Механическая работа

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Работа
Размерность L2MT−2
Единицы измерения
СИ Дж
СГС эрг
Примечания
скалярная величина
Механическая работа
Ключевые статьи
См. также: Портал:Физика

Механи́ческая рабо́та физическая величинаскалярная количественная мера действия силы (равнодействующей сил) на тело или сил на систему тел. Зависит от численной величины и направления силы (сил) и от перемещения тела (системы тел)[1].

При постоянной силе и прямолинейном движении материальной точки, работа рассчитывается как произведение величины силы на перемещение и на косинус угла между векторами перемещения и силы: . В более сложных случаях (непостоянная сила, криволинейное движение) это соотношение применимо к малому промежутку времени, а для вычисления полной работы необходимо суммирование по всем таким промежуткам.

В механике совершение работы над телом является единственной причиной изменения его энергии; в других областях физики энергия изменяется и за счёт иных факторов (например, в термодинамике — теплообмена).

Определение работы[править | править код]

По определению, «элементарная» (совершаемая за бесконечно малое время) работа — скалярное произведение действующей на материальную точку силы на перемещение , то есть

.

Использование символа δ (а не ) обусловлено тем, что дифференциал работы не обязательно полный. Работа за конечный промежуток времени — интеграл элементарной работы:

.

Если имеется система материальных точек, выполняется суммирование по всем точкам. При наличии нескольких сил их работа определяется как работа равнодействующей (векторной суммы) этих сил.

Обозначения, размерность[править | править код]

Работа обычно обозначается заглавной буквой (от нем. Arbeit — работа, труд) или заглавной буквой (от англ. work — работа, труд).

Единицей измерения (размерностью) работы в Международной системе единиц (СИ) является джоуль, в СГС — эрг. При этом

1 Дж = 1 кг·м²/с² = 1 Н·м;
1 эрг = 1 г·см²/с² = 1 дин·см;
1 эрг = 10−7 Дж.

Вычисление работы[править | править код]

Случай одной материальной точки[править | править код]

Mehaaniline töö.png

При прямолинейном движении материальной точки и постоянном значении приложенной к ней силы, работа (этой силы) равна произведению проекции вектора силы на направление движения и длины вектора перемещения, совершённого точкой:

Здесь «» обозначает скалярное произведение,  — вектор перемещения.

Если направление приложенной силы ортогонально перемещению тела или перемещение равно нулю, то работа этой силы равна нулю.

В общем случае, когда сила не постоянна, а движение не прямолинейно, работа вычисляется как криволинейный интеграл второго рода по траектории точки[2]:

(подразумевается суммирование по кривой, которая является пределом ломаной, составленной из перемещений , если вначале считать их конечными, а потом устремить длину каждого к нулю).

Если существует зависимость силы от координат[3], интеграл определяется[4] следующим образом:

,

где и  — радиус-векторы начального и конечного положения тела. Например, если движение происходит в плоскости , а и (, орты), то последний интеграл обретёт вид , где производная берётся для кривой , по которой движется точка.

Если сила является консервативной (потенциальной), результат вычисления работы будет зависеть только от начального и финального положения точки, но не от траектории, по которой она перемещалась.

Случай системы точек или тела[править | править код]

Работа сил по перемещению системы из материальных точек определяется как сумма работ этих сил по перемещению каждой точки (работы, совершённые над каждой точкой системы, суммируются в работу этих сил над системой):

.

Если тело не является системой дискретных точек, его можно разбить (мысленно) на множество бесконечно малых элементов (кусочков), каждый из которых можно считать материальной точкой, и вычислить работу в соответствии с определением выше. В этом случае дискретная сумма заменяется на интеграл:

,

где — работа по перемещению бесконечно малого фрагмента объёма тела , локализованного около координаты (в системе отсчёта тела), от начального до финального положения, (Н/м3) — плотность действующей силы, а интегрирование проводится по всему объёму тела.

Эти формулы могут быть использованы как для вычисления работы конкретной силы или класса сил, так и для вычисления полной работы, совершаемой всеми силами, действующими на систему.

Работа и кинетическая энергия[править | править код]

Кинетическая энергия вводится в механике в прямой связи с понятием работы.

С использованием второго закона Ньютона, позволяющего выразить силу через ускорение как (где — масса материальной точки), а также соотношений и , элементарная работа может быть переписана как

.

При интегрировании от начального до финального момента получится

,

где кинетическая энергия. Для материальной точки она определяется как половина произведения массы этой точки на квадрат её скорости и выражается[5] как . Для сложных объектов, состоящих из множества частиц, кинетическая энергия тела равна сумме кинетических энергий частиц.

Работа и потенциальная энергия[править | править код]

Сила называется потенциальной, если существует скалярная функция координат, известная как потенциальная энергия и обозначаемая , такая, что

.

