Рассмотрим разные ситуации с телом.
В первой ситуации оно неподвижно висит на нити. При этом на него действует сила упругости нити. Назовём её F.
Рассмотрим вторую ситуацию. Тело движется в космосе на таком расстоянии от других тел, что силами их притяжения можно пренебречь. На него не действует никакая сила, значит можно записать, что F равна нулю.
За некоторое время тело переместилось на какое-то расстояние. Обозначим это расстояние буквой s.
Теперь рассмотрим ситуацию, в которой тело на нити поднимают. Оно проходит расстояние, которое также обозначим буквой s. Поднимается оно вследствие приложенной силы F.
То есть, в данной ситуации, к телу и сила приложена и оно движется.
Именно в этом случае выполняется механическая работа. Выполняет её сила F.
Соответственно в первых ситуациях механическая работа не выполняется.
Механическая работа — это физическая величина, следовательно её можно вычислить.
Увеличим массу шара в 2 раза. Чтобы поднять такой шар, нужно приложить в 2 раза большую силу. Соответственно работа также увеличится в 2 раза. Получается работа силы пропорциональна величине силы.
Если тело нужно поднять на в 2 раза большее расстояние, то и работа должна быть выполнена в 2 раза большая. Получается работа силы также пропорциональна расстоянию, на которое сила перемещает тело в направлении своего действия.
Следовательно произведение F·s – это и есть работа силы.
Обозначается она буквой А.
Важно понимать, что s – это перемещение тела в направлении действия силы.
Определение работы следующее. Работой постоянной силы называется физическая величина, равная произведению модуля силы на перемещение тела в направлении действия силы.
Понятие «работа» всегда относится к какой-то силе. На тело может действовать несколько сил и каждая из них может совершать работу. Если все силы заменить равнодействующей, то можно говорить о работе равнодействующей.
Исходя из того, что силы могут быть направлены в противоположные стороны, работа может быть как положительной, так и отрицательной.
Если перемещать тело по поверхности вправо с помощью силы, в противоположную сторону будет направлена равная по модулю сила трения.
Тело перемещается в сторону, в которую действует сила F.
Работа силы F равняется произведению модуля силы на перемещение тела в направлении действия силы.
Для силы F эта величина положительна.
Работа силы трения равняется произведению модуля силы трения на перемещение тела в направлении действия силы трения. Но тело движется вправо, а сила трения направлена влево. Поэтому направление получается отрицательным.
Получается, что для силы трения величина Fтр·S отрицательна.
При равномерном движении, Fтр по модулю равна F. В таком случае, сумма работ силы F и силы трения равно F·s — F·s, то есть ноль.
Получается если тело движется равномерно и прямолинейно, то суммарная работа этих сил равна нулю.
Если тело движется по идеально гладкой поверхности, то сила трения отсутствует. Значит работа силы трения отсутствует и значение суммарной работы будет положительным. Получается, скорость тела будет увеличиваться.
Если разогнать тело на обычной поверхности и не прилагать силу для поддержания движения, то на него будет действовать только сила трения, следовательно теперь работа силы тяги отсутствует, поэтому значение суммарной работы будет отрицательным. Это значит, что скорость тела будет снижаться.
Рассмотрим горизонтальную идеально гладкую поверхность, по которой катится шарик.
За какое-то время он переместился в это положение.
На этот шарик действует сила тяжести. Силу реакции опоры не будем показывать, чтобы не загромождать рисунок.
Тело перемещается вправо, а сила тяжести направлена вниз. Угол между силой тяжести и направлением перемещения равен 90 градусам. Если не приложить силу к шарику, он будет катится вечно. Но перемещается он только в бок, а в направлении силы тяжести совсем не перемещается. А это значит, что работа силы тяжести не совершается, то есть равна нулю.
Если поверхность наклонить, то шарик начнёт перемещаться не только по горизонтали, но и по вертикали. Значит, сила тяжести начнёт частично действовать на него, то есть совершать работу. При наклоне вправо, она его будет разгонять. А при наклоне влево — затормаживать.
Перейдём к единицам измерения работы.
Из её формулы видно, что работа измеряется в произведении ньютона на метр. Но работа настолько важная физическая величина, что для неё придумали отдельную единицу — джоуль, в честь английского учёного Джеймса Джоуля.
Отсюда следует следующее определение. 1 джоуль — это работа, совершаемая силой в 1 ньютон при перемещении тела на 1 метр в направлении действия силы.
1 джоуль — это небольшая работа. Например, она выполняется при поднятии килограммового тела на 10 см.
В больших механизмах часто приходится иметь дело с гораздо большими значениями работы. Тогда употребляются кДж и МДж.
В случае маленьких механизмов употребляются мДж и мкДж.