Každý chápe, že práca je druh sociálnej aktivity človeka, ktorú potrebuje na zabezpečenie svojej existencie. Vo fyzike však existuje aj podobný pojem, ktorý má úplne iný význam. Čo je práca vo fyzike, odpovie tento článok.
Práca ako fyzická veličina
Pri odpovedi na otázku, čo je práca vo fyzike, by sa malo objasniť, že ide o energiu, ktorá sa vynakladá na vykonanie akejkoľvek činnosti. Človek napríklad prenáša záťaž z jedného miesta na druhé, pričom pracuje proti trecím silám. Ak táto osoba začne zdvíhať bremeno, jeho práca bude zameraná na prekonanie gravitačnej sily planéty. Ďalší príklad: plyn pod piestom v dôsledku zahrievania začne zväčšovať svoj objem, v takom prípade sa hovorí, že robí nejakú prácu.
Vo všetkých vyššie uvedených prípadoch existuje jeden spoločný znak: práca sa líši od nuly iba vtedy, keď dôjde k nejakému druhu mechanického pohybu predmetov alebo ich častí(pohyb pracovníka s nákladom, expanzia plynu).
Práca je teda proces prenosu energie z jedného stavu do druhého pre dané teleso, v dôsledku čoho toto teleso mení polohu v priestore.
Pracovný vzorec
Teraz si ukážme, ako kvantitatívne vypočítať skúmanú hodnotu. Prenos energie medzi rôznymi stavmi je možný len vtedy, ak je prítomná nejaká sila. Môže to byť fyzická námaha ľudských rúk a nôh, sila strojov, vytvorený tlak, ktorý sa v prípade spaľovania paliva vo valci ľahko premieňa na silu, sila elektromagnetickej indukcie elektromotora a tak ďalej.
Nasledovný vzorec odpovie na otázku, ako si nájsť prácu vo fyzike:
A=(F¯l¯)
Práca A je skalárna veličina, kým sila F¯ a posunutie l¯ sú vektorové veličiny. Preto vzorec na výpočet A pomocou zátvoriek ukazuje, že hovoríme o skalárnom súčine vektorov. V skalárnej forme možno vyššie uvedený výraz prepísať takto:
A=Flcos(φ)
Tu φ je uhol medzi vektormi sily F¯ a posunutím l¯.
Keďže posunutie sa meria v metroch a sila je v Newtonoch, jednotka práce je Newton na meter (Nm). Jednotka SI má svoj vlastný názov, joule (J). Ukazuje sa, že práca 1 J zodpovedá sile 1 N, ktorá pri pôsobení v smere posunu posunula teleso o1 meter.
Plynárstvo
Analyzovali sme otázku, čo je mechanická práca vo fyzike, a dali sme vzorec, podľa ktorého ju možno vypočítať. V prípade expandujúcich plynov sa však používa iný výraz.
Predpokladajme, že máme plynový systém, ktorý plní objem V1 a je pod tlakom P. Nech sa jeho objem zmení v dôsledku nejakého vonkajšieho alebo vnútorného vplyvu na systém a stal sa rovným V2. Potom prácu plynu A možno určiť podľa nasledujúceho vzorca:
A=∫V(P(V)dV)
Ak vykreslíte funkciu P(V) v osiach P-V, potom sa plocha pod krivkou bude číselne rovnať A.
V prípade izobarického procesu (P=const) pre ideálny plyn bude odpoveďou na otázku, ako nájsť prácu vo fyzike, tento jednoduchý výraz:
A=P(V2-V1)
Ak sa v dôsledku termodynamického procesu objem plynu nezmení, jeho práca sa bude rovnať nule. Ak V2>V1, plyn robí pozitívnu prácu, ak V1>V 2, potom záporné.
Práca momentu sily
Moment sily je fyzikálna veličina, ktorá je vyjadrená nasledujúcim vzorcom:
M=[F¯r¯]
To znamená, že M sa rovná vektorovému súčinu sily F a vektora polomeru r okolo osi rotácie. Moment sily je vyjadrený v Nm.
Aká je práca momentu sily vo fyzike? Na túto otázkuodpovie nasledujúci vzorec:
A=Mθ
Táto rovnosť znamená, že ak moment M pôsobiaci na systém spôsobí, že sa otočí okolo osi o uhol θ, potom funguje A. Uhol θ tu musí byť vyjadrený v radiánoch, aby sme dostali prácu v jouloch.
Výpočet práce momentu sily hrá dôležitú úlohu vo všetkých mechanických systémoch, kde dochádza k rotácii, ako sú kolesá, prevody, hriadele atď.
Práca gravitácie
Keď sme zistili, čo je práca vo fyzike, vypočítajme túto hodnotu pre gravitačné sily. Predpokladajme, že teleso s hmotnosťou m padá z výšky h. Keďže gravitácia F pôsobí vertikálne smerom nadol, koná pozitívnu prácu. Určuje sa podľa nasledujúceho vzorca:
A=mgh, kde F=mg
Mnohí v získanom vzorci pre hodnotu A môžu vidieť výraz pre potenciálnu energiu telesa v poli gravitačných síl. Počas pádu telesa gravitácia vykonáva prácu na prenose potenciálnej energie tela na kinetickú energiu jeho pohybu.
