- Hvad er mekanisk arbejde?
- Karakteristika ved mekanisk arbejde
- Mekanisk arbejdsformel
- Typer af mekanisk arbejde
- Eksempler på mekanisk arbejde
Vi forklarer, hvad mekanisk arbejde er i fysik, dets karakteristika og formlen til at beregne det. Også hvilke typer der findes og eksempler.
Hvad er mekanisk arbejde?
I fysisk, og mere specifikt i afdeling af mekanik, menes med mekanisk arbejde (eller simpelthen arbejdet) til handlingen af en styrke på en krop i hvile bevægelse, for at producere en forskydning i kroppen proportional med Energi investeret i den kraft, der bevæger den. Med andre ord er mekanisk arbejde mængden af energi, der overføres til et legeme af en kraft, der virker på det.
Mekanisk arbejde er størrelse skalar, som normalt måles i Internationalt system (SI) gennem joule eller joule (J) og er repræsenteret ved bogstavet W (fra engelsk arbejde, "Fungerede"). Derudover taler vi ofte om positivt eller negativt arbejde alt efter om kraften overfører energi til objektet (positivt arbejde) eller trækker det fra (negativt arbejde). Således udfører den, der for eksempel kaster en bold, positivt arbejde, mens den, der fanger den, gør negativt.
Karakteristika ved mekanisk arbejde
Mekanisk arbejde er kendetegnet ved:
- Det er en skalar størrelse, som måles gennem joule (det vil sige kilogram pr. kvadratmeter divideret med en anden i anden kvadrat) og repræsenteres af bogstavet W.
- Det afhænger direkte af kraften, der forårsager det, så for at der skal være mekanisk arbejde på et legeme, skal der være en mekanisk kraft påført det langs en defineret bane.
- På nuværende sprog bruges udtrykket "arbejde" til at definere den mekaniske aktivitet, hvis ydeevne forbruger en mængde energi.
- Overførslen af varme (kalorie energi) betragtes ikke som en arbejdsform, selvom den består af en overførsel af energi.
Mekanisk arbejdsformel
Den enkleste formel til at beregne arbejdet for et legeme, der bevæges af en kraft, er normalt følgende:
B = F x d
hvor W er det udførte arbejde, F er kraften, der virker på kroppen, og D er afstanden af forskydning, som kroppen lider.
Kraft og afstand betragtes dog normalt som vektorstørrelser, som kræver en vis orientering i rummet. Således kan ovenstående formel omformuleres til at inkludere en sådan orientering, som følger:
B = F x d x cos𝛂
hvor cosinus for alfa (cos𝛂) bestemmer vinklen mellem den retning, hvor kraften påføres, og den retning, hvori objektet bevæger sig som et resultat.
Typer af mekanisk arbejde
Mekanisk arbejde kan være af tre typer, alt efter om det adderer, trækker fra eller opretholder energiniveauet i den bevægende krop. Derfor kan vi tale om:
- Positivt arbejde (W > 0). Det opstår, når kraften bidrager med energi til det pågældende objekt og frembringer en forskydning i samme retning, som kraften blev påført. Et eksempel på dette ville være en golfspiller, der slår en bold med køllen og får den til at flyve flere meter, eller en baseballspiller, der slår en bold i bevægelse, og ændrer den bane, den havde.
- Nul arbejde (W = 0). Det opstår, når den påførte kraft ikke frembringer nogen forskydning i objektet, selvom det forbruger energi i processen. Et eksempel på dette ville være en person, der skubber et meget tungt møbel uden at få det til at bevæge sig en tomme.
- Negativt arbejde (W < 0).Det opstår, når den påførte kraft trækker energi fra det pågældende objekt, modstår den bevægelse, som objektet allerede har bragt eller reducerer dets forskydning. Et eksempel på dette ville være en baseballspiller, der fanger bolden kastet af en anden og forhindrer ham i at fortsætte sin bane; eller en person, der står foran en genstand, der falder ned ad en bakke, og selvom den ikke er i stand til at stoppe den helt, formår den at bremse dens fald.
Eksempler på mekanisk arbejde
Nogle eksempler på mekanisk arbejde er:
- I en fodboldkamp tager dommeren et straffespark, og Lionel Messi sparker bolden mod mål med en kraft på 500N, hvilket får den til at bevæge sig omkring 15 meter uden at røre jorden. Hvor meget arbejde har du lagt i at score det mål?
Svar: Ved at anvende formlen W = F x d, har vi, at Messi udførte et arbejde på 500N x 15m, det vil sige et arbejde svarende til 7500 J.
- Et tog kører sydpå i fuld fart på vej mod en bil, der sidder fast på skinnerne. En superhelt, der indser faren, beslutter sig for at stille sig foran lokomotivet og stoppe dets fremskridt. I betragtning af at toget medbringer en kraft på 20.000 N, at superhelten er usårlig, og at lokomotivet er 700 meter fra den fastklemte vogn, hvor meget arbejde skal superhelten så gøre for at stoppe det?
Svar: Da opbremsning af lokomotivet kræver mindst 20.000 N i modsat retning, og superhelten gerne vil efterlade en margen på mindst 2 meter mellem lokomotivet og den fastklemte vogn, ved vi, at han skal påføre arbejde svarende til 20.000 N x 698 m, det vil sige et negativt arbejde på 13.960.000 J.