ძირითადი მასალა

ფიზიკა

კურსი: ფიზიკა > თემა 5

გაკვეთილი 1: მუშაობა და ენერგია

რა არის ენერგია და მუშაობა?

აქ ჩვენ ვისწავლით, რა შინაარსი აქვს მუშაობასა და ენერგიას ფიზიკაში და მათ კავშირს ერთმანეთთან.

რას ნიშნავს ენერგია და მუშაობა?

სიტყვა ენერგიას ხშირად ვიყენებთ ყოველდღიურობაში. მიუხედავად იმისა, რომ იგი ხშირად საკმაოდ მრავალაზროვნად გამოიყენება, მას ფიზიკაში ძალიან ზუსტი მნიშვნელობა აქვს.

ენერგია არის ფიზიკური სიდიდე, რომელიც ახასიათებს სხეულის მუშაობის შესრულების უნარს. ის არ არის მატერიალური ნივთიერება. ენერგია შეიძლება მრავალ ფორმაში შეინახოს და გაიზომოს.

ხალხი ხშირად ლაპარაკობს ენერგიის მოხმარებაზე, თუმცა ენერგია არასდროს ნადგურდება. ის უბრალოდ ერთი ფორმიდან მეორეში გადადის და პროცესში მუშაობას ასრულებს. ზოგი ენერგიის ფორმა დანარჩენებზე ნაკლებად გამოყენებადია - მაგალითად, დაბალი სითბური ენერგია. უმჯობესია, ვილაპარაკოთ ენერგიის რესურსების, მაგალითად, ქვანახშირის, ნავთობისა ან ქარის მოხმარებასა და მოპოვევაზე, ვიდრე თვითონ ენერგიის მოხმარებაზე.

დიდი სიჩქარით მოძრავ ტყვიას აქვს მასთან ასოცირებული ენერგიის გაზომვადი რაოდენობა; ის ცნობილია, როგორც კინეტიკური ენერგია. ტყვიამ იმიტომ მიიღო ეს ენერგია, რომ მასზე იმუშავა დენთმა, რომელმაც პროცესში დაკარგა რაღაც რაოდენობის პოტენციური ენერგია.
ცხელი ყავის ჭიქას აქვს გაზომვადი სითბური ენერგიის რაოდენობა, რომელიც მან მიიღო, როდესაც მასზე მიკროტალღურმა ღუმელმა მუშაობა შეასრულა, რომელმაც, თავის მხრივ, ელექტრული ენერგია ელექტრული ქსელიდან მიიღო.

პრაქტიკაში, როდესაც ენერგიის ერთი ტიპიდან მეორეში გადასაყვანად სრულდება მუშაობა, ყოველთვის არის დანაკარგი სხვა ენერგიის ტიპებში, როგორებიცაა სითბური და ბგერული ენერგია. მაგალითად, ჩვეულებრივი ელექტრონათურისთვის ელექტრული ენერგიის ხილულ სინათლეში გადაყვანის ეფექტურობა სადღაც 3%-ს შეადგენს, როდესაც ადამიანისთვის საჭმლიდან მიღებული ქიმიური ენერგიის მუშაობაში გადაყვანის ეფექტურობა არის 25%.

როგორ ვზომავთ ენერგიასა და მუშაობას?

სტანდარტულად, ენერგია და მუშაობა ფიზიკაში იზომება ერთეულ ჯოულში, რაც აღინიშნება, როგორც ჯ. მექანიკაში 1 ჯოული არის ენერგია, რომელიც საჭიროა სხეულის გადასაადგილებლად 1 მეტრით, როდესაც მასზე მოდებულია 1 ნიუტონი ძალა.

კიდევ ერთი ენერგიის ერთეული, რომელიც შესაძლოა, შეგხვედრიათ, არის კალორია. საჭმელს ენერგიის რაოდენობა ხშირად აწერია კალოერიებში, შეფუთვის უკანა მხარეს. მაგალითისთვის, სტანდარტული 60 გრამი შოკოლადის ფილა შეიცავს 280 კალორია ენერგიას. ერთი კალორია არის ენერგიის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა 1 კგ წყლის 1

^{\circ}

ცელსიუსით გასათბობად.

[მოიცადეთ, რატომ არ ვიყენებთ კილოგრამებს გრამების ნაცვლად?]

