Každý chápe, že práce je druh sociální aktivity člověka, kterou potřebuje k zajištění své existence. Ve fyzice však existuje také podobný pojem, který má zcela jiný význam. Co je práce ve fyzice, na to odpoví tento článek.
Práce jako fyzická veličina
Při odpovědi na otázku, co je práce ve fyzice, by mělo být objasněno, že se jedná o energii, která se vynakládá na provedení jakékoli akce. Člověk například přenáší zátěž z jednoho místa na druhé, přičemž pracuje proti třecím silám. Pokud tato osoba začne zvedat náklad, pak bude jeho práce zaměřena na překonání gravitační síly planety. Další příklad: plyn pod pístem v důsledku zahřívání začne zvětšovat svůj objem, v takovém případě prý dělá nějakou práci.
Ve všech výše uvedených případech existuje jeden společný rys: práce se liší od nuly pouze tehdy, když dochází k nějakému druhu mechanického pohybu předmětů nebo jejich částí(pohyb pracovníka se zátěží, expanze plynu).
Práce je tedy proces přenosu energie z jednoho stavu do druhého pro dané tělo, v důsledku čehož toto tělo mění polohu v prostoru.
Pracovní vzorec
Nyní si ukážeme, jak kvantitativně vypočítat zkoumanou hodnotu. Přenos energie mezi různými stavy je možný pouze za přítomnosti nějaké síly. Může to být fyzická námaha lidských rukou a nohou, síla strojů, vytvořený tlak, který se v případě spalování paliva ve válci snadno přemění na sílu, síla elektromagnetické indukce elektromotoru a tak dále.
Na otázku, jak najít práci ve fyzice, odpoví následující vzorec:
A=(F¯l¯)
Práce A je skalární veličina, zatímco síla F¯ a posunutí l¯ jsou vektorové veličiny. Proto vzorec pro výpočet A pomocí závorek ukazuje, že mluvíme o skalárním součinu vektorů. Ve skalární formě lze výše uvedený výraz přepsat následovně:
A=Flcos(φ)
Zde φ je úhel mezi silovými vektory F¯ a posunutím l¯.
Protože se posun měří v metrech a síla je v Newtonech, jednotka práce je Newton na metr (Nm). Jednotka SI má svůj vlastní název, joule (J). Ukazuje se, že práce 1 J odpovídá síle 1 N, která při působení ve směru posuvu posunula těleso o1 metr.
Plynářské práce
Analyzovali jsme otázku, co je mechanická práce ve fyzice, a dali jsme vzorec, podle kterého ji lze vypočítat. V případě expandujících plynů se však používá jiný výraz.
Předpokládejme, že máme plynový systém, který plní objem V1 a je pod tlakem P. Nechte jeho objem změnit v důsledku nějakého vnějšího nebo vnitřního vlivu na systém a stal se rovným V2. Potom lze práci plynu A určit podle následujícího vzorce:
A=∫V(P(V)dV)
Pokud vynesete funkci P(V) do os P-V, bude plocha pod křivkou číselně rovna A.
V případě izobarického procesu (P=konst) ideálního plynu bude odpovědí na otázku, jak najít práci ve fyzice, následující jednoduchý výraz:
A=P(V2-V1)
Pokud se v důsledku termodynamického procesu objem plynu nezmění, bude jeho práce rovna nule. Pokud V2>V1, pak plyn funguje pozitivně, pokud V1>V 2, poté záporné.
Dílo momentu síly
Moment síly je fyzikální veličina, která je vyjádřena následujícím vzorcem:
M=[F¯r¯]
To znamená, že M se rovná vektorovému součinu síly F a vektoru poloměru r kolem osy rotace. Moment síly je vyjádřen v Nm.
Jaká je práce momentu síly ve fyzice? Na tuto otázkuodpoví následující vzorec:
A=Mθ
Tato rovnost znamená, že pokud moment M působící na systém způsobí, že se otočí kolem osy o úhel θ, pak to funguje A. Úhel θ zde musí být vyjádřen v radiánech, abychom dostali práci v joulech.
Výpočet práce momentu síly hraje důležitou roli ve všech mechanických systémech, kde dochází k rotaci, jako jsou kola, ozubená kola, hřídele a tak dále.
Práce gravitace
Když jsme přišli na to, co je to práce ve fyzice, pojďme vypočítat tuto hodnotu pro gravitační síly. Předpokládejme, že těleso o hmotnosti m padá z výšky h. Protože gravitace F působí svisle dolů, vykonává pozitivní práci. Je určeno následujícím vzorcem:
A=mgh, kde F=mg
Mnozí ze získaného vzorce pro hodnotu A vidí výraz pro potenciální energii tělesa v poli gravitačních sil. Během pádu těla gravitace převádí potenciální energii těla na kinetickou energii jeho pohybu.
