Фізика. 7 клас. Засєкіна

Розділ 5. Механічна робота та енергія

Найсильніші люди планети можуть підняти вантажі масою 200-250 кг, прикладаючи відповідно при цьому силу 2000-2500 Н. А як піднімали важкі кам’яні брили, з яких будували піраміди в Єгипті, колони, куполи та дзвони під час зведення храмів? Уже в далекі часи виникла потреба мати пристрої, які б дали можливість отримати виграш у силі. Найдавніші винаходи людства, такі як блок, важіль, коловорот, колесо, похила площина, клин, гвинт, і досі є незамінними елементами найсучасніших машин і механізмів. Більшість цих винаходів належать давньогрецькому інженеру-винахіднику Архімеду. І знову звернемося до легенд про Архімеда. Легенда розповідає, що побудований у подарунок єгипетському царю Птолемею важкий багатопалубний корабель «Сіракузи» ніяк не вдавалося спустити на воду. Архімед спорудив систему блоків (поліспаст), за допомогою якої він зміг виконати цю роботу одним рухом руки. За легендою, Архімед заявив при цьому: «Дайте мені точку опори, і я переверну світ».

Інженерний геній Архімеда з особливою силою проявився під час облоги Сіраку з римлянами в 212 р. до н. е. Побудовані Архімедом потужні метальні машини (катапульти) закидали римські війська важкими каменями.

Винаходи Архімеда використовувались не тільки у військових цілях. Знаменитий «гвинт Архімеда» був використаний для підйому і подачі води в місто.

Вивчаючи розділ «Механічна робота та енергія», ви зможете пояснити принцип дії машин і механізмів, з’ясуєте що таке механічна робота, потужність, енергія, момент сили. Доведете, що неможливо побудувати «вічний двигун», що енергія не виникає і не зникає. Дізнаєтеся, що називають «золотим правилом механіки», як використовують енергію води та вітру. Навчитеся розв’язувати задачі на визначення механічної роботи, енергії, потужності, коефіцієнта корисної дії механізму та інші.

• § 27. Механічна робота. Потужність
• § 28. Механічна енергія та її види
• § 29. Закон збереження й перетворення енергії
• § 30. Прості механізми. Момент сили
• § 31. Коефіцієнт корисної дії механізмів. «Золоте правило» механіки

§ 27. Механічна робота. Потужність

Ви дізнаєтесь

• Що таке механічна робота
• Коли механічна робота додатна, коли від’ємна і коли дорівнює нулю
• Що таке потужність

Пригадайте

• Що таке сила
• Які результати дії сили

МЕХАНІЧНА РОБОТА. У повсякденному житті словом «робота» називають різні дії людини чи технічного засобу: робота у школі, робота двигуна, домашня робота тощо.

У фізиці термін «робота», або «механічна робота» — це фізична величина, а отже, її можна вимірювати, обчислювати, порівнювати.

Механічною роботою або роботою сили називають фізичну величину, що характеризує дію сили. Якщо на тіло діє постійна сила і тіло рухається під дією цієї сили, то кажуть, що сила виконує роботу. Наприклад, під дією сили тяжіння кулька, яка висить на нитці, падає на поверхню Землі, коли цю нитку перерізати. У такому разі кажуть, що сила тяжіння виконала роботу з переміщення кульки. Проте сила тяжіння, яка діє на нерухомий камінь, не виконує роботи. Адже камінь не змінює свого положення.

Значення роботи залежить від значень сили і шляху, на якому діє ця сила.

Механічна робота — це фізична величина, яка характеризує дію сили і визначається добутком F сили на шлях s, пройдений тілом у напрямі дії сили.

Якщо роботу позначити буквою А, то можна записати формулу для визначення роботи:

A = Fs.

Одиниця роботи — джоуль (1 Дж = 1 Н • м). Ця одиниця названа на честь англійського фізика Джеймса Джоуля.

Джеймс Прескот Джоуль (1818-1889) — англійський фізик

Механічна робота може бути додатною або від’ємною. Якщо тіло здійснює рух у напрямі дії сили (мал. 207, а), то робота — додатна (наприклад, тіло рухається під дією сили тяги). Якщо тіло рухається у протилежний бік до напряму дії сили (мал. 207, б), то робота від’ємна (наприклад, тіло зупиняється внаслідок дії сили тертя). Якщо напрям сили, що діє на тіло, перпендикулярний до напряму переміщення тіла, то ця сила роботи не виконує — робота дорівнює нулю (мал. 207, в). Якщо тіло рухається без участі сил (за інерцією), у цьому разі механічна робота також не виконується.

