Робота в фізиці

Найчастіше енергію передають від одного тіла іншому за допомогою спеціального робочого тіла (механізму). Кажуть, що при цьому робоче тіло виконує роботу. В ідеальному випадку механізм передає енергію без втрат. У реальному світі завжди існують втрати енергії. Це означає, що джерело віддає більше енергії, ніж отримує приймач.
Роботу прийнято позначати символом А.
Механічну роботу визначають як добуток сили на переміщення: A = Fs (12.1). Значить, робота вимірюється в джоулях: [A] = [Fs] = [Нм] = Дж. Енергія теж вимірюється в джоулях, але між енергією і роботою мало спільного. Енергія – це природна величина, якою володіє будь-яке тіло. Енергію можна запасати. Наприклад, дамоклів меч можна підвісити і він буде мати запас потенційної енергії. На відміну від енергії, робота завжди пов’язана з рухом. Уявімо, ракетний двигун відчувають на стенді. Сила тяги діє, але переміщення дорівнює нулю, адже стенд нерухомий. З (12.1) випливає, що робота теж дорівнює нулю, хоча прилад може показати, що двигун розвиває силу тяги F = 10 кН. В чому тут сенс? Особливого сенсу немає, просто прийнято вважати, що робота дорівнює енергії, відданої джерелом іншому тілу, наприклад, стенду. Але біля стенду не змінюється ні потенційна енергія, ні кінетична. Стенд не набув нічого, отже, робота A = Fs теж дорівнює нулю. У цьому сенсі можна написати: А = Е.
Розглянемо як енергія поля гравітації переходить в механічну роботу на прикладі годин «із зозулею». Щоб завести годинник з зозулею, треба підняти гирю на ланцюгу. Припустимо, вага гирі дорівнює 6 Н, а довжина ланцюга – 0.5 м. Значить, заводячи годинник, ми зробили роботу А = Fs = Ph = 6 * 0.5 = 3 (Дж). Ця робота перетворилася на потенційну енергію гирі: Е = А. Вага гирі Р спрямований вниз. Вага – це сила, яка обертає стрілки годинника. Поки гиря опускається, годинник працює. При цьому гравітаційна енергія гирі перетвориться в роботу механічних годинників. Приблизно через добу гиря опуститься на всю довжину ланцюга і годинник зупиняться. Енергія, яка дорівнює 3 Дж, повністю витрачена. В основному вона витрачена на подолання тертя у годинах. Тертя призводить до нагрівання. Хоча три джоуля – енергія невелика, в кімнаті з працюючими годинами має бути трохи тепліше, ніж у кімнаті без годинника.
Для оцінки продуктивності машин і приладів використовують поняття потужності, яку частіше позначають буквою Р (від англійського power – потужність). Потужність машини чисельно дорівнює механічній роботі, виконаної за одну секунду: P = A / t (12.2). Можна було б вимірювати потужність просто в джоулях за секунду. Але для неї ввели спеціальну одиницю ват (Вт). Таким чином: 1 Вт = 1 Дж / с. Потужність пристрою це важлива характеристика, її вказують у технічному паспорті виробу. Приміром, на цоколі електролампи написано: «220 В, 95 Вт». Лампа «горіла» протягом години. Питання: яка кількість електроенергії було витрачено? Рішення: E = A = Pt. E = 95 * 3600 = 342000 (Вт * с) (12.3). Число вийшло незручно великим. Для підвищення зручності в техніці електроенергію вважають в кВт * годинах. Для цього результат (12.3) потрібно розділити на 3600 (число секунд в 1 годині) і на 1000 (число ват в 1 кіловат). У підсумку отримуємо Е = 0.095 кВт * год. Це невелика величина, менше рубля в грошовому еквіваленті. Слід сказати, Росія багата енергетичними ресурсами.
Строго кажучи, не вся витрачена енергія перетворюється в корисну роботу. Якась частина витрачається на тертя, на перемагнічування тощо. Для оцінки досконалості машини вводять поняття коефіцієнта корисної дії, скорочено ККД. Його визначають за формулою: ККД = 100% * А / Е, де А – корисна робота, рівна переданої енергії, Е – витрачена енергія. Таким чином, ККД вимірюють у відсотках. Наприклад, якщо в лампі розжарювання 80% енергії йде на тепло, а тільки 20% – на освітлення, значить, ККД лампи, як освітлювального приладу, дорівнює 20%. Це невисокий ККД. Але якщо цю лампу використовувати в якості нагрівача в інкубаторі для курчат, її ККД буде дорівнює 80%. Це нормальний ККД.

Посилання на основну публікацію