Kerja gaya dalam fisika. Ensiklopedia sekolah
Ciri-ciri energi gerak diperkenalkan berdasarkan konsep kerja mekanik atau kerja gaya.
Definisi 1Usaha A yang dilakukan oleh gaya konstan F → adalah kuantitas fisik, sama dengan hasil kali modul gaya dan perpindahan dikalikan kosinus sudut α , terletak di antara vektor gaya F → dan perpindahan s →.
Definisi ini dibahas pada Gambar 1. 18. 1.
Rumus kerjanya ditulis sebagai,
A = F s karena α .
Usaha merupakan besaran skalar. Hal ini memungkinkan untuk menjadi positif pada (0° ≤ α< 90 °) , отрицательной при (90 ° < α ≤ 180 °) . Когда задается прямой угол α , тогда совершаемая сила равняется нулю. Единицы измерения работы по системе СИ - джоули (Д ж) .
Satu joule sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar 1 N untuk memindahkan 1 m searah gaya tersebut.
Gambar 1. 18. 1. Kerja gaya F →: A = F s cos α = F s s
Saat memproyeksikan F s → gaya F → ke arah gerakan s → gaya tidak tetap, dan perhitungan usaha untuk gerakan kecil Δ s i diringkas dan diproduksi sesuai dengan rumus:
A = ∑ ∆ A i = ∑ F s i ∆ s i .
Besarnya usaha ini dihitung dari limit (Δ s i → 0) dan kemudian dimasukkan ke dalam integral.
Representasi grafis suatu karya ditentukan dari luas bangun lengkung yang terletak di bawah grafik F s (x) pada Gambar 1. 18. 2.
Gambar 1. 18. 2. Definisi grafis dari pekerjaan Δ A i = F s i Δ s i .
Contoh gaya yang bergantung pada koordinat adalah gaya elastis pegas, yang mematuhi hukum Hooke. Untuk meregangkan pegas, perlu diterapkan gaya F →, yang modulusnya sebanding dengan perpanjangan pegas. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 1. 18. 3.
Gambar 1. 18. 3. Musim semi yang membentang. Arah gaya luar F → bertepatan dengan arah gerak s →. F s = k x, dimana k menyatakan kekakuan pegas.
F → kamu p = - F →
Ketergantungan modulus gaya luar pada koordinat x dapat diplot dengan menggunakan garis lurus.
Gambar 1. 18. 4. Ketergantungan modulus gaya luar pada koordinat saat pegas diregangkan.
Dari gambar di atas dimungkinkan untuk menemukan pekerjaan kekuatan eksternal ujung kanan pegas yang bebas, dengan menggunakan luas segitiga. Rumusnya akan berbentuk
Rumus ini dapat diterapkan untuk menyatakan usaha yang dilakukan oleh gaya luar ketika menekan pegas. Kedua kasus tersebut menunjukkan bahwa gaya elastis F → y p sama dengan kerja gaya luar F → , tetapi bertanda berlawanan.
Definisi 2
Jika beberapa gaya bekerja pada suatu benda, maka rumus usaha total akan terlihat seperti jumlah seluruh usaha yang dilakukan padanya. Ketika suatu benda bergerak secara translasi, titik-titik penerapan gaya bergerak secara merata, yaitu pekerjaan umum semua gaya akan sama dengan kerja resultan gaya-gaya yang diberikan.
Gambar 1. 18. 5. Model kerja mekanik.
Penentuan kekuatan
Definisi 3Kekuatan disebut usaha yang dilakukan oleh suatu gaya per satuan waktu.
Pencatatan besaran fisis daya yang dinotasikan N berbentuk perbandingan usaha A dengan selang waktu t usaha yang dilakukan, yaitu:
Definisi 4
Sistem SI menggunakan watt (W t) sebagai satuan daya, sama dengan daya gaya yang melakukan kerja 1 J dalam 1 s.