ეს ტოლია 4184 ჯოულის, ასე რომ, შოკოლადის 1 ფილაში არის 1,17 მილიონი ჯოული, ანუ 1,17 მჯ ენერგია. ამდენად ბევრი ჯოულია!

რამდენ ხანს უნდა მივაწვე მძიმე ყუთს, რომ დავწვა ერთი შოკოლადის ფილა?

დავუშვათ თავს დამნაშავედ ვგრძნობთ შოკოლადის ფილის ჭამის გამო; ჩვენ გვინდა, ვიცოდეთ რამდენი ვარჯიში გვჭირდება იმისათვის, რომ დავწვათ ზედმეტი 280 კალორია. მოდით განვიხილოთ ვარჯიშის ერთ-ერთი მარტივი მაგალითი: მძიმე ყუთის სრიალი ოთახში, იხილეთ ქვემოთ სურათი 1.

სასწორის დამაგრებით ყუთზე ჩვენ გავიგებთ, რა ძალით ვაწვებით. დავუშვათ, ეს ძალა არის 500 ნ. ამავე დროს შეგვიძლია, გამოვიყენოთ წამზომი, რათა გავზომოთ ჩვენი სიჩქარე. ვთქვათ, აღმოჩნდა 0,25 მ/წმ.

ასე რომ, რა მუშაობა უნდა შევასრულოთ ყუთზე, რომ დავწვათ შოკოლადის ფილა? მუშაობის,

W

-ის, განმარტება მოცემულია ქვემოთ:

W = F \cdot Δ x

მუშაობა, რომელიც უნდა შევასრულოთ, რათა დავწვათ ტკბილი ფირფიტისგან მიღებული ენერგია, არის

E = 280 კ ა ლ \cdot 4184 ჯ / კ ა ლ = 1, 17 მ ჯ

ასე რომ, მანძილი,

Δ x

, რომელზეც უნდა გადავაადგილოთ ყუთი არის :

\begin{aligned} W & = F \cdot Δ x \\ 1, 17 მჯ & = (500 ნ) \cdot Δ x \\ \frac{1, 17 \times 10^{6} ჯ}{500 ნ} & = Δ x \\ 2, 340 მ & = Δ x \end{aligned}

სხვათა შორის, გახსოვდეთ, რომ ჩვენს სხეულს 25%-იანი ეფექტურობით გადააქვს შენახული ენერგია საკვებიდან მუშაობაში. ნამდვილი ენერგია, რომელსაც ჩვენ დავხარჯავთ, არის 4-ჯერ მეტი ვიდრე ყუთში შესრულებული მუშაობა. ასე, რომ ჩვენ გვჭირდება ყუთის გადაადგილება მხოლოდ 585 მეტრზე, რაც ხუთ საფეხბურთო მოედანზე გრძელია. რადგან მოცემული გვაქვს სიჩქარე 0,25 მ/წმ-ით, დაგვჭირდება:

\frac{585 მ}{0, 25 მ / წ მ} = 2340 წ მ

სავარჯიშო: მივიჩნიოთ, რომ ძალა, რომლითაც ყუთზე ვმოქმედებთ (იხილეთ სურათი 1 ზემოთ) დასაწყისში არის შემცირებული, მაგრამ იზრდება მუდმივ მნიშვნელობამდე, როცა გავხურდებით. მაგალითისთვის, ქვედა გრაფიკზე ვხედავთ, რომ როცა ყუთი გადაადგილდება შორს —ანუ,

x

იზრდება — ძალა,

F

, იზრდება პირველი 30 მეტრის განმავლობაში (იხილეთ დაბლა სურათი 2). როგორ დავთვალოთ მუშაობა იმ პერიოდის განმავლობაში, როცა ძალა იცვლება?

თუ ძალა არ არის მუდმივი, შესრულებული მუშაობის ერთ-ერთი გზაა, ამოცანა დავყოთ სექციებად, რომლებშიც ცვლილება უგულებელსაყოფია და შევკრიბოთ თითოეულ სექციაში შესრულებული მუშაობა. სიჩქარის დროზე დამოკიდებულების გრაფიკების მსგავსად, აქაც შეგვიძლია, ეს გეომეტრიის მეშვეობით გამოვთვალოთ მრუდის ქვეშ ფართობის დათვლით.

