مفهوم کار در فیزیک

مفهوم کار و محاسبه آن برای نیروهای مختلف

زمان مطالعه: ۵ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله مروری سریع بر مفهوم کار و محاسبه آن در فیزیک خواهیم داشت.

مفهوم کار

همه افراد در طول روز فعالیت های متفاوتی را انجام میدهند از قبیل: راه رفتن، بالا رفتن از پله، حمل وسایل و اجناس خریداری شده و … . در نگاه عمومی ممکن است تمامی این فعالیت ها را با لفظ “کار” بشناسیم، اما آیا در علم فیزیک هم همینطور است؟

به طور کلی در فیزیک، فعالیت هایی کار محسوب می شوند که سه شرط زیر را دارا باشند:

  • باید بر جسم نیرو وارد شده باشد.
  • آن نیرو بتواند جسم را جابه جا کند.
  • جهت نیروی اعمال شده عمود بر جهت حرکت جسم نباشد.

شاید برای یک وزنه بردار سخت باشه قبول این واقعیت که در طول زمانی که وزنه را بالای سر خود نگاه داشته است، از نظر علم فیزیک هیچ گونه کاری انجام نداده است! چرا که در مدتی که جسم بالای سر وزنه بردار قرار دارد، وزنه ساکن است و حرکتی ندارد.

حالا به طور دقیق تر، کار و روابط آن را بررسی می کنیم.

هرگاه نیروی F به جسمی وارد شده و آن را به اندازه d جابه جا کند، کار انجام شده توسط این نیرو برابر است با:

W = F.d = Fdcosα

F: نیرو، d: جابه جایی، α: زاویه بین نیرو و جابه جایی

کار کمیتی نرده ای و از جنس انرژی است و واحد آن در SI، ژول یا نیوتن در متر (N.m) است.

مفهوم کار در فیزیک

بررسی حالات خاص

  1. اگر نیروی وارد شده بر جسم، ثابت و با جابه جایی جسم در یک جهت باشد، یعنی نیروی وارد شده در جهت حرکت جسم باشد، کار انجام شده برابر خواهد بود با:

WF = Fd

نکته!

منظور از ثابت، آنست که نیرو ثابت بوده و اندازه و جهت آن تغییر نمی کند.

  1. اگر نیروی وارد شده بر جسم، ثابت و عمود بر حرکت جسم باشد، کار انجام شده صفر خواهد بود:

WF = ۰

  1. در حالت کلی، کار یک نیرو می تواند مثبت، منفی و یا صفر باشد. برای تعیین علامت کار یک نیرو، باید به cos α توجه کرد:
  • cos α > 0 → W > 0         :  ۹۰° < α  < 0
  •  cosα = ۰                         :  α = ۹۰°
  • cos α < 0 → W < 0    : ۹۰° < α < 180°

نکته!

در ماهواره ها که در یک مسیر دایره ای به دور زمین می چرخند، نیروی وزن ماهواره در واقع، همان نیروی جاذبه بین زمین و ماهواره است. اگر این نیرو نباشد، ماهواره به دور زمین نمی چرخد. همچنین این نیرو همواره بر مسیر حرکت ماهواره عمود است. در نتیجه کار این نیرو در هر جابه جایی برابر صفر خواهد بود.

تحلیل کار نیروی اصطکاک

جسمی را در حال حرکت بر روی یک سطح در نظر بگیرید. نیروی اصطکاک همواره در خلاف جهت حرکت جسم بوده و به همین دلیل کار این نیرو معمولا منفی است. (α = ۱۸۰°)

Wfk = fk d cosα = fk d cos180° = – fk d

کار نیروی اصطکاک

کار نیروی عکس العمل عمودی سطح

محاسبه کار نیروی عمودی سطح را در دو حالت زیر با هم بررسی می کنیم:

  1. حرکت جسم بر روی سطح افقی و سطح شیب دار

زمانی که جسم بر روی سطح افقی و سطح شیب دار، زاویه بین نیروی عمودی سطح و جابه جایی برابر نود درجه خواهد بود.  (α = ۹۰°) که در نتیجه کار انجام شده توسط این نیرو در جابه جایی افقی و یا سطح شیب دار برابر صفر به دست می آید.

WFN = FN d cosα = FN d cos90° = ۰

  1. حرکت جسم در راستای قائم

جسمی را در نظر بگیرید که در راستای قائم جابه جا می شود، مثلا حرکت یک بسته داخل یک آسانسور. در این حالت دیگر نیروی عمودی سطح بر جهت جابه جایی جسم عمود نیست و در نتیجه کار نیروی عمودی سطح صفر نخواهد بود و داریم:

WFN = FN dcosα = FN d cos0° = FN d

نکته!

کار انجام شده توسط یک نیرو برابر است با جمع جبری کار انجام شده توسط مولفه های آن در دو راستای قائم و افقی. به عنوان مثال، زمانی که یک جسم بر روی یک سطح قرار دارد، نیروی عکس العمل سطح از طرف سطح بر آن وارد می شود. که شامل نیروهای اصطکاک (fk) در راستای افقی و نیروی عمودی سطح (FN) در راستای قائم است.

بنابراین کار نیروی عکس العمل سطح برابر است با:

WR = WFN + Wfk

کار انجام شده توسط نیروی وزن

نیروی گرانشی که از طرف زمین بر جسم وارد می شود، وزن نامیده می شود که در راستای قائم و به طرف مرکز زمین می باشد. کار نیروی وزن را در سه حالت زیر بررسی می کنیم:

  • جابه جایی افقی

زمانی جسم در راستای افق جابه جا می شود، نیروی وزن بر مسیر حرکت جسم عمود است و کار انجام شده توسط آن صفر خواهد بود.

Wmg = (mg) d cos90° = ۰

  • جابه جایی در راستای قائم

فرض کنید جسمی در راستای قائم و به سمت بالا حرکت می کند. نیروی وزن همواره رو به پایین و به سمت مرکز زمین است. در این حالت، کار انجام شده توسط نیروی وزن برابر است با:

Wmg = (mg) h cos180° = -mgh

همچنین اگر جسم در راستای قائم و رو به پایین حرکت کند، زاویه بین نیروی وزن و جهت جابه جایی صفر و علامت کار نیروی وزن در این حالت، مثبت خواهد بود:

Wmg = (mg) h cos0° = mgh

این نتایج را به صورت زیر خلاصه می کنیم:

|Wmg| = |mg∆h|

  •  حرکت به سمت بالا            Wmg < 0
  • حرکت به سمت پایین         Wmg > 0

نکته!

اگر جسم به صورتی حرکت کند که مقداری در راستای قائم و مقداری در راستای افقی جابه جا شود، در این صورت حرکت آن را به صورت مجموع دو جابه جایی افقی و قائم در نظر می گیریم. در جابه جایی افقی، کار نیروی وزن صفر خواهد بود.

کار نیروی وزن مستقل از مسیر حرکت بوده و تنها به جابه جایی در راستای قائم بستگی دارد. به عنوان مثال، در شکل زیر مقدار کار نیروی وزن از نقطه A به B در هر سه مسیر با یکدیگر برابر است.

W۱ = W۲ = W۳ = +mg∆h

نیروی وزن مستقل از مسیر استامیدواریم تا این مقاله‌‌، مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.

کار نیروی ثابت – فیزیک دهم (۱)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *