KERJA MEKANIKAL: APA ITU, SYARAT, CONTOH, LATIHAN - FIZIKAL - 2026

Yang kerja mekanik ditakrifkan sebagai perubahan keadaan tenaga sistem, yang disebabkan oleh kuasa-kuasa luar seperti graviti atau geseran. Unit kerja mekanikal dalam Sistem Antarabangsa (SI) adalah newton x meter atau joule, disingkat oleh J.

Secara matematik didefinisikan sebagai produk skalar vektor daya dan vektor anjakan. Sekiranya F adalah daya malar dan l adalah anjakan, kedua-dua vektor, kerja W dinyatakan sebagai: W = F l

Gambar 1. Walaupun atlet mengangkat berat badan, dia bekerja melawan graviti, tetapi ketika dia menjaga berat badan tidak bergerak, dari sudut pandang Fizik dia tidak melakukan pekerjaan. sumber: needpix.com

Apabila daya tidak tetap, maka kita mesti menganalisis kerja yang dilakukan ketika anjakan sangat kecil atau berbeza. Dalam kes ini, jika titik A dianggap sebagai titik permulaan dan B sebagai titik kedatangan, jumlah kerja diperoleh dengan menambahkan semua sumbangan kepadanya. Ini bersamaan dengan mengira kamiran berikut:

Variasi tenaga sistem = Kerja yang dilakukan oleh daya luaran

Apabila tenaga ditambahkan ke sistem, W> 0 dan ketika tenaga dikurangkan W <0. Sekarang, jika ΔE = 0, ini boleh bermaksud:

-Sistem diasingkan dan tidak ada daya luaran yang bertindak di atasnya.

-Ada kekuatan luaran, tetapi mereka tidak melakukan kerja sistem.

Oleh kerana perubahan tenaga sama dengan kerja yang dilakukan oleh kekuatan luaran, unit tenaga SI juga joule. Ini termasuk sebarang jenis tenaga: kinetik, potensi, terma, kimia, dan banyak lagi.

Syarat untuk kerja mekanikal

Kita telah melihat bahawa karya ditakrifkan sebagai produk titik. Mari kita ambil definisi kerja yang dilakukan dengan kekuatan berterusan dan menerapkan konsep produk titik antara dua vektor:

Di mana F adalah magnitud daya, l adalah besarnya anjakan dan θ adalah sudut antara daya dan anjakan. Pada gambar 2 ada contoh gaya luaran condong yang bertindak pada blok (sistem), yang menghasilkan anjakan mendatar.

Rajah 2. Gambar rajah bebas blok yang bergerak di permukaan rata. Sumber: F. Zapata.

Menulis semula karya dengan cara berikut:

Kita boleh mengatakan bahawa hanya komponen daya yang selari dengan anjakan: F. cos θ yang mampu melakukan kerja. Sekiranya θ = 90º maka cos θ = 0 dan hasil kerja akan menjadi sifar.

Oleh itu dapat disimpulkan bahawa daya tegak lurus terhadap anjakan tidak melakukan kerja mekanikal.

Dalam kes Rajah 2, kekuatan normal N dan berat P tidak berfungsi, kerana keduanya tegak lurus dengan anjakan l .

Tanda-tanda kerja

Seperti yang dijelaskan di atas, W boleh menjadi positif atau negatif. Apabila cos θ> 0, kerja yang dilakukan oleh daya adalah positif, kerana ia mempunyai arah gerakan yang sama.

Sekiranya cos θ = 1, daya dan anjakan selari dan kerja maksimum.

Dalam kes cos θ <1, daya tidak memihak kepada gerakan dan kerja itu negatif.

Apabila cos θ = -1, daya bertentangan sama sekali dengan anjakan, seperti geseran kinetik, yang kesannya adalah untuk memperlahankan objek di mana ia bertindak. Jadi kerja itu minimum.