ძალის მიერ შესრულებული მუშაობა ტოლია ძალის კოორდინატზე დამოკიდებულების გრაფიკის ქვეშ ფართობის. მე-2 ნახაზის შემთხვევაში ეს იქნება:

(200 ნ \cdot 30 მ) + \frac{1}{2} ((500 ნ - 200 ნ) \cdot 30 მ) = 10500 ჯ

საწყისი

30 მ

გადაადგილებისას.

ანალოგიურად, საბოლოო 40 მ გადაადგილებისას შესრულებული მუშაობა იქნება:

500 ნ \cdot 40 მ = 20, 000 ჯ

რა ხდება მაშინ, თუ პირდაპირ არ ვაწვებით?

ამ ამოცანების გადაჭრისას არის ერთი რაღაც, რაც უნდა გავითვალისწინოთ. წინა განტოლებაში,

W = F \cdot Δ x

, არ არის გათვალისწინებული ის სიტუაციები, როცა ძალა არ არის მოდებული გადაადგილების მიმართულებით.

მაგალითად, წარმოვიდგინოთ, რომ ვიყენებთ თოკს ყუთის გასასრიალებლად. ამ შემთხვევაში თოკსა და მიწას შორის იქნება კუთხე. სიტუაციის გასამარტივებლად, პირველ რიგში, დავხატოთ სამკუთხედი, რათა დავაცალკევოთ ძალის ჰორიზონტალური და ვერტიკალური კომპონენტები.

აქ მთავარია, რომ ძალის მხოლოდ ერთი კომპონენტი,

F_{| |}

, არის მიმართული გადაადგილების პარალელურად, რომელიც ასრულებს მუშაობას. ზემოთ ნაჩვენებ სიტუაციაში მოქმედი ძალის მხოლოდ ჰორიზონტალური კომპონენტი ,

F cos (θ)

, ასრულებს მუშაობას, რადგან ყუთი გადაადგილდება ჰორიზონტალურად. ასე რომ, ჩვენ შეგვიძლია, ჩავწეროთ θ კუთხით მოქმედი ძალის მიერ ყუთზე ჩატარებული მუშაობის უფრო ზოგადი განტოლება, როგორც:

W = F_{| |} \cdot Δ x

W = (F \cos θ) \cdot Δ x

რაც უფრო ხშირად ჩაიწერება, როგორც:

W = F Δ x \cos θ

სავარჯიშო: დავუშვათ, თოკით ვასრიალებთ ყუთს ისე, რომ თოკსა და მიწას შორის კუთხე 30º-ია. ამ შემთხვევაში, ვთქვათ, ჩვენ ვექაჩებით თოკს 500 ნ ძალით. რამდენი შოკოლადის ფილა უნდა შევჭამოთ, რომ ყუთი 585 მ-ით გადავაადგილოთ?

[ამოხსნის ჩვენება.]

რას ფიქრობთ სანაცვლოდ სიმძიმეებით ვარჯიშზე?

წინა მაგალითში, ჩვენ ვასრიალებდით ყუთს იატაკზე და ასე ვასრულებდით მასზე მუშაობას. ამ შემთხვევაში მუშაობას ხახუნის ძალის საწინააღმდეგოდ ვასრულებდით.

ვარჯიშის ალტერნატიული საშუალებაა სიმძიმეების აწევა. ამ შემთხვევაში, ხახუნის ძალის მაგივრად გრავიტაციის ძალის წინააღმდეგ ვასრულებთ მუშაობას. ნიუტონის კანონების გამოყენებით, ჩვენ შეგვიძლია, ვიპოვოთ

m

მასის

h

სიმაღლეზე ასაწევად საჭირო ძალა,

F

F = m g

კოორდინატის ცვლილება—

Δ x

—არის სიმაღლე, ასე რომ, ჩვენ მიერ შესრულებული მუშაობა სიმძიმის ასაწევად,

W

, არის

W = m g h

სხეულის ასაწევად შესრულებულმა მუშაობამ მისი ენერგია შეცვალა გრავიტაციული ენერგიის გაზრდის სახით. ამ ენერგიის წყალობით, სხეულს აქვს პოტენციალი, განთავისუფლების შემთხვევაში დაბრუნდეს მიწაზე, სწორედ ამიტომ უწოდეს მას პოტენციური ენერგია.

