Механическая работа и мощность

Механическая работа

Механической работой называют физическую величину, равную произведению силы на путь, пройденный телом в направлении действия силы. Работа совершается только тогда, когда под действием силы тело перемещается. Если перемещения нет, то нет и работы, какой бы большой ни была сила.

В общем случае, когда сила направлена под углом к перемещению, работа вычисляется по формуле:

Здесь F — модуль силы, s — модуль перемещения, альфа — угол между направлением силы и направлением перемещения. Единица измерения работы — джоуль (Дж): 1 Дж = 1 Н * 1 м. Один джоуль — это работа силы в 1 ньютон на пути в 1 метр.

Знак работы

Работа может быть положительной, отрицательной и равной нулю. Если сила и перемещение направлены одинаково — работа положительна. Если противоположно (например, сила трения при движении) — работа отрицательна. Если сила перпендикулярна перемещению — работа равна нулю, ведь косинус 90 градусов равен нулю.

Мощность

Мощность — это величина, показывающая, как быстро совершается работа. Она равна отношению работы ко времени её совершения:

Если тело движется равномерно со скоростью v под действием постоянной силы, мощность можно вычислить как N = F*v. Единица мощности — ватт (Вт): 1 Вт = 1 Дж/с. Часто используют киловатт: 1 кВт = 1000 Вт.

Коэффициент полезного действия

Ни один реальный механизм не передаёт всю затраченную работу в полезную: часть теряется на трение и нагрев. КПД механизма показывает, какая часть затраченной работы превращается в полезную:

КПД всегда меньше ста процентов, потому что потери на трение и нагрев неизбежны в любом реальном устройстве. Например, КПД хорошего электродвигателя достигает 90%, а простой механизм с большим трением может иметь КПД всего 40–50%.

Разбор примера

Сила 50 Н тянет ящик на 4 м вдоль направления движения за 8 с. Найдём работу и мощность.

Частые ошибки. Если тело движется, но сила перпендикулярна пути (например, человек несёт чемодан горизонтально, прикладывая силу вверх), механическая работа этой силы равна нулю. Также работа не совершается, если тело не перемещается, как бы велика ни была приложенная сила. Не смешивайте работу и мощность: работа измеряется в джоулях, мощность — в ваттах.

Кратко о главном

• Работа: A = F·s·cos α, измеряется в джоулях.
• Знак работы зависит от угла между силой и перемещением.
• Мощность: N = A/t = F·v, измеряется в ваттах.
• КПД — отношение полезной работы к затраченной, всегда меньше 100%.