Введение
На прошлых уроках мы узнали о физических величинах, которые называются «импульс тела» и «энергия». Как нам известно, изменение импульса тела связано с другой физической величиной, которая называется импульсом силы. На этом уроке, тема которого «Механическая работа. Мощность», аналогичным образом покажем, что изменение энергии тела также связано с другой физической величиной – работой силы.
Механическая работа
В курсе физики 7-го класса мы узнали, что если тело под действием некоторой силы 
совершает перемещение
(см. Рис. 1) в направлении действия силы, то сила совершает работу A, равную произведению модуля силы на модуль перемещения.
Рис. 1. Перемещение тела под действием силы F
Единицей измерения работы в системе СИ является джоуль – работа силы в 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1 м:
Данное определение работы ограничено только случаем, когда на тело действует единственная сила, которая с перемещением являются сонаправленными векторами. Поэтому необходимо обобщить данную формулу работы для ситуации, когда перемещение происходит в направлении, не совпадающем с направлением действия силы, и когда на тело действует несколько сил.
Рис. 2. На тело действует несколько сил
Если на тело действует несколько сил (см. Рис. 2), то в этом случае необходимо в формулу для работы подставлять значение равнодействующей всех сил. Следовательно, работа будет равна сумме всех работ отдельных сил.
Равнодействующая может быть равна нулю, даже если отдельные силы не нулевые. В этом случае работа также должна быть равной нулю, поэтому, в соответствии с формулой 
, работы отдельных сил должны быть с разными знаками (могут быть отрицательными или положительными). Таким образом, необходимо формулу для вычисления работы привести к такому виду, чтобы можно было получать как положительные, так и отрицательные значения этой величины. Из курса геометрии известно, что операция, позволяющая при умножении векторов получать число (положительное или отрицательное), называется скалярным произведением векторов.
Механической работой называется величина, равная скалярному произведению равнодействующей сил, действующих на тело, на перемещение тела.
Если угол между векторами равнодействующей силы и перемещения острый, то работа положительная (см. Рис. 3).
Рис. 3. Острый угол между векторами равнодействующей силы и перемещения
Если угол между векторами равнодействующей силы и перемещения тупой, то работа отрицательна (см. Рис. 4).
Рис. 4. Тупой угол между векторами равнодействующей силы и перемещения
Для примера: когда человек с помощью верёвки тащит за собой санки, верёвка образует с направлением движения санок острый угол (см. Рис. 5). Следовательно, работа силы, с которой человек тянет санки, имеет положительный знак.
Рис. 5. Работа силы, с которой человек тянет санки
Направление равнодействующей силы может быть перпендикулярно направлению перемещения тела. В этом случае угол между векторами силы и перемещения равен 
. Так как косинус этого угла равен нулю, то работа, совершаемая данной равнодействующей силой над телом, равна нулю.
Возвращаясь к примеру с санками, можно сказать, что сила тяжести, которая действует на санки, перпендикулярна направлению движения и не совершает работу (см. Рис. 6).
Рис. 6. Сила тяжести не совершает работу
Также не совершает работу при равномерном движении по окружности та сила, которая вынуждает тело двигаться таким образом, так как эта сила в любой точке окружности перпендикулярна направлению скорости тела. Например, не совершает работу сила всемирного тяготения, под действием которой искусственные спутники Земли движутся по круговой орбите.
Мощность
Чаще всего прикладное значение механической работы полезно при рассмотрении работы различных механизмов.
Предположим, что нам необходимо поднять на крышу здания некоторый груз. В первом случае для этого используем ручную лебёдку, во втором случае – подъёмный кран.
Время, которое затрачивается на выполнение работы, во втором случае меньше, чем в первом. Следовательно, одну и ту же по величине работу можно совершить за разное время. То есть важно знать, как быстро совершается работа. Поэтому всякая машина, совершающая работу, характеризуется особой величиной, называемой мощностью.
Мощность (P) машины или механизма равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого она совершена.
Единицей измерения мощности в системе СИ является ватт (Вт):
Данная величина может быть полезна при расчёте работы, так как для большинства устройств, совершающих механическую работу, мощность известна заранее. То есть для подсчёта работы необходимо знать мощность и тот промежуток времени, в течение которого выполнялась работа.
Также мощность используется для расчёта скорости различных транспортных средств. Самолёты, корабли, автомобили и т. д. часто движутся таким образом, что их скорость, с хорошей точностью, можно считать постоянной величиной. Если движение происходит с постоянной скоростью, то силы, действующие на транспортное средство благодаря работе двигателя, равны по модулю и противоположны по направлению силам сопротивления движения. Величина скорости транспортного средства определяется мощностью двигателя.
Рассмотрим случай, при котором сила сонаправлена перемещению (см. Рис. 7).
Рис. 7. Движение тела под действием силы F
При этом формула для вычисления работы будет выглядеть следующим образом:
Следовательно, мощность будет равна:
Отношение модуля перемещения ко времени движения тела – это скорость тела:
Эта формула показывает, что при постоянной силе сопротивления скорость транспортного средства тем выше, чем больше мощность двигателя. Поэтому быстроходные транспортные средства нуждаются в мощных двигателях. Также можно сделать вывод, что при постоянной мощности двигателя сила тем выше, чем меньше скорость двигателя.
Итоги урока
На данном уроке мы ввели в рассмотрения две физических величины: механическую работу и мощность. Мы показали, что в зависимости от взаимной ориентации вектора равнодействующей силы и перемещения тела работа может быть положительной, отрицательной и равной нулю.
Список литературы
- Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
- Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2000.
- А.П. Рымкевич. Физика. Задачник 10–11. – М.: Дрофа, 2006.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
Домашнее задание
- Вопросы в конце параграфа 43 (стр. 118) – Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. Физика 10 (см. список рекомендованной литературы) (Источник)
- Что такое мощность?
- Какие силы, действующие на тело, работу не совершают?
- Какая совершается работа, если тянуть по подставке длиной в 20 метров тело, прилагая к нему силу 45 Н, направленную под углом
к подставке? - Какова мощность мотора подъемного крана, если он поднимает строительный блок массой 0,5 т на высоту 20 м за 30 с?