Jika Anda melihat kesalahan pada teks, silakan sorot dan tekan Ctrl+Enter
« Fisika - kelas 10"
Hukum kekekalan energi adalah hukum dasar alam yang memungkinkan kita menggambarkan sebagian besar fenomena yang terjadi.
Deskripsi gerak benda juga dimungkinkan dengan menggunakan konsep dinamika seperti usaha dan energi.
Ingat apa yang dimaksud dengan usaha dan daya dalam fisika.
Apakah konsep-konsep ini sesuai dengan gagasan sehari-hari tentangnya?
Semua tindakan kita sehari-hari bermuara pada kenyataan bahwa kita, dengan bantuan otot, menggerakkan benda-benda di sekitarnya dan mempertahankan gerakan ini, atau menghentikan benda yang bergerak.
Benda-benda ini adalah perkakas (palu, pena, gergaji), dalam permainan - bola, keping, bidak catur. Dalam produksi dan pertanian orang juga menggerakkan alat.
Penggunaan mesin meningkatkan produktivitas tenaga kerja berkali-kali lipat karena penggunaan mesin di dalamnya.
Tujuan dari setiap mesin adalah untuk menggerakkan benda dan mempertahankan gerakan ini, meskipun direm dengan gesekan biasa dan hambatan “bekerja” (pemotong tidak boleh hanya meluncur di atas logam, tetapi, dengan memotongnya, menghilangkan serpihan; bajak harus melonggarkan tanah, dll). Dalam hal ini, suatu gaya harus bekerja pada benda yang bergerak dari sisi mesin.
Usaha dilakukan di alam setiap kali suatu gaya (atau beberapa gaya) dari benda lain (benda lain) bekerja pada suatu benda searah dengan pergerakannya atau melawannya.
Gaya gravitasi bekerja ketika tetesan air hujan atau batu jatuh dari tebing. Pada saat yang sama, usaha juga dilakukan oleh gaya hambatan yang bekerja pada tetesan yang jatuh atau pada batu dari udara. Gaya elastis juga melakukan usaha ketika pohon yang ditekuk oleh angin menjadi tegak.
Definisi pekerjaan.
Hukum kedua Newton dalam bentuk impuls Δ = Δt memungkinkan Anda untuk menentukan bagaimana kecepatan suatu benda berubah besaran dan arahnya jika suatu gaya bekerja padanya selama waktu Δt.
Pengaruh gaya-gaya pada benda yang menyebabkan perubahan modulus kecepatannya dicirikan oleh besarnya yang bergantung pada gaya dan pergerakan benda. Dalam mekanika besaran ini disebut kerja paksa.
Perubahan kecepatan dalam nilai absolut hanya mungkin terjadi jika proyeksi gaya F r terhadap arah gerak benda berbeda dari nol. Proyeksi inilah yang menentukan aksi gaya yang mengubah kecepatan modulo benda. Dia melakukan pekerjaannya. Oleh karena itu, usaha dapat dianggap sebagai hasil kali proyeksi gaya F r dengan modulus perpindahan |Δ| (Gbr. 5.1):
SEBUAH = F r |Δ|. (5.1)
Jika sudut antara gaya dan perpindahan dilambangkan dengan α, maka Fr = Fcosα.
Oleh karena itu, usahanya sama dengan:
A = |Δ|cosα. (5.2)
Pemahaman kita sehari-hari tentang usaha berbeda dengan definisi usaha dalam fisika. Anda sedang memegang koper yang berat, dan Anda merasa sedang melakukan pekerjaan. Namun, dari sudut pandang fisik, pekerjaan Anda nol.
Kerja gaya konstan sama dengan hasil kali modulus gaya dan perpindahan titik penerapan gaya dan kosinus sudut di antara keduanya.
Secara umum, ketika benda tegar bergerak, gerakannya poin yang berbeda berbeda, tetapi ketika menentukan kerja gaya kita berada di bawah Δ kami memahami pergerakan titik penerapannya. Selama gerak translasi suatu benda tegar, pergerakan semua titiknya bertepatan dengan pergerakan titik penerapan gaya.
