Робота - Підручник з фізики
Обговорення
що таке робота?
Цільова аудиторія цієї книги - люди з певною освітою. Це не призначена для дитячої книги; і під дітьми я не маю на увазі протилежність дорослим. Я вважаю підлітків (або підлітків, якщо вам подобається) прото-дорослими. Якщо це описує вас, то ви мали якусь офіційну наукову освіту (хорошу, погану чи негарну). Десь уздовж цієї лінії вам слід було ознайомити з поняттям енергії. Якщо ні, перестаньте читати це та йдіть здобувати освіту (або хоча б якийсь життєвий досвід).
Ті з вас, хто має трохи формальної освіти, мабуть, у певний момент свого життя отримали урок з енергетики. Якщо так, то досить великі шанси, що вам дали визначення енергії як «здатність виконувати роботу». Якщо ви були хорошим учнем або просто хотіли порадувати свого вчителя, ви, напевно, почули це і сказали собі: "Добре, енергія - це здатність робити роботу". Якщо ви були справді хорошим студентом з бажанням вчитися або справді поганим студентом із бажанням вказати на інтелектуальні недоліки свого вчителя, вам слід було б задати наступне логічне запитання. Що таке робота?
Будемо сподіватися, що вам дали правильну відповідь, але, швидше за все, п’ятдесят п’ятдесят, вас відхилили плечима. Не тому, що правильну відповідь так важко дізнатись, а швидше тому, що правильну відповідь так складно пояснити або, принаймні, складно пояснити так, щоб її можна було швидко зрозуміти. Думаю, це здебільшого пов’язано з тим, що слово робота має два значення: звичайне повсякденне та технічне фізичне.
Технічно, це продукт зміщення сили (для тих з вас, хто віддає перевагу алгебрі)
W = Fв € † cos Оё
або інтеграл шляху переміщення сили (для тих, хто віддає перевагу числення).
| W = | ⌠ ⌡ | F · d |
Я розумію, що для багатьох з вас це безглузде визначення. Стільки слів і так мало сказано, ні? Власне, зовсім навпаки. Це визначення настільки компактне, що схоже на поезію. Це стверджує, наскільки це можливо, якомога менше слів. Він настільки компактний, що пояснення його звичайною мовою змушує півдюжини слів технічного визначення розширитися до майже сотні слів так званої "природної мови". Дозвольте мені пояснити, що таке робота через серію ментальних образів. Щоразу, коли подається приклад, пам’ятайте, що робота виконується всякий раз, коли сила спричиняє переміщення.
Уявіть, що вчитель фізики нерухомо стоїть перед класом учнів. Оскільки він не докладає жодних сил, що витіснять щось поза його тілом, він не робить ніякої роботи. Очевидно. Але якщо це робити протягом будь-якого періоду часу, це, безумовно, буде забирати у нього енергію так само, як ніби він цілими днями штовхав папери через свій стіл (приклад, коли сила дійсно призводить до переміщення). Звичайно, тепер ви могли б переконати його, що його визначення роботи повинно бути неправильним. Можливо, менший учитель провалиться під тиском, але не вчитель фізики.
Безумовно, вчитель фізики або будь-яка інша людина, яка стоїть, виконує роботу, але виконувана робота не так легко помітна. Усередині тіла серце перекачує кров, травна система розтирається на сніданок, рецептори рухають молекулами через клітинні мембрани. Ми працюємо навіть під час сну. Сили, що спричиняють переміщення, відбуваються скрізь під нашою шкірою. Людське тіло - це жваве місце.
Якщо система в цілому чинить силу на своє оточення і відбувається переміщення, називається виконана робота. Вчитель фізики, штовхаючи папери через свій стіл, виконує зовнішню роботу. Вчитель фізики, що стоїть нерухомо, не виконує жодної значної зовнішньої роботи.
Якщо частина системи чинить силу на іншу частину тієї ж системи і відбувається переміщення, викликається виконана робота. Вчитель фізики, глибоко замислюючись або лежачи в комі, виконує внутрішню роботу. (Додатковий кредит, якщо ви можете визначити різницю між ними.) Вчитель фізики, що робить щось - або взагалі нічого - займається внутрішньою роботою. Вчитель фізики, який мертвий, не виконує жодної роботи, ні внутрішньої, ні зовнішньої. У механіці, коли ми говоримо, що робота виконана, ми часто маємо на увазі зовнішні роботи.
Тепер, коли ми вирішили, що вчитель, який стоїть на місці, не виконує жодної роботи, давайте уявимо собі вчителя, який рухається і запитує, чи виконана робота. Хм, добре в будь-який час, коли руки і ноги рухаються, ситуація помірно складна. Це ускладнює виявлення того, що стосується руху, що передбачає роботу, а що ні. Нам потрібно ще трохи спростити речі. Дайте вчителю книгу (як підручник з фізики) і попросіть його перенести книгу кількома простими способами. Зараз виникає запитання: "Чи вчитель виконував якусь роботу над книгою?" Це набагато вужче, ніж запитання, чи вчитель виконував якусь роботу, а це означає, що на нього легше відповісти та краще підходить для введення поняття.
Для вчителя, який тримає книгу або будь-яку іншу систему з цього приводу, робота проводиться, коли сила призводить до переміщення. Розглянемо наступні шість прикладів, поданих по три за раз.
Перший приклад має очевидний сенс. Тримання книги без її переміщення, безумовно, не призводить до роботи над книгою. Замініть вчителя столом або підлогою. На підлозі лежить книга. Яку роботу виконує підлога? Нічого нікуди не йде. Нічого не відбувається. Нічого не робиться - навіть не працює.
Другий і третій приклади також мають сенс. Вчитель натискає на книгу, і вона рухається. Сила призвела до переміщення. Робота була виконана. Це узгоджується з нашим повсякденним уявленням про працю. Зі світом все гаразд.
Давайте розглянемо ще три приклади.
Перший у цьому наборі турбує. Це не інтуїтивно. В основному це говорить про те, що не проводиться жодної роботи з перенесення книги по рівному краю. Це настільки дурно, що, мабуть, неправильно - правда? Неправильно! Це правильно. (Цей останній біт потрібно прочитати як внутрішній діалог, щоб це мало сенс.) Робота над об’єктом виконується всякий раз, коли сила спричиняє зміщення. У цьому прикладі сила, що застосовується, є вертикальною, але зміщення горизонтальним. Як вертикальна сила впливає на горизонтальний рух? Коротка відповідь: "Це не так".
Вертикальні сили впливають на вертикальний рух. Горизонтальні сили впливають на горизонтальний рух. Коли рух і сила паралельні, життя просте. Коли рух і сила не паралельні, життя не є простим. Ангели відходять, а демони беруть на себе владу. І під демонами я маю на увазі вектори - зокрема, векторні компоненти. Робота виконується всякий раз, коли сила або компонент сили призводить до переміщення. Жодна складова сили не діє в напрямку руху, коли книга рухається горизонтально з постійною швидкістю. Сила та переміщення є незалежними. Жодна робота не виконується рукою над книгою.
Погляньте на останні два приклади у цьому наборі з шести. Тут ми бачимо, як робиться негативна робота. Враховуючи те, що я сказав про компоненти, це може мати для вас сенс, а може і не мати. Знову ж таки, коли сила та переміщення паралельні, життя просте.