keskeltä, mutta heidän voimiensa parhaista yrityksistä huolimatta syntyy negatiivista työtä, koska heidän siirtymänsä suunta on vastakkaiseen suuntaan.

Painavan kirjan pitäminen painoa vasten tuottaa voiman, mutta jos esine on ilmassa paikallaan, työtä ei synny. Jos esine liikkuu hitaasti ylöspäin, työ on positiivista, mutta jos se sen sijaan laskeutuu hitaasti alaspäin, vaikka siihen kohdistuu voima, voiman työ on negatiivista.

Voimme tarkastella asiaa myös sen voiman näkökulmasta, joka yrittää siirtää kirjaa alaspäin, eli sen painon. Painon aiheuttama työ nostettavaan kirjaan on negatiivinen. Tämä johtuu siitä, että alaspäin suuntautuva paino on vastakkaiseen suuntaan kuin ylöspäin suuntautuva siirtymä.

Työ katsotaan tehdyksi, kun se on positiivinen.

Voima tekee työn, ei voiman luonut tekijä. Liike on työn edellytys.

Se on energian tavoin skalaarinen suure, ja sen SI-yksikkö on joule. Lämmön johtumista ei pidetä työn muotona, koska siinä ei ole makroskooppisesti mitattavissa olevaa voimaa, vaan ainoastaan mikroskooppisia voimia, joita esiintyy atomien törmäyksissä. Termin työ loi 1830-luvulla ranskalainen matemaatikko Gaspard-Gustave Coriolis.

Työn ja energian lauseen mukaan, jos ulkoinen voima vaikuttaa jäykkään kappaleeseen, jolloin sen liike-energia muuttuu E_k1 :sta E_k2 :ksi, mekaaninen työ (W) saadaan seuraavasti:

W = Δ E k = E k 2 - E k 1 = m v 2 2 2 - m v 1 2 2 {\displaystyle W=\Delta E_{k}=E_{k_{2}}-E_{k_{1}}={\frac {mv_{2}^{2}}}{2}}-{\frac {mv_{1}^{2}}{2}}}}} $W=\Delta E_{k}=E_{k_{2}}-E_{k_{1}}={\frac {mv_{2}^{2}}{2}}-{\frac {mv_{1}^{2}}{2}}$

jossa m on kappaleen massa ja v on kappaleen nopeus.

Pesäpallon syöttäjä tekee työtä pallolle siirtämällä siihen energiaa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on työ fysiikassa?

A: Työ on voima, jonka jokin esine kokee, kun siihen kohdistetaan voima tietyn ajanjakson ajan.

K: Miten työ esitetään matemaattisesti?

V: Työ esitetään kaavalla W=Fs cos è, jossa W edustaa työtä, F edustaa voiman suuruutta, s edustaa siirtymää ja cos è edustaa voiman suunnan ja todellisen siirtymäsuunnan välistä kulmaa.

K: Mitä tapahtuu, jos voiman ja siirtymän suunnan välillä on kulma?

V: Jos voiman ja siirtymän suunnan välillä on kulma, työtä tehdään vähemmän, koska työntö on tehottomampaa kuin yhdensuuntainen työntö. Mitä enemmän kohtisuorassa (90°) voiman suuntaan nähden, sitä enemmän työ lähestyy nollaa. Jos kulma on suurempi kuin 90°, kokonaisliike on vastakkaiseen suuntaan kuin mitä voimalla oli tarkoitus, jolloin työ on negatiivinen.

Kysymys: Pidetäänkö lämmön johtumista työn muotona?

V: Ei, lämmön johtumista ei pidetä työn muotona, koska siinä ei ole makroskooppisesti mitattavissa olevia voimia, vaan ainoastaan mikroskooppisia voimia, joita esiintyy atomien törmäyksissä.

K: Kuka loi termin "työ"?

V: Termin "työ" loi ranskalainen matemaatikko Gaspard-Gustave Coriolis 1830-luvulla.

K: Mitä työ-energia-teoreema sanoo?

V: Työ-energialausekkeen mukaan, jos jäykkään kappaleeseen kohdistuu ulkoinen voima, joka saa sen liike-energian muuttumaan Ek1:stä Ek2:een, mekaaninen työ (W) voidaan laskea käyttämällä arvoa mv2/2 - mv1/2 , jossa m tarkoittaa massaa ja v nopeutta.