Usaha, tidak seperti gaya dan perpindahan, bukanlah besaran vektor, melainkan besaran skalar. Itu bisa positif, negatif atau nol.
Tanda usaha ditentukan oleh tanda kosinus sudut antara gaya dan perpindahan. Jika α< 90°, то А >0, karena kosinus sudut lancip bernilai positif. Untuk α > 90°, usahanya negatif, karena kosinus sudut tumpulnya negatif. Pada α = 90° (gaya tegak lurus perpindahan) tidak ada usaha yang dilakukan.
Jika beberapa gaya bekerja pada suatu benda, maka proyeksi gaya resultan pada perpindahan sama dengan jumlah proyeksi masing-masing gaya:
F r = F 1r + F 2r + ... .
Oleh karena itu, untuk usaha gaya resultan yang kita peroleh
SEBUAH = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + ... = SEBUAH 1 + SEBUAH 2 + .... (5.3)
Jika beberapa gaya bekerja pada suatu benda, maka pekerjaan penuh waktu(jumlah aljabar kerja semua gaya) sama dengan kerja gaya resultan.
Usaha yang dilakukan oleh suatu gaya dapat direpresentasikan secara grafis. Mari kita jelaskan hal ini dengan menggambarkan pada gambar ketergantungan proyeksi gaya pada koordinat benda ketika bergerak lurus.
Biarkan benda bergerak sepanjang sumbu OX (Gbr. 5.2), lalu
Fcosα = F x , |Δ| = Δx.
Untuk kerja paksa yang kita dapatkan
A = F|Δ|cosα = F x Δx.
Jelasnya, luas persegi panjang yang diarsir pada Gambar (5.3, a) secara numerik sama dengan usaha yang dilakukan ketika benda berpindah dari titik dengan koordinat x1 ke titik dengan koordinat x2.
Rumus (5.1) berlaku jika proyeksi gaya pada perpindahan adalah konstan. Dalam kasus lintasan lengkung, gaya konstan atau variabel, kami membagi lintasan menjadi segmen-segmen kecil, yang dapat dianggap bujursangkar, dan proyeksi gaya pada perpindahan kecil Δ - konstan.
Kemudian menghitung usaha pada setiap gerakan Δ
dan kemudian menyimpulkan hasil usaha ini, kita menentukan kerja gaya pada perpindahan akhir (Gbr. 5.3, b). Satuan kerja.
Satuan kerja dapat ditentukan dengan menggunakan rumus dasar (5.2). Jika, ketika suatu benda bergerak sejauh satu satuan panjang, suatu gaya bekerja padanya, yang modulusnya sama dengan satu, dan arah gaya tersebut bertepatan dengan arah pergerakan titik penerapannya (α = 0), maka usahanya akan sama dengan satu. Dalam Sistem Internasional (SI), satuan kerja adalah joule (dilambangkan dengan J):
1 J = 1 N 1 m = 1 N m.
Joule- ini adalah usaha yang dilakukan oleh gaya 1 N pada perpindahan 1 jika arah gaya dan perpindahan bertepatan.
Seringkali beberapa unit kerja digunakan - kilojoule dan megajoule:
1 kJ = 1000J,
1 MJ = 1.000.000J.
Pekerjaan dapat diselesaikan dalam jangka waktu yang lama atau dalam waktu yang sangat singkat. Namun dalam praktiknya, tidak dapat dipastikan apakah pekerjaan dapat dilakukan dengan cepat atau lambat. Waktu selama pekerjaan dilakukan menentukan kinerja mesin apa pun. Motor listrik berukuran kecil dapat melakukan banyak pekerjaan, namun akan memakan banyak waktu. Oleh karena itu, seiring dengan kerja, suatu besaran diperkenalkan yang mencirikan kecepatan produksinya - daya.