Ini sesuai dengan apa yang dikatakan pada awalnya: jika karya itu positif, tenaga akan ditambahkan ke sistem, dan jika itu negatif, itu akan dikurangkan.

Jaringan kerja _Jaring didefinisikan sebagai jumlah kerja yang dilakukan oleh semua daya yang bertindak pada sistem:

Kemudian kita dapat menyimpulkan bahawa untuk menjamin kewujudan kerja mekanik bersih, perlu:

-Tekanan luaran bertindak pada objek.

-Tekanan daya tidak semua tegak lurus dengan anjakan (cos θ ≠ 0).

-Pekerjaan yang dilakukan oleh setiap pasukan tidak saling membatalkan.

-Ada anjakan.

Contoh kerja mekanikal

-Setiap kali diperlukan untuk meletakkan objek bergerak dari rehat, perlu melakukan kerja mekanikal. Contohnya menolak peti sejuk atau bagasi berat di permukaan mendatar.

-Contoh lain dari situasi di mana perlu melakukan kerja mekanikal adalah dengan menukar kelajuan bola yang bergerak.

-Perlu melakukan kerja untuk menaikkan objek ke ketinggian tertentu di atas lantai.

Walau bagaimanapun, terdapat situasi yang sama di mana kerja tidak dilakukan, walaupun penampilan menunjukkan sebaliknya. Kami telah mengatakan bahawa untuk mengangkat objek ke ketinggian tertentu, anda harus melakukan kerja, jadi kami membawa objek itu, mengangkatnya di atas kepala kami, dan menahannya di sana. Adakah kita melakukan kerja?

Rupa-rupanya ya, kerana jika objek itu berat, lengan akan menjadi letih dalam waktu yang singkat, bagaimanapun, tidak peduli betapa sukarnya, tidak ada pekerjaan yang dilakukan dari sudut pandang Fizik. Kenapa tidak? Baiklah, kerana objek itu tidak bergerak.

Kes lain di mana, walaupun mempunyai kekuatan luaran, ia tidak melakukan kerja mekanikal adalah ketika zarah mempunyai gerakan bulat yang seragam.

Contohnya anak memintal batu yang diikat pada tali. Tegangan tali adalah daya sentripetal yang membolehkan batu berpusing. Tetapi setiap masa daya ini tegak lurus dengan anjakan. Kemudian dia tidak melakukan kerja mekanikal, walaupun ia menyukai pergerakan.

Teorema tenaga kinetik kerja

Tenaga kinetik sistem adalah yang dimilikinya berdasarkan pergerakannya. Sekiranya m adalah jisim dan v adalah kelajuan pergerakan, tenaga kinetik dilambangkan oleh K dan diberikan oleh:

Secara definisi, tenaga kinetik suatu objek tidak boleh negatif, kerana kedua-dua jisim dan kuadrat halaju adalah kuantiti positif. Tenaga kinetik boleh menjadi 0, ketika objek berada dalam keadaan rehat.

Untuk mengubah tenaga kinetik sistem, kelajuannya mesti berubah-ubah - kita akan menganggap bahawa jisim tetap berterusan, walaupun ini tidak selalu berlaku. Ini memerlukan melakukan kerja bersih pada sistem, oleh itu:

Ini adalah karya - teorem tenaga kinetik. Ia menyatakan bahawa:

Perhatikan bahawa walaupun K selalu positif, ΔK boleh menjadi positif atau negatif, kerana:

Sekiranya _akhir K > _awal K sistem akan memperoleh tenaga dan ΔK> 0. Sebaliknya, jika _akhir K < _awal K , sistem telah memberikan tenaga.

Kerja yang dilakukan untuk meregangkan mata air

Apabila spring diregangkan (atau dimampatkan), kerja mesti dilakukan. Karya ini disimpan pada musim bunga, membolehkan musim bunga melakukan kerja, katakanlah, blok yang melekat pada salah satu hujungnya.

