Фізика. Повторне видання. 7 клас. Засєкіна
Розділ 4. Механічна робота й енергія
ТИ ДІЗНАЄШСЯ
- Як фізики вимірюють роботу й потужність.
- Як пов’язані між собою робота та енергія.
- Як розподіляється й перетворюється енергія під час взаємодії тіл.
- Як можна підняти вантаж, не докладаючи великих зусиль.
- Який виграш у роботі дають прості механізми.
ТИ НАВЧИШСЯ
- Визначати механічну роботу, потужність та енергію.
- Розрізняти види механічної енергії, різновиди простих механізмів.
- Визначати виграш у силі, що дають прості механізми.
- Конструювати прості механізми і пристрої для перетворення механічної енергії.
ТИ ЗРОЗУМІЄШ
- Що енергія не береться нізвідки і не зникає безслідно.
- Що прості механізми дають виграш у силі, але не дають виграшу в роботі.
- Чому прості механізми застосовують і в наш час.
§ 22. Дізнаємося про механічну роботу й потужність
• Як фізики вимірюють роботу й потужність?
ДОСЛІДЖУЙ
ВИКОНАЙ ДОСЛІДИ
1. Підніми з підлоги на парту цей підручник (тільки прочитай завдання до кінця). Тепер підніми з підлоги й поклади на парту наплічник. Яка величина є однаковою, а яка відрізняється щодо цих предметів?
2. Візьми два підручники (можна об’єднатися з однокласником чи однокласницею). Один підручник так само підніми з підлоги на парту, а інший — підніми над головою на витягнутій руці. Що залишилося незмінним порівняно з попереднім дослідом, а що змінилося?
3. Потримай наплічник на витягнутих руках деякий час нерухомо.
4. У якому випадку тобі довелося виконати найбільшу роботу? Перевір свою відповідь із поняттям роботи, про яке йтиметься в цьому параграфі.
ДІЗНАВАЙСЯ
У якому випадку виконується механічна робота? Напевно, про роботу ти маєш уявлення. Дорослі ходять на роботу, а ввечері повертаючись, цікавляться: яку роботу виконав / виконала ти, зокрема домашні завдання. Роботу виконує вітер, що жене вітрильник, баштовий кран, що піднімає вантаж на будівництві, електричний чайник, що нагріває воду. І таких прикладів можна наводити багато. У побуті словом «робота» називають будь-яку корисну працю — фізичну, розумову чи творчу. У цьому параграфі ти дізнаєшся про механічну роботу, пов’язану з рухом і переміщенням тіл.
Проаналізуємо досліди, проведені на початку уроку. Виконана тобою робота з погляду фізики визначається добутком сили на переміщення, здійснене в напрямку дії цієї сили. У нашому випадку переміщення — це висота, на яку піднімали предмети. За умови рівномірного піднімання прикладена тобою сила зрівноважувала силу тяжіння, яка, як ти знаєш, пропорційна масі тіла. Оскільки маса наплічника значно більша за масу пенала, то й виконана робота була різною, попри те, що висота була однаковою. У другому випадку однаковим було прикладене зусилля на подолання сили тяжіння, проте різною була висота, на яку піднімали книжки. Якщо виміряти переміщення й масу тіл, що брали участь у дослідах, можна обчислити значення роботи в кожному випадку та визначити її найбільше значення.
Механічну роботу позначають великою літерою А. Одиниця роботи — джоуль, 1 Дж = 1 Н • м. Ця одиниця названа на честь англійського фізика Джеймса Джоуля.
Механічна робота (mechanical work) — це фізична величина, яка характеризує дію сили. У випадку переміщення тіла в напрямку дії сили робота обчислюється за формулою: А = Fs.
А як щодо третього досліду? Тримати наплічник було найважче.
Здається мені, що, зважаючи на означення, роботи в цьому випадку саме й не було. Ми ж тримали наплічники нерухомо.
З огляду на те, що сила може набувати різного значення й напрямку, потрібно з’ясувати: чи збігається напрямок сили і напрямок руху. Залежно від того, куди напрямлена сила відносно напрямку руху тіла, робота може бути додатною, від’ємною або дорівнювати нулю.
З додатною роботою зрозуміло: напрямок сили й напрямок переміщення збігаються (мал. 22.1, а). І навіть якщо напрямок дії сили й переміщення утворюють гострий кут, робота буде додатною (мал. 22.1, б).
Від’ємною робота буде, якщо ці напрямки протилежні. Наприклад, сила, що діє на тіло, зменшує його швидкість (сила тертя або сила тяжіння під час руху тіла вгору, мал. 22.1, в).
