Travail de formule, unités, exemples, exercices

Il emploi En physique, c'est le transfert d'énergie qui réalise une force lorsque l'objet sur lequel il agit se déplace. Prend mathématiquement la forme du produit scalaire entre les vecteurs de résistance F et déplacement s.

Et puisque le scalaire du produit entre deux vecteurs perpendiculaires est nul, il arrive que les forces qui forment 90º avec le déplacement ne fonctionnent pas, selon la définition, depuis:

W = F ● S = F⋅ s⋅ cos θ

Où nous dénote le travail, pour le mot anglais Travail.

L'avantage de définir l'œuvre est qu'il s'agit d'un scalaire, c'est-à-dire qu'il n'a pas de direction ni de signification, seul le module et l'unité respective. Cela facilite la réalisation de calculs qui impliquent des changements d'énergie causés par l'action des forces.

La gravité et la friction cinétique sont des exemples de forces qui fonctionnent souvent sur les objets en mouvement. Une autre force commune est celle normale qui exerce une surface, mais contrairement à celles, elle ne fonctionne jamais sur des objets, pour être perpendiculaire.

Lorsqu'un corps tombe librement, la gravité fait un travail positif sur le mobile, ce qui le fait augmenter sa vitesse tout en tombant. D'un autre côté, cinétique RUBB.

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Formules et cas particuliers

Les travaux sont calculés par:

W = F ● s

Cette expression est valable pour les forces constantes et selon la définition du produit scalaire, elle équivaut à:

W = f. s. cos θ

Où θ est l'angle entre la résistance et le déplacement. Il s'ensuit que seules les forces qui ont une composante dans le sens du déplacement peuvent travailler sur un corps.

Et il est également évident que s'il n'y a pas de mouvement, il n'y a pas de travail non plus.

Quant au signe, le travail peut être positif, négatif ou zéro. Dans le cas où la force a une composante parallèle au mouvement, le signe de travail dépend de la valeur de cos θ.

Il y a des cas particuliers qui méritent d'être considérés:

• Lorsque la force est parallèle au déplacement, l'angle entre F et s Il est de 0º, donc le travail effectué par la force est positif et sa valeur est maximale:

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W = f⋅s cos 0º = f⋅s

• Si la force s'oppose au déplacement, alors l'angle entre  F et s C'est 180 °, le travail effectué par F est négatif et est minime:

W = f⋅s cos 180º = -f⋅s

• Enfin, il y a le cas mentionné ci-dessus: si l'angle formé par F et s Il est de 90 °, comme COS 90º = 0, l'œuvre est nul:

W = f⋅s cos 90º = 0

Travail effectué par des forces variables

Parfois, la force appliquée n'est pas constante; Dans ce cas, vous devez faire appel au calcul pour trouver le travail effectué. Premièrement, un différentiel de travaux DW est déterminé, fabriqué sur un déplacement infinitésimal Ds:

dw = F⋅ds

Pour trouver la valeur du travail total effectué par cette force lorsque l'objet va du point A au point B, il est nécessaire d'intégrer les deux côtés, comme ceci:

Unités de travail

L'unité de travail dans le système international est le Joule, abrégé J. L'unité tire son nom du physicien anglais James Prescott Joule, un pionnier de l'étude de la thermodynamique.

De l'équation de travail, le Joule est défini comme 1 Newton par mètre:

1 j = 1 n⋅m

Unités dans le système britannique

Le travail correspond à une unité Balance-Fuerza x Pie, Appelé quelques fois Pied de feu. C'est aussi une unité d'énergie, mais nous devons nous rappeler que le travail effectué sur un corps change son état d'énergie et que, par conséquent, le travail et l'énergie sont équivalents. Il n'est pas surprenant qu'ils aient les mêmes unités.

L'équivalence entre le pied martelant et le Joule est la suivante:

Pied de 1 livre de fourche = 1 35582 J

Une unité bien connue pour le travail et l'énergie, en particulier pour la portée de la réfrigération et des climatiseurs est la BTU ou Unité thermique britannique.

1 BTU est égal à 1055 J et 778.169 Pie Balance-Fuerza.

Autres unités de travail

Il existe d'autres unités de travail qui sont utilisées dans des domaines spécifiques de la physique et de l'ingénierie. Parmi eux nous avons:

Erg

Indiqué erg, Il s'agit de l'unité de travail dans le système Cégesimal et équivaut à 1 Dinatul ou 1 x 10^-7 J.

Électron-volt

EV abrégé, il est couramment utilisé en physique des particules et est défini comme l'énergie acquise par un électron lorsqu'il se déplace à travers une différence de potentiel de 1 V.

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Kilovatio-hora (kwh)

Apparaît fréquemment dans les reçus des sociétés d'électricité. C'est le travail développé pendant 1 heure par une source dont la puissance est de 1 kW, équivalent à 3.6 x 10⁶ J.

Calorie

Il est généralement lié à l'énergie alimentaire, bien qu'en réalité ce contexte se réfère à un Kilocaloria, c'est-à-dire 1000 calories. En fait, il y a plusieurs unités qui reçoivent ce nom, donc le contexte doit être très bien spécifié.