Daya adalah perbandingan usaha A dengan selang waktu Δt selama usaha tersebut dilakukan, yaitu daya adalah kecepatan kerja:
Menggantikan ekspresi (5.2) ke dalam rumus (5.4) alih-alih kerja A, kita memperoleh
Jadi, jika gaya dan kecepatan suatu benda adalah konstan, maka daya sama dengan hasil kali besar vektor gaya dengan besar vektor kecepatan dan kosinus sudut antara arah vektor-vektor tersebut. Jika besaran-besaran tersebut bersifat variabel, maka dengan menggunakan rumus (5.4) kita dapat menentukan daya rata-rata seperti definisinya kecepatan rata-rata gerakan tubuh.
Konsep daya diperkenalkan untuk mengevaluasi kerja per satuan waktu yang dilakukan oleh suatu mekanisme (pompa, derek, motor mesin, dll). Oleh karena itu, dalam rumus (5.4) dan (5.5), gaya traksi selalu yang dimaksud.
Dalam SI, daya dinyatakan dalam watt (W).
Daya sama dengan 1 W jika usaha sebesar 1 J dilakukan dalam 1 s.
Selain watt, satuan daya yang lebih besar (berganda) juga digunakan:
1 kW (kilowatt) = 1000 W,
1 MW (megawatt) = 1.000.000 W.
Setiap benda yang melakukan suatu gerak dapat dicirikan dengan usaha. Dengan kata lain, ini mencirikan aksi kekuatan.
Pekerjaan didefinisikan sebagai:
Hasil kali modulus gaya dan lintasan yang ditempuh benda, dikalikan dengan kosinus sudut antara arah gaya dan gerak.
Pekerjaan diukur dalam Joule:
1 [J] = = [kg* m2/s2]
Misalnya, benda A, di bawah pengaruh gaya 5 N, menempuh jarak 10 m. Tentukan usaha yang dilakukan benda tersebut.
Karena arah gerak dan aksi gaya bertepatan, sudut antara vektor gaya dan vektor perpindahan akan sama dengan 0°. Rumusnya akan disederhanakan karena kosinus sudut 0° sama dengan 1.
Mengganti parameter awal ke dalam rumus, kami menemukan:
SEBUAH= 15J.
Mari kita perhatikan contoh lain: sebuah benda bermassa 2 kg, yang bergerak dengan percepatan 6 m/s2, telah menempuh jarak 10 m. Tentukan usaha yang dilakukan oleh benda tersebut jika benda tersebut bergerak ke atas sepanjang bidang miring dengan sudut 60°.
Pertama-tama, mari kita hitung berapa gaya yang perlu diterapkan untuk memberikan percepatan 6 m/s2 pada benda.
F = 2 kg * 6 m/s2 = 12 jam.
Di bawah pengaruh gaya 12N, benda bergerak sejauh 10 m. Usaha dapat dihitung dengan menggunakan rumus yang sudah diketahui:
Dimana a sama dengan 30°. Mengganti data awal ke dalam rumus yang kita peroleh:
SEBUAH= 103,2J.
Kekuatan
Banyak mesin dan mekanisme melakukan pekerjaan yang sama dalam periode waktu yang berbeda. Untuk membandingkannya, konsep kekuasaan diperkenalkan.
Daya adalah besaran yang menunjukkan besarnya usaha yang dilakukan per satuan waktu.
Daya diukur dalam Watt, untuk menghormati insinyur Skotlandia James Watt.
1 [Watt] = 1 [J/dtk].
Misalnya, sebuah crane besar mengangkat beban seberat 10 ton ke ketinggian 30 m dalam waktu 1 menit. Sebuah derek kecil mengangkat 2 ton batu bata ke ketinggian yang sama dalam waktu 1 menit. Bandingkan kapasitas derek.
Mari kita definisikan usaha yang dilakukan oleh crane. Beban naik 30m sambil mengatasi gaya gravitasi, sehingga gaya yang dikeluarkan untuk mengangkat beban sama dengan gaya interaksi antara bumi dan beban (F = m*g). Dan usaha adalah hasil kali gaya dengan jarak yang ditempuh oleh beban, yaitu dengan ketinggian.
