Tout mouvement d'un corps dans l'espace, qui entraîne une modification de son énergie totale, est associé au travail. Dans cet article, nous examinerons quelle est cette quantité, en quoi le travail mécanique est mesuré et comment il est noté, et nous résoudrons également un problème intéressant sur ce sujet.
Travailler comme une grandeur physique
Avant de répondre à la question de savoir en quoi le travail mécanique est mesuré, familiarisons-nous avec cette valeur. Selon la définition, le travail est le produit scalaire de la force et du vecteur de déplacement du corps que cette force a provoqué. Mathématiquement, on peut écrire l'égalité suivante:
A=(F¯S¯).
Les parenthèses indiquent le produit scalaire. Compte tenu de ses propriétés, explicitement cette formule sera réécrite comme suit:
A=FScos(α).
Où α est l'angle entre les vecteurs force et déplacement.
D'après les expressions écrites, il s'ensuit que le travail est mesuré en Newtons par mètre (Nm). Comme on le sait,cette quantité s'appelle un joule (J). Autrement dit, en physique, le travail mécanique est mesuré en unités de travail Joules. Un Joule correspond à un tel travail, dans lequel une force d'un Newton, agissant parallèlement au mouvement du corps, entraîne un changement de sa position dans l'espace d'un mètre.
Quant à la désignation du travail mécanique en physique, il convient de noter que la lettre A est le plus souvent utilisée pour cela (de l'allemand ardeit - travail, travail). Dans la littérature de langue anglaise, vous pouvez trouver la désignation de cette valeur avec la lettre latine W. Dans la littérature de langue russe, cette lettre est réservée au pouvoir.
Travail et énergie
Déterminant la question de la mesure du travail mécanique, nous avons vu que ses unités coïncidaient avec celles de l'énergie. Cette coïncidence n'est pas fortuite. Le fait est que la quantité physique considérée est l'un des moyens de manifestation de l'énergie dans la nature. Tout mouvement de corps dans des champs de force ou en leur absence nécessite des dépenses énergétiques. Ces derniers sont utilisés pour modifier l'énergie cinétique et potentielle des corps. Le processus de ce changement est caractérisé par le travail accompli.
L'énergie est une caractéristique fondamentale des corps. Il est stocké dans des systèmes isolés, il peut être transformé sous des formes mécaniques, chimiques, thermiques, électriques et autres. Le travail n'est qu'une manifestation mécanique des processus énergétiques.
Travailler dans les gaz
L'expression écrite ci-dessus pour fonctionnerest basique. Cependant, cette formule peut ne pas convenir à la résolution de problèmes pratiques dans différents domaines de la physique, c'est pourquoi d'autres expressions qui en sont dérivées sont utilisées. Un tel cas est le travail effectué par le gaz. Il est pratique de le calculer à l'aide de la formule suivante:
A=∫V(PdV).
Ici P est la pression dans le gaz, V est son volume. Sachant en quoi se mesure le travail mécanique, il est facile de prouver la validité de l'expression intégrale, en effet:
Pam3=N/m2m3=N m=J.
Dans le cas général, la pression est fonction du volume, donc l'intégrande peut prendre une forme arbitraire. Dans le cas d'un processus isobare, la dilatation ou la contraction d'un gaz se produit à pression constante. Dans ce cas, le travail du gaz est égal au simple produit de la valeur P et de la variation de son volume.
Travailler en faisant tourner le corps autour de l'axe
Le mouvement de rotation est répandu dans la nature et la technologie. Elle est caractérisée par les notions de moments (force, quantité de mouvement et inertie). Pour déterminer le travail des forces externes qui ont fait tourner un corps ou un système autour d'un certain axe, vous devez d'abord calculer le moment de la force. Il est calculé comme ceci:
M=Fd.
Où d est la distance entre le vecteur de force et l'axe de rotation, on l'appelle l'épaule. Le couple M, qui a conduit à la rotation du système d'un angle θ autour d'un axe, effectue le travail suivant:
A=Mθ.
Ici Mest exprimé en Nm et l'angle θ est en radians.
Tâche de physique pour le travail mécanique
Comme il était dit dans l'article, le travail est toujours fait par telle ou telle force. Considérez le problème intéressant suivant.
Le corps est sur un plan incliné vers l'horizon à un angle de 25o. En glissant, le corps a acquis une certaine énergie cinétique. Il faut calculer cette énergie, ainsi que le travail de la pesanteur. La masse d'un corps est de 1 kg, le chemin parcouru par celui-ci le long du plan est de 2 mètres. La résistance au frottement par glissement peut être négligée.
Il a été montré ci-dessus que seule la partie de la force qui est dirigée le long du déplacement fonctionne. Il est facile de montrer que dans ce cas la partie suivante de la force de gravité agira le long du déplacement:
F=mgsin(α).
Ici α est l'angle d'inclinaison du plan. Ensuite, le travail est calculé comme ceci:
A=mgsin(α)S=19.810.42262=8.29 J.
C'est-à-dire que la gravité fait un travail positif.
Déterminons maintenant l'énergie cinétique du corps à la fin de la descente. Pour ce faire, souvenez-vous de la deuxième loi de Newton et calculez l'accélération:
a=F/m=gsin(α).
Puisque le glissement du corps est uniformément accéléré, nous avons le droit d'utiliser la formule cinématique correspondante pour déterminer le temps de mouvement:
S=at2/2=>
t=√(2S/a)=√(2S/(gsin(α))).
La vitesse du corps à la fin de la descente est calculée comme suit:
v=at=gsin(α)√(2S/(gsin(α)))=√(2Sgsin(α)).
L'énergie cinétique du mouvement de translation est déterminée à l'aide de l'expression suivante:
E=mv2/2=m2Sgsin(α)/2=mSgsin(α).
Nous avons obtenu un résultat intéressant: il s'avère que la formule de l'énergie cinétique correspond exactement à l'expression du travail de la gravité, qui a été obtenue plus tôt. Cela indique que tout le travail mécanique de la force F vise à augmenter l'énergie cinétique du corps coulissant. En effet, du fait des forces de frottement, le travail A s'avère toujours supérieur à l'énergie E.
