Pekerjaan mekanik dalam fisika. Rumus dan contoh tugas

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-02 17:49

Saat mempertimbangkan pergerakan benda dan sistemnya di ruang angkasa, seringkali perlu untuk menghitung kerja gaya-gaya tertentu. Pada artikel ini, kami akan memberikan definisi kerja mekanik dalam fisika, menjelaskan bagaimana kaitannya dengan energi, dan juga memberikan contoh penyelesaian masalah pada topik ini.

Apa perbedaan antara energi dan usaha?

Saat mempelajari pekerjaan dalam fisika (kelas 9 sekolah menengah), banyak siswa mengacaukan nilai ini dengan energi. Anda dapat memahami ini: bagaimanapun, kedua karakteristik ditentukan dalam joule. Namun, energi adalah karakteristik mendasar. Itu tidak dapat muncul atau menghilang, tetapi hanya dapat melewati keadaan dan bentuk yang berbeda. Inilah inti dari hukum kekekalannya dalam suatu sistem yang terisolasi. Usaha adalah salah satu bentuk realisasi energi, yang mengarah pada pergerakan ruang benda.

Jadi, ketika gas dipanaskan, energi internalnya meningkat, yaitu, sistem mendapat kesempatan untuk melakukan beberapa pekerjaan mekanis karenanya. Yang terakhir akan terjadi ketika gas mulai mengembang, meningkatvolumemu.

Definisi kerja yang ketat dalam fisika

Definisi ketat dalam fisika adalah definisi yang menyiratkan pembenaran matematis yang jelas. Berkenaan dengan besaran yang ditinjau, kita dapat mengatakan sebagai berikut: jika gaya tertentu F¯ bekerja pada benda, sebagai akibatnya ia mulai bergerak pada vektor S¯, maka usaha A disebut besaran seperti itu:

A=(F¯S)

Karena A adalah nilai skalar, tanda kurung di sisi kanan persamaan menunjukkan bahwa kedua vektor dikalikan secara skalar.

Dari ekspresi tertulis berikut fakta penting: jika gaya bekerja tegak lurus terhadap perpindahan, maka tidak melakukan pekerjaan. Jadi, banyak anak sekolah, ketika menyelesaikan tes fisika di kelas 10, misalnya, sering melakukan kesalahan. Mereka percaya bahwa sulit untuk memindahkan beban berat secara horizontal justru karena gravitasi. Seperti yang ditunjukkan oleh rumus kerja, gaya gravitasi selama gerakan horizontal tidak bekerja nol, karena diarahkan secara vertikal ke bawah. Faktanya, sulitnya memindahkan beban yang berat disebabkan oleh gaya gesekan yang berbanding lurus dengan gaya gravitasi.

Ekspresi untuk A dapat ditulis secara eksplisit sebagai berikut:

A=Fcos(φ)S

Produk Fcos(φ) adalah proyeksi vektor gaya ke vektor perpindahan.

Kerja dan efisiensi

Semua orang tahu bahwa untuk membuat mekanisme yang akan mengeluarkan semua energiditerjemahkan ke dalam pekerjaan yang bermanfaat, ternyata tidak mungkin dalam praktik. Dalam hal ini, konsep faktor efisiensi (COP) diperkenalkan. Sangat mudah untuk menghitungnya jika Anda menggunakan ekspresi berikut:

EFISIENSI=A_p/A_z100%

Di sini _п, _з - pekerjaan yang berguna dan yang dikeluarkan masing-masing. Pada saat yang sama, A_z selalu lebih besar dari A_{p, sehingga efisiensinya selalu kurang dari 100%. Misalnya, mesin pembakaran dalam memiliki efisiensi di kisaran 25-40%. Angka-angka ini menunjukkan bahwa sebagian besar bahan bakar selama pembakaran digunakan untuk memanaskan lingkungan, dan bukan untuk menggerakkan mobil.}

Dalam sebagian besar kasus, ketidakmungkinan memperoleh efisiensi=100% disebabkan oleh adanya gaya gesekan yang konstan. Bahkan dalam mekanisme yang sederhana seperti tuas, gaya-gaya yang bekerja di area tumpuan ini menyebabkan penurunan efisiensi hingga 80-90%.

Nanti dalam artikel kita akan memecahkan beberapa masalah pada topik yang dibahas.

Masalah dengan benda pada bidang miring

Sebuah benda bermassa 4 kg bergerak vertikal ke atas bidang miring. Sudut kemiringannya relatif terhadap cakrawala adalah 20o. Sebuah gaya eksternal bekerja pada tubuh, yang sama dengan 80 N (berarah horizontal), serta gaya gesekan, yaitu 10 N. Diperlukan untuk menghitung kerja masing-masing gaya dan kerja total jika tubuh bergerak sepanjang bidang 10 meter.

Sebelum mulai menyelesaikan masalah, mari kita ingat bahwa, selain gaya yang ditunjukkan, tubuh juga dipengaruhi oleh gravitasi dan reaksi pendukung. Yang terakhir bisa diabaikankarena pekerjaannya akan menjadi nol. Gravitasi bekerja negatif saat benda bergerak menaiki lereng.

Pertama, mari kita hitung kerja gaya luar F_{0. Ini akan menjadi:}

A₀=F₀Scos(20^{o)=751, 75 J.}

Perhatikan bahwa kerja yang dihitung akan positif, karena vektor gaya eksternal memiliki sudut lancip dengan arah gerakan.

Usaha gravitasi F_gdan gesekan F_{f akan negatif. Mari kita hitung dengan mempertimbangkan sudut kemiringan bidang dan arah gerakan tubuh:}

A₁=-F_gSsin(20^o)=-m gSsin(20^{o)=-134, 21 J;}

A₂=-F_{fS=-1010=-100 J.}

Kerja total semua gaya akan sama dengan jumlah nilai yang dihitung, yaitu:

A=A₀+ A₁+ A_{2=751, 75 - 134, 21 - 100=517,54 J.}

Pekerjaan ini digunakan untuk meningkatkan energi kinetik tubuh.

Masalah dengan ketergantungan kekuatan kompleks

Diketahui bahwa sebuah titik material bergerak sepanjang garis lurus, mengubah koordinatnya dari x=2 menjadi x=5 m. Dalam proses pergerakan, gaya F bekerja padanya, yang berubah sesuai dengan berikut ini hukum:

F=3x2+ 2x - 5 N.

Dengan asumsi bahwa F bekerja sepanjang garis pergerakan titik, perlu untuk menghitung usaha yang dilakukannya.

Karena gaya terus berubah, tidak mungkin langsung menggunakan rumus A yang tertulis di artikel. Untuk menghitung nilai iniMari kita lanjutkan sebagai berikut: hitung kerja dA pada setiap segmen dasar dari jalur dx, lalu tambahkan semua hasilnya. Berdebat seperti ini, kita sampai pada rumus integral untuk bekerja dalam fisika:

A=_x(Fdx).

Sekarang tinggal menghitung integral ini untuk kasus kita:

A=⁵₂((3x²+ 2x - 5)dx)=(x³+ x²- 5x)|⁵ 2_{=123 J.}

Kami mendapatkan hasil dalam joule, karena koordinat x dinyatakan dalam meter, dan gaya F dalam newton.