Рычаг, работа и мощность

Механическая работа

В физике работа совершается тогда, когда сила двигает тело. Считают её умножением силы на путь, пройденный по направлению этой силы.

Единица работы это джоуль. Один джоуль это работа силы в один ньютон на пути в один метр.

Если тело не сдвинулось, работа равна нулю, как бы человек ни напрягался. Держать штангу тяжело, а работы при этом нет.

Работа равна нулю и тогда, когда сила поперёк движения. Портфель в руке несут горизонтально, а сила тяжести тянет вниз.

Усталость и работа это разные вещи. Мышцы напрягаются и тратят силы, а физика считает только перемещение под действием силы.

Мощность

Одну и ту же работу можно сделать быстро и медленно. Чтобы сравнить, вводят мощность: работу делят на время.

Единица мощности это ватт. Один ватт означает один джоуль за секунду.

Человек в спокойной работе развивает около семидесяти ватт, спортсмен в рывке до тысячи. Мощность автомобильного мотора считают десятками киловатт.

Рычаг

Рычаг это твёрдое тело, которое может поворачиваться вокруг опоры. Ножницы, качели, лом, весло, дверная ручка.

Расстояние от опоры до линии действия силы называют плечом. Чем длиннее плечо, тем сильнее сила поворачивает рычаг.

Рычаг в равновесии, когда произведение силы на плечо с одной стороны равно такому же произведению с другой.

Отсюда простое следствие. Если плечо втрое длиннее, той же силой удержишь втрое больший груз.

Простые механизмы

Кроме рычага в технике работают блок, ворот, наклонная плоскость и клин.

Неподвижный блок силы не выигрывает, зато меняет её направление: тянуть вниз удобнее, чем поднимать вверх.

Подвижный блок даёт выигрыш в силе вдвое. Наклонная плоскость тем выгоднее, чем она длиннее и положе.

Все они об одном: разменять силу на расстояние.

Винт это та же наклонная плоскость, свёрнутая вокруг стержня. Поэтому домкратом с винтом машину поднимают одной рукой, зато рукоятку крутят долго.

Золотое правило механики

Ни один механизм не даёт выигрыша в работе. Выигрывая в силе, мы ровно во столько же раз проигрываем в пути.

Подними груз подвижным блоком: тянуть придётся вдвое слабее, зато верёвки выбрать вдвое больше.

Правило это заметили ещё в древности, а объяснили только тогда, когда появилось понятие работы.

Настоящие механизмы отдают даже чуть меньше, чем получают: часть работы забирает трение. Отношение полезной работы к затраченной называют коэффициентом полезного действия.

Энергия

Тело, способное совершить работу, обладает энергией. Измеряют её тоже в джоулях.

Поднятый груз обладает потенциальной энергией: отпусти его, и он совершит работу при падении. Движущееся тело обладает кинетической энергией.

Одна переходит в другую. Санки на вершине горки имеют потенциальную энергию, внизу она превращается в кинетическую.

Полностью энергия не исчезает никогда. Что происходит с ней дальше и куда девается тепло, разбирают в восьмом классе.

На этом седьмой класс заканчивается. За год мы прошли путь от вопроса «что изучает физика» до формул, по которым считают работу целой машины, и все они собраны из четырёх величин: длины, массы, времени и силы.

Про силы, которые совершают работу, речь шла в уроке «Сила и её измерение». Продолжение темы ждёт в уроке «Внутренняя энергия».