Untuk derek besar A1 = 10.000 kg * 30 m * 10 m/s2 = 3.000.000 J, dan untuk derek kecil A2 = 2.000 kg * 30 m * 10 m/s2 = 600.000 J.
Daya dapat dihitung dengan membagi usaha dengan waktu. Kedua crane mengangkat beban dalam waktu 1 menit (60 detik).
Dari sini:
N1 = 3.000.000 J/60 detik = 50.000 W = 50 kW.
N2 = 600.000 J/ 60 detik = 10.000 W = 10 kW.
Dari data di atas terlihat jelas bahwa crane pertama 5 kali lebih kuat dari crane kedua.
Tahukah kamu apa itu pekerjaan? Tanpa ragu. Setiap orang mengetahui apa itu pekerjaan, asalkan ia dilahirkan dan hidup di planet bumi. Apa itu pekerjaan mekanis?
Konsep ini juga diketahui oleh kebanyakan orang di planet ini, meskipun beberapa orang memiliki pemahaman yang agak kabur tentang proses ini. Tapi kita tidak membicarakannya sekarang. Bahkan lebih sedikit orang yang tahu apa itu kerja mekanik dari sudut pandang fisika. Dalam fisika, kerja mekanik bukanlah kerja manusia untuk mendapatkan makanan, melainkan kuantitas fisik yang mungkin sama sekali tidak berhubungan dengan manusia atau makhluk hidup lainnya. Bagaimana bisa? Mari kita cari tahu sekarang.
Pekerjaan mekanik dalam fisika
Mari kita beri dua contoh. Pada contoh pertama, air sungai yang berhadapan dengan jurang jatuh dengan derasnya berbentuk air terjun. Contoh kedua adalah seseorang yang memegang dengan tangan terentang benda berat, misalnya, menahan atap rusak di atas teras rumah pedesaan agar tidak terjatuh sementara istri dan anak-anaknya dengan panik mencari sesuatu untuk menopangnya. Kapan pekerjaan mekanis dilakukan?
Pengertian kerja mekanik
Hampir semua orang, tanpa ragu, akan menjawab: yang kedua. Dan mereka salah. Yang terjadi justru sebaliknya. Dalam fisika, kerja mekanik dijelaskan dengan definisi berikut: kerja mekanis dilakukan ketika suatu gaya bekerja pada suatu benda dan benda itu bergerak. Pekerjaan mekanis berbanding lurus dengan gaya yang diberikan dan jarak yang ditempuh.
Rumus kerja mekanik
Kerja mekanik ditentukan dengan rumus:
dimana A bekerja,
F - kekuatan,
s adalah jarak yang ditempuh.
Jadi, terlepas dari semua kepahlawanan pemegang atap yang lelah, pekerjaan yang dia lakukan adalah nol, tetapi air, yang jatuh di bawah pengaruh gravitasi dari tebing tinggi, melakukan pekerjaan paling mekanis. Artinya, jika kita tidak berhasil mendorong lemari yang berat, maka usaha yang telah kita lakukan dari sudut pandang fisika akan sama dengan nol, meskipun kita menerapkan banyak gaya. Tapi jika kita memindahkan kabinet pada jarak tertentu, maka kita akan melakukan pekerjaan itu sama dengan produknya gaya yang diterapkan dengan jarak di mana kita menggerakkan benda.
Satuan usaha adalah 1 J. Ini adalah usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar 1 newton untuk menggerakkan suatu benda sejauh 1 m. Jika arah gaya yang diberikan bertepatan dengan arah gerak benda, maka gaya tersebut adalah membuat pekerjaan yang positif. Contohnya adalah ketika kita mendorong suatu benda dan benda tersebut bergerak. Dan jika suatu gaya diterapkan pada arah yang berlawanan dengan gerak benda, misalnya gaya gesekan, maka gaya tersebut melakukan kerja negatif. Jika gaya yang diberikan tidak mempengaruhi pergerakan benda dengan cara apapun, maka gaya yang dilakukan oleh usaha ini sama dengan nol.