Мал. 207. Випадки, коли механічна робота: а) додатна; б) від’ємна; в) дорівнює нулю

ПОТУЖНІСТЬ. Слово «потужність» нам також добре відоме. У фізиці термін «потужність» — це фізична величина, яка напряму пов’язана з роботою.

Наприклад, підйомний кран на будівництві за кілька хвилин піднімає на верхній поверх будинку кілька сотень цеглин. Коли б цю цеглу переносив робітник, то він витратив би кілька годин. Зрозуміло, що підйомний кран виконує ту саму роботу швидше, ніж робітник. Швидкість виконання роботи у фізиці характеризують особливою величиною, яку називають потужністю.

Потужність — це фізична величина, яка характеризує швидкість виконання роботи і визначається відношенням роботи до часу, за який її було виконано.

Щоб обчислити потужність, треба значення роботи поділити на інтервал часу, за який цю роботу виконано:

Одиниця потужності названа на честь англійського механіка Джеймса Уатта (1736-1819), який зробив значний внесок у теорію та практику побудови теплових двигунів.

Джеймс Уатт (1736-1819) — шотландський інженер, винахідник-механік

Знаючи потужність і час, можна обчислити виконану роботу: А = Nt.

Отже, із двох автомобілів за рівних сил опору більшу швидкість матиме той, у якого потужність двигуна більша.

Часто застосовують одиницю роботи кіловатгодину (1 кВт • год = 3,6 • 10⁶ Дж), а також позасистемну одиницю — кінську силу (1 к. с. = 735,5 Вт).

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

Механічна робота — це фізична величина, яка характеризує дію сили і визначається добутком сили на шлях, пройдений тілом у напрямі дії сили: A = Fs.

Механічна робота може буди додатною, від’ємною або дорівнювати нулю.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ

Дайте відповідь на запитання

• 1. Яку роботу називають механічною? Яка формула виражає її зміст?
• 2. У яких випадках про силу можна сказати, що вона виконує додатню роботу?
• 3. Автомобіль рухається по рівній дорозі. Чи здійснює роботу сила тяжіння, що діє на автомобіль?
• 4. Чи завжди швидкість виконання роботи однакова? Наведіть приклади різної швидкості виконання роботи.
• 5. Як розрахувати потужність?

Поясніть

• 1. Чому людина, що піднімається на гору, виконує більшу роботу, ніж тоді, коли таку саму відстань вона проходить горизонтальною дорогою?
• 2. Чому навантажений автомобіль з тією самою потужністю двигуна рухається повільніше від ненавантаженого?

ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ФІЗИЧНИХ ЗАДАЧ

Задача 1. Визначте роботу, яка виконується під час піднімання гранітної плити об’ємом 0,5 м³ на висоту 20 м. Густина граніту 2500 кг/м³.

Задача 2. Підіймальний кран працював 5 хв. За цей час була виконана робота 9 МДж. Яку потужність розвивав кран?

Вправа 19

1. Яка робота виконується, коли кран піднімає вантаж масою 10 т на висоту 30 м? Яка потужність крана, якщо цю роботу кран виконує за 2 хв?

2. Гиря годинника має масу 0,8 кг і за добу опускається на 120 см. Яка потужність такого механізму? Яка робота виконується при опусканні гирі?

3. Спортсмен піднімає штангу масою 125 кг на висоту 2,2 м за 0,2 с. Яку потужність він при цьому розвиває?

4. Кран підіймає вантаж масою 4,6 т на висоту 8 м. Двигун має потужність 12 кВт. Скільки часу затрачено на піднімання вантажу?

5. Поїзд проходить, рухаючись рівномірно, шлях 12 км за 10 хв. Потужність локомотива 3 МВт. Визначте силу тяги локомотива.

6. На шляху 50 м рівномірно переміщують санки масою 30 кг. Визначте виконану роботу, якщо сила тертя становить 0,06 ваги санок.

7. На останній поверх найвищого у світі будинку висотою 440 м людина масою 60 кг піднялася за 44 хв. Яку середню потужність вона при цьому розвивала?