Undang-undang Hooke menyatakan bahawa kekuatan yang diberikan oleh pegas adalah kekuatan pemulihan - bertentangan dengan perpindahan - dan juga sebanding dengan perpindahan tersebut. Pemalar berkadar bergantung pada bagaimana spring: lembut dan mudah ubah bentuk atau kaku.

Kekuatan ini diberikan oleh:

Dalam ungkapan, F _r adalah daya, k adalah pemalar spring, dan x adalah sesaran. Tanda negatif menunjukkan bahawa daya yang diberikan oleh spring menentang anjakan.

Gambar 3. Mata air yang dimampatkan atau diregangkan berfungsi pada objek yang diikat pada hujungnya. Sumber: Wikimedia Commons.

Sekiranya pegas dimampatkan (ke kiri dalam gambar), blok di hujungnya akan bergerak ke kanan. Dan apabila musim bunga diregangkan (ke kanan) blok akan mahu bergerak ke kiri.

Untuk memampatkan atau meregangkan pegas, beberapa ejen luaran mesti melakukan kerja, dan kerana ia adalah daya ubah, untuk mengira kerja tersebut, kita mesti menggunakan definisi yang diberikan pada awal:

Sangat penting untuk diperhatikan bahawa ini adalah kerja yang dilakukan oleh agen luaran (contohnya tangan seseorang) untuk memampatkan atau meregangkan mata air. Itulah sebabnya tanda negatif tidak muncul. Dan kerana kedudukannya kuasa dua, tidak menjadi masalah sama ada mampatan atau peregangan.

Kerja yang akan dilakukan musim bunga di blok ini adalah:

Latihan

Latihan 1

Blok pada rajah 4 mempunyai jisim M = 2 kg dan meluncur ke bawah satah condong tanpa geseran, dengan α = 36.9º. Dengan andaian bahawa ia dibenarkan meluncur dari tempat rehat dari bahagian atas pesawat, yang tingginya h = 3 m, cari kelajuan dengan mana blok mencapai pangkal pesawat, menggunakan teorema tenaga-kinetik kerja.

Rajah 4. Sebuah blok meluncur ke bawah pada satah condong tanpa geseran. Sumber: F. Zapata.

Penyelesaian

Gambarajah badan bebas menunjukkan bahawa satu-satunya daya yang mampu melakukan kerja pada blok adalah berat. Lebih tepat: komponen berat sepanjang paksi-x.

Jarak yang dilalui blok di pesawat dikira menggunakan trigonometri:

Dengan teorema tenaga kinetik kerja:

Oleh kerana dibebaskan dari rehat, v _o = 0, oleh itu:

Latihan 2

Mata air mendatar, yang pemalarnya adalah k = 750 N / m, terpaku pada satu hujung ke dinding. Seseorang memampatkan hujung yang lain dengan jarak 5 cm. Hitung: a) Daya yang diberikan oleh orang itu, b) Kerja yang dilakukannya untuk memampatkan spring.

Penyelesaian

a) Besarnya daya yang dikenakan oleh orang tersebut adalah:

b) Sekiranya akhir musim bunga pada asalnya adalah x ₁ = 0, untuk membawanya dari sana ke kedudukan akhir x ₂ = 5 cm, perlu melakukan kerja berikut, sesuai dengan hasil yang diperoleh di bahagian sebelumnya:

Rujukan

1. Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 2. Dinamika. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Iparraguirre, L. 2009. Mekanik Asas. Koleksi Sains dan Matematik Alam. Pengedaran dalam talian percuma.
3. Knight, R. 2017. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson.
4. Libreteks Fizik. Teorema tenaga kerja. Dipulihkan dari: phys.libretexts.org
5. Kerja dan Tenaga. Dipulihkan dari: physics.bu.edu
6. Kerja, tenaga dan kuasa. Diperolehi dari: ncert.nic.in