სხეულზე ჩვენ შევასრულეთ დადებითი მუშაობა, რადგან ჩვენ მიერ მოქმედი ძალა გადაადგილების მიმართულებით, მაღლა, იყო მიმართული. გრავიტაციის მიერ შესრულებული მუშაობა კი უარყოფითი იყო, რადგან გრავიტაციული ძალა გადაადგილების საწინააღმდეგოდაა მიმართული. ასევე, რადგან სხეული აწევის შემდეგ უძრავია, დანამდვილებით ვიცით, რომ მუშაობა გრავიტაციის დაძლევას მოხმარდა. ჩვენ მიერ შერულებული მუშაობა არის

m g h

, გრავიტაციის კი -

- m g h

. ამ თემაზე უფრო ვრცლად ვისაუბრებთ, როდესაც კინეტიკური ენერგიის შესწავლაზე გადავალთ.

კარგით, მოდით, ჩავსვათ რიცხვები და გამოვთვალოთ, რამდენ შოკოლადის ფილას დავწვავთ 50 კგ-ის აწევით 0,5 მ-ზე. სხეულზე შესრულებული მუშაობა იქნება

W = (50 კ გ) (9, 81 მ / წ მ^{2}) (0, 5 მ) = 245, 25 ჯ

ამრიგად, რამდენი 280 კალორიის შემცველი—ე.ი.

1, 17 \times 10^{6}

ჯოული—შოკოლადის ფილაა ეს? 245,25 ჯ არის დაახლოებით

\frac{1}{4770}

შოკოლადის ფილა. მაგრამ როგორც გახსოვთ, ჩვენს სხეულს მხოლოდ 25% ეფექტურობა აქვს, ასე რომ, ადამიანის მიერ შესრულებული მუშაობა ოთხჯერ მეტია, ანუ დაახლოებით 981,8 ჯ, რომელიც

\frac{1}{1190}

შოკოლადის ფილაა. ამრიგად, თუ ჩვენ შეგვიძლია სიმძიმის აწევა ყოველ 2 წამში, ჩვენ დაგვჭირდება 2380 წამი ე.ი. 40 წუთი ვარჯიში, რომ დავწვათ ერთი შოკოლადის ფილა.

[რჩევები განზომილებებზე.]

რა შეიძლება ვთქვათ გაჩერებულ მძიმე სხეულზე?

ხშირად დამაბნეველია მუშაობის დაკავშირება სიტუაციასთან, როდესაც მძიმე სხეული ჩვენს თავს მაღლა უძრავად გვიჭირავს გრავიტაციული ძალის საწინააღმდეგოდ. ჩვენ არ გადავაადგილებთ სხეულს, ამგვარად სხეულზე მუშაობას არ ვასრულებთ. იგივე მდგომარეობაა სხეულის მაგიდაზე განთავსება. ცხადია, რომ მაგიდა მუშაობას არ ასრულებს სხეულის უძრავად შესანარჩუნებლად, თუმცა ჩვენი გამოცდილებიდან ვიცით, რომ ვიღლებით, როცა ობიექტის დაჭერასა და უძრავად შენარჩუნებას ვცდილობთ. აბა, რა ხდება?

სინამდვილეში ჩვენი სხეული ასრულებს მუშაობას კუნთებზე, რათა შეინარჩუნოს საჭირო სიმტკიცე მძიმე სხეულის დასაჭერად. ამისთვის სხეულს უამრავი იმპულსის გაგზავნა უხდება თითოეულ კუნთში. თითოეული იმპულსი იწვევს კუნთის მომენტალურ დაჭიმვასა და მოშვებას. ეს იმდენად სწრაფად ხდება, რომ ჩვენ შეიძლება, მხოლოდ თავიდან შევნიშნოთ მცირე თრთოლვა. საბოლოოდ, კუნთს აღარ აქვს საკმარისი ქიმიური ენერგია, ამიტომ ვიწყებთ კანკალს. ამ დროს გვჭირდება ცოტა ხსნით დასვენება. ამრიგად, მუშაობა სრულდება, მაგრამ არა იმ ობიექტზე, რომელიც ხელში გვიჭირავს.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.