Здесь оператор набла. Если все силы, действующие на частицу, консервативны, и является полной потенциальной энергией, полученной суммированием потенциальных энергий, соответствующих каждой силе, то

.

Данный результат известен как закон сохранения механической энергии и утверждает, что полная механическая энергия

в замкнутой системе, в которой действуют консервативные силы, является постоянной во времени. Этот закон широко используется при решении задач классической механики.

Работа силы в теоретической механике[править | править код]

Пусть материальная точка движется по непрерывно дифференцируемой кривой , где s — переменная длина дуги, , и на неё действует сила , направленная по касательной к траектории в направлении движения (если сила не направлена по касательной, то будем понимать под проекцию силы на положительную касательную кривой, таким образом сведя и этот случай к рассматриваемому далее).

Величина , называется элементарной работой силы на участке и принимается за приближённое значение работы, которую производит сила , воздействующая на материальную точку, когда последняя проходит кривую . Сумма всех элементарных работ является интегральной суммой Римана функции .

В соответствии с определением интеграла Римана, можем дать определение работе:

Предел, к которому стремится сумма всех элементарных работ, когда мелкость разбиения стремится к нулю, называется работой силы вдоль кривой .

Таким образом, если обозначить эту работу буквой , то, в силу данного определения,

.

Если положение точки на траектории её движения описывается с помощью какого-либо другого параметра (например, времени) и если величина пройденного пути , является непрерывно дифференцируемой функцией, то из последней формулы получится

.

Работа в термодинамике[править | править код]

В термодинамике работа, совершённая газом при расширении[6], рассчитывается как интеграл давления по объёму:

.

Работа, совершённая над газом, совпадает с этим выражением по абсолютной величине, но противоположна по знаку.

  • Естественное обобщение этой формулы применимо не только к процессам, где давление есть однозначная функция объёма, но и к любому процессу (изображаемому любой кривой в плоскости ), в частности, к циклическим процессам.
  • В принципе, формула применима не только к газу, но и к чему угодно, способному оказывать давление (надо только чтобы давление в сосуде было всюду одинаковым, что неявно подразумевается в формуле).

Эта формула непосредственно связана с механической работой, хотя, казалось бы, относится к другому разделу физики. Сила давления газа направлена ортогонально к каждой элементарной площадке и равна произведению давления на площадь площадки. При расширении сосуда, работа, совершаемая газом для смещения одной такой элементарной площадки, составит

.

Это и есть произведение давления на приращение объёма вблизи элементарной площадки. После суммирования по всем , получится результат, где будет уже полное приращение объёма, как и в главной формуле раздела.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Тарг С. М. Работа силы // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — С. 193-194. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
  2. Это делается исходя из того, что можно разбить суммарное конечное перемещение на маленькие последовательные перемещения , на каждом из которых сила будет почти постоянной, а значит можно будет воспользоваться определением для постоянной силы, введённым выше. Затем работы на всех этих перемещениях суммируется, что и даёт в результате интеграл.
  3. Как это очень часто бывает. Например, в случае кулоновского поля, растягивающейся пружины, силы тяготения планеты итд.
  4. По сути через предыдущий, поскольку здесь ; вектор же малого перемещения совпадает с .
  5. Тарг С. М. Кинетическая энергия // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 360. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.
  6. Работа, совершаемая газом при его сжатии, очевидно отрицательна, но вычисляется по той же формуле. Работа, совершаемая газом (или над газом) без его расширения или сжатия (например, в процессе перемешивания мешалкой), в принципе может быть выражена подобной формулой, но всё же не прямо этой, так как она требует обобщения: дело в том, что в формуле давление подразумевается одинаковым по всему объёму (что часто выполняется в термодинамике, поскольку речь там часто идёт о процессах, близких к равновесным), что и приводит к наиболее простой формуле (в случае же вращающейся мешалки, например, давление будет разным на передней и задней стороне лопасти, что приведёт к необходимому усложнению формулы, если мы захотим применить её к такому случаю; эти соображения относятся и ко всем другим неравновесным случаям, когда давление неодинаково в разных частях системы).

Литература[править | править код]

  • История механики с древнейших времён до конца XVIII в. В 2 т. М.: Наука, 1972.
  • Кирпичёв В. Л. Беседы о механике. М.-Л.: Гостехиздат, 1950.
  • Льоцци М. История физики. М.: Мир, 1970.
  • Мах Э. Принцип сохранения работы: История и корень его. СПб., 1909.
  • Мах Э. Механика. Историко-критический очерк её развития. Ижевск: РХД, 2000.
  • Тюлина И. А. История и методология механики. М.: Изд-во МГУ, 1979.