כולם מבינים שעבודה היא סוג של פעילות חברתית של אדם שהוא צריך כדי להבטיח את קיומו. אולם בפיזיקה קיים גם מושג דומה בעל משמעות שונה לחלוטין. מהי עבודה בפיזיקה, מאמר זה יענה.
עבודה ככמות פיזית
בתשובה לשאלה מהי עבודה בפיזיקה, יש להבהיר שזו האנרגיה שמושקעת בביצוע כל פעולה. לדוגמא, אדם מעביר עומס ממקום למקום, תוך שהוא פועל נגד כוחות חיכוך. אם אדם זה יתחיל להרים את העומס, אז עבודתו תכוון להתגבר על כוח הכבידה של הפלנטה. דוגמה נוספת: הגז מתחת לבוכנה, כתוצאה מחימום, מתחיל להגדיל את נפחו, ובמקרה זה נאמר שהוא עושה עבודה כלשהי.
בכל המקרים לעיל, יש תכונה אחת משותפת: העבודה שונה מאפס רק כאשר יש סוג כלשהו של תנועה מכנית של עצמים או חלקיהם(תנועה של עובד עם עומס, התרחבות של גז).
לכן, עבודה היא תהליך של העברת אנרגיה ממצב אחד למשנהו עבור גוף נתון, וכתוצאה מכך גוף זה משנה מיקום במרחב.
נוסחת עבודה
עכשיו בואו נראה כיצד לחשב כמותי את הערך הנבדק. העברת אנרגיה בין מצבים שונים אפשרית רק אם קיים כוח כלשהו. זה יכול להיות המאמץ הפיזי של הידיים והרגליים של האדם, כוחן של מכונות, הלחץ שנוצר, המומר בקלות לכוח, במקרה של שריפה של דלק בצילינדר, כוח ההשראה האלקטרומגנטית של מנוע חשמלי, וכן וכן הלאה.
הנוסחה הבאה תענה על השאלה איך למצוא עבודה בפיזיקה:
A=(F¯l¯)
עבודה A היא כמות סקלרית, בעוד שכוח F¯ ותזוזה l¯ הן כמויות וקטוריות. לכן הנוסחה לחישוב A משתמשת בסוגריים כדי להראות שאנחנו מדברים על המכפלה הסקלרית של וקטורים. בצורה סקלרית, ניתן לשכתב את הביטוי לעיל באופן הבא:
A=Flcos(φ)
כאן φ היא הזווית בין וקטורי הכוח F¯ לבין תזוזה l¯.
מכיוון שתזוזה נמדדת במטרים והכוח הוא בניוטון, יחידת העבודה היא ניוטון למטר (Nm). ליחידת SI יש שם משלה, ג'ול (J). מסתבר שעבודה של 1 J תואמת לכוח של 1 N, שפועל לאורך כיוון העקירה הניע את הגוף על ידי1 מטר.
עבודת גז
ניתחנו את השאלה מהי עבודה מכנית בפיזיקה, ונתנו נוסחה לפיה ניתן לחשב אותה. אולם במקרה של גזים מתרחבים, נעשה שימוש בביטוי אחר.
נניח שיש לנו מערכת גז שממלאת את הנפח V1 ונמצאת בלחץ P. תן לנפח שלה להשתנות כתוצאה מהשפעה חיצונית או פנימית כלשהי על המערכת והפך שווה ל-V2. אז ניתן לקבוע את העבודה של גז A לפי הנוסחה הבאה:
A=∫V(P(V) dV)
אם תשרטט את הפונקציה P(V) בצירי P-V, אז השטח מתחת לעקומה יהיה שווה מספרית ל-A.
במקרה של תהליך איזוברי (P=const) עבור גז אידיאלי, התשובה לשאלה כיצד למצוא עבודה בפיזיקה תהיה הביטוי הפשוט הבא:
A=P(V2-V1)
אם כתוצאה מתהליך תרמודינמי נפח הגז לא משתנה, אז העבודה שלו תהיה שווה לאפס. אם V2>V1, אז הגז עושה עבודה חיובית אם V1>V 2, ואז שלילי.
עבודה של רגע של כוח
מומנט הכוח הוא גודל פיזיקלי, שמתבטא בנוסחה הבאה:
M=[F¯r¯]
כלומר, M שווה למכפלה הווקטורית של הכוח F ולווקטור הרדיוס r סביב ציר הסיבוב. רגע הכוח מבוטא ב-Nm.
מהי העבודה של רגע של כוח בפיזיקה? לשאלה הזוהנוסחה הבאה תענה:
A=Mθ
השוויון הזה אומר שאם הרגע M, הפועל על המערכת, גורם לה להסתובב סביב הציר בזווית θ, אז הוא אכן עובד A. הזווית θ כאן חייבת להתבטא ברדיאנים כדי לקבל את העבודה בג'אול.
חישוב העבודה של מומנט הכוח ממלא תפקיד חשוב בכל המערכות המכניות שבהן יש סיבוב, כמו גלגלים, גלגלי שיניים, צירים וכדומה.
עבודת כבידה
לאחר שהבנו מהי עבודה בפיזיקה, בואו נחשב את הערך הזה עבור כוחות הכבידה. נניח שגוף בעל מסה m נופל מגובה h. מכיוון שכוח הכבידה F פועל אנכית כלפי מטה, הוא עושה עבודה חיובית. זה נקבע לפי הנוסחה הבאה:
A=mgh, כאשר F=mg
רבים בנוסחה המתקבלת לערך A יכולים לראות את הביטוי לאנרגיה הפוטנציאלית של גוף בשדה כוחות הכבידה. במהלך נפילת הגוף, כוח המשיכה עושה את העבודה של העברת האנרגיה הפוטנציאלית של הגוף לתוך האנרגיה הקינטית של תנועתו.
