Работа в физике — это действие, в результате которого объект перемещается в пространстве или воздействует на другое тело. Этот показатель напрямую связан с понятием кинетической энергии.
Потенциальная энергия
Прежде чем разбираться с понятием кинетической энергии, следует рассмотреть энергию потенциальную. Для совершения работы физическому объекту, человеку или животному необходима энергия. Живые организмы берут энергию из пищи или солнечного света, физические объекты — из сил природы, механизмы — от усилий человека, а электроприборы — из энергосети. Энергия в переводе с греческого означает действие, силу или мощь.
Если тело обладает возможностью совершить работу, то есть переместиться на определенную дистанцию или воздействовать на другой объект, то с точки зрения физики такое тело обладает потенциальной энергией. Среди наиболее очевидных примеров тел, обладающих потенциальной энергией, выделяются:
- объекты, поднятые на высоту;
- упруго деформированные тела;
- сжатые газы.
Например, если взять в руки мяч, то он будет обладать потенциальной энергией, пропорциональной высоте, на которую его подняли. Если мяч уронить, то его потенциальная энергия высвободится, а сила тяжести совершит работу по «доставке» его на поверхность земли. Если мяч бросить, то работу совершит результирующая сила из мускульной силы человека и силы тяготения. Но в момент, когда мяч начнет лететь, его потенциальная энергия начнет трансформироваться в кинетическую.
Кинетическая энергия
Древнегреческое слово «кинетикос» имеет отношение к движению, поэтому простыми словами кинетическая энергия — это мощь движения. Кинетическая энергия тела в первую очередь зависит от массы тела, но гораздо больше на уровень энергии влияет скорость. Формула, известная еще со школы, описывает зависимость энергии от массы и скорости следующим образом:
Ek = 0,5 m × v2,
где m – масса объекта, v – его скорость.
Такой энергией обладают все тела, скорость которых не равна нулю. Это и движущийся автомобиль, и летящий самолет, и ползущая улитка. Движущийся тела способны совершить работу, то есть переместить предмет на заданную дистанцию или воздействовать на него. Летящий мяч обладает кинетической энергией до тех пор, пока он не упадет на землю. Если словить его на лету, мяч окажет воздействие на ловца, которое в некоторых случаях может быть довольно болезненным. Но как связаны кинетическая энергия и работа?
Связь работы и кинетической энергии
Сила — это мера действия на объект, в результате которого происходит изменение состояния данного объекта. Под действием силы тела перемещаются, сжимаются или растягиваются. Сила связывается с массой тела и ускорением при помощи формулы:
F = m × a,
где а – ускорение.
В свою очередь работа — это влияние силы на тело, в результате которого происходит движение. При однонаправленном движении работа тела выражается по формуле:
A = F × S = m × a × S,
где S — дистанция перемещения.
Из курса динамики мы знаем, что ускорение тела связано со скоростью и пройденным расстоянием следующим соотношением:
a = (v22 − v12) / 2S,
где v1 — начальная скорость, а v2 — конечная скорость.
Если бы подставим это выражение ускорения в формулу работы, то получим:
A = m × a × S = m × S × (v22 – v12) / 2S =
m × (v22 – v12) / 2 = 0,5 (m × v22) − 0,5 (m × v12) = Ek2 − Ek1
Из выражения очевидно, что работа — это разница кинетических энергий тела в начальной и конечной точке. Если тело набирало ускорение с нуля, то работа равна кинетической энергии в конечной точке.
Закон сохранения энергии
Энергия не появляется ниоткуда и не исчезает в никуда, она лишь превращается из одного вида в другой. В состоянии покоя тела обладают потенциальной энергией, которая во время движения трансформируется в кинетическую.
Потенциальная и кинетическая энергия в сумме дают механическую энергию тела, которая в свою очередь может трансформироваться в электрическую, а затем — в химическую. Наиболее простой пример трансформации механической энергии в электрическую и обратно — это электрические двигатели и генераторы, в которых вращение вала в магнитном поле продуцирует электродвижущую силу и напряжение. Более интересным примером являются пьезоэлементы — кристаллы, которые при сжатии генерируют электрическую силу. В любом случае для получения электричества требуется осуществить механическую работу.
Наша программа позволяет вычислить работу тела, которую оно совершило при изменении его скорости. Для этого требуется ввести в соответствующие ячейки значения массы тела, его начальную и конечную скорость.
Пример из реальной жизни
Теннисный мяч
Давайте определим работу мускульной силы Серены Уильямс при подаче теннисного мяча. Мы знаем, что масса мячика составляет всего 90 г или 0,09 кг. Скорость подачи знаменитой теннисистки или конечная скорость мячика составляет 207 км/ч или 57,5 м/с. Начальная скорость мяча составляет 0 м/с. Рассчитаем итоговую работу при помощи калькулятора и получим работу, равную 148,78 Дж.
Заключение
Вычисление общей работы в виде разности его кинетических энергий не представляет сложностей, но гораздо удобнее осуществлять расчеты в автоматическом режиме. Именно для этого и разработан наш калькулятор, который пригодится школьникам или студентам начальных курсов.
