4.2. Работа силы и мощность

[latexpage]В физике под работой понимается физическая величина, характеризующая процесс действия силы на некотором перемещении и равная произведению модуля силы на модуль перемещения и на косинус угла между ними, т.е. 

$A=F\cdot s\cdot cos\alpha $.

Единицей измерения работы в системе СИ является Джоуль (Дж).

В зависимости от угла работа может быть положительной, отрицательной или равной нулю. Если угол $\alpha $ острый, т.е. $0\leq \alpha < 90^{\circ}$, то работа положительна. Если угол $\alpha $ тупой, т.е. $90^{\circ}< \alpha \leq  180^{\circ}$, то работа отрицательна. Отдельно рассмотрим случаи, когда работа равна нулю. Таких случаев три:

  1. Угол $\alpha $ — прямой ($ \alpha = 90^{\circ}$);
  2. Тело движется по инерции;
  3. Под действием силы тело не перемещается (например, работа силы трения покоя всегда равна нулю).

Работа характеризует не состояние тела, а процесс изменения состояния. Поэтому нельзя говорить о каком-то запасе работы, так как нет работы в данный момент. Нельзя говорить об изменении работы, так как изменение подразумевает, что она в один момент имеет одно значение, а в другой — другое.

На практике при выполнении каких-либо задач приходится сравнивать производительность механизмов (машин). Очевидно, что более производительной будет та машина, которая совершает большую работу за единицу времени. Для характеристики производительности вводят понятие мощности. Мощность — это физическая величина равная отношению работы, совершаемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени

$N=\frac{A}{t}$.

Единица измерения мощности в системе СИ — Ватт (Вт). При равномерном движении машин под действием силы тяги $F$ (которая очевидно должна уравновешиваться другой силой, чтобы движение было равномерным) ее работа будет равна $A=F\cdot s\cdot cos\alpha $, а значит мощность развиваемая машиной будет равна

$N=\frac{A}{t}=\frac{F\cdot s\cdot cos\alpha }{t}=F\cdot v\cdot cos\alpha $.

Видно, что скорость машины пропорциональна мощности двигателя. Поэтому быстроходные машины имеют мощные двигатели.

Эффективность работы любого механизма можно охарактеризовать особой физической величиной, которая называется коэффициентом полезного действия (КПД). Разберемся в сути этого понятия. Допустим у нас имеется подъемный кран с помощью которого нам нужно поднять груз массой $m$. Очевидно, что при поднятии этого груга кран будет совершать некоторую работу. Эта работа называется полезной, т.е. это та работа, которую необходимо совершить с помощью механизма. Однако при работе подъемного крана неизбежно возникаю силы трения между частями, которые участвуют в подъеме груза (например, трение в блоках, шестернях передаточных механизмов). Поэтому работа, совершаемая двигателем крана будет большей полезной работы. Эту работу называют полной или затраченной

Коэффициентом полезного действия называется отношение полезной работы к затраченной

$\eta =\frac{A_\pi }{A_3}\cdot 100%$ или $\eta =\frac{A_\pi }{A_3}$.

В первом случае КПД выражается в процентах, а во втором в долях от единицы. КПД никогда не равен 100% или 1. Чем выше КПД, тем меньше потери энергии при работе механизма.