Робота дорівнюватиме нулю, якщо сила діє перпендикулярно до напрямку переміщення тіла (наприклад, на наплічник діє сила тяжіння, але він рухається в горизонтальному напрямку, мал. 22.1, г).
Мал. 22.1
Як визначають швидкість виконання роботи? Слово потужність тобі також добре відоме. У фізиці потужність — це фізична величина, яка безпосередньо 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, 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.
Щоб обчислити потужність, треба значення роботи поділити на інтервал часу, за який цю роботу виконано:
Потужність (power) — це фізична величина, яка характеризує швидкість виконання роботи й визначається відношенням роботи до часу, за який її було виконано.
Одиниця потужності названа на честь англійського механіка Джеймса Ватта (1736-1819 рр.), який зробив значний внесок у теорію і практику побудови теплових двигунів.
Знаючи потужність і час, можна обчислити виконану роботу: А = Nt.
Потужність
Отже, з двох автомобілів за однакових сил опору більшу швидкість матиме той, у якого потужність двигуна більша.
Часто трапляється одиниця роботи кВт • год:
1 кВт • год = 3,6 • 106Дж.
А також позасистемна одиниця — кінська сила:
1 к. с. — 735,5 Вт.
Як графічно визначити механічну роботу й потужність? Накресли графік залежності величини сили F від переміщення s для випадку, коли величина сили не змінюється, а напрямок сили збігається з напрямком переміщення (мал. 22.2, а). З графіка видно, що добуток F • s збігається за числовим значенням із площею прямокутника abcd, тобто робота може бути обчислена як площа під графіком сили.
Графічний спосіб обчислення роботи стає в пригоді, коли сила змінюється в процесі переміщення.
Наприклад, у випадку, коли ти розтягуєш пружину з деякою силою F, величина цієї сили, згідно із законом Гука, збільшується в міру збільшення видовження пружини. Отже, обчислювати роботу за формулою А = Fs вже не можна.
Мал. 22.2
ДУМАЙ
1. Наведи різні способи визначення роботи.
2. Чи виконує роботу людина, яка тримає в руці важку валізу?
3. У яких випадках про силу можна сказати, що вона виконує додатну роботу?
4. Автомобіль рухається рівною дорогою. Чи здійснює роботу сила тяжіння, що діє на автомобіль?
5. Чи завжди швидкість виконання роботи однакова? Наведи приклади різної швидкості виконання роботи.
6. Чому людина, яка піднялася на гору, виконує більшу роботу, ніж тоді, коли проходить таку саму відстань горизонтальною дорогою?
7. Чому навантажений автомобіль з тією самою потужністю двигуна рухається повільніше за ненавантажений?
УЧИСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ФІЗИЧНІ ЗАДАЧІ
ЗАДАЧА 1
Визнач 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?
ДІЙ
РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ
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. М’яч масою 100 г підкинули на висоту 5 м. Визнач роботу сили тяжіння під час руху м’яча: а) вгору; б) вниз.
3. Гиря годинника має масу 0,8 кг і за добу опускається на 120 см. Яка потужність такого механізму? Яка робота виконується під час опускання гирі?
4. Спортсмен піднімає штангу масою 125 кг на висоту 2,2 м за 0,2 с. Яку потужність розвиває спортсмен?
5. Піднімальний кран підіймає вантаж масою 4,6 т на висоту 8 м. Двигун має потужність 12кВт. Скільки часу затрачено на піднімання вантажу?
6. Поїзд, рухаючись рівномірно, проходить шлях 12 км за 10 хв. Потужність локомотива 3 МВт. Визнач силу тяги локомотива.
7. На шляху 50 м рівномірно переміщають санки масою 30 кг. Визнач виконану роботу, якщо сила тертя становить 0,06 ваги санок?
8. На останній поверх будинку заввишки 440 м людина масою 60 кг піднялася за 44 хв. Яку середню потужність вона розвивала?
9. Автомобіль Bugatti Chiron Super Sport 300+ — один із найшвидших автомобілів у світі. Ним установлено рекорд максимальної швидкості 490,484 км/год. Його потужність — 1600 к. с. Чому дорівнює потужність цього автомобіля у Вт і сила тяги під час досягнення максимальної швидкості автомобіля?
10. Склади за малюнком 22.3 задачу й розв’яжи її.
Мал. 22.3
ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ
1. Визнач роботу, яку ти виконуєш: а) коли піднімаєш із підлоги на стілець наплічник; б) коли піднімаєшся на третій поверх (у школі чи будинку). Яку роботу за такої умови виконує сила тяжіння? Оформи звіт, у якому вкажи, які прилади було використано для визначення роботи, які вимірювання та розрахунки зроблено, які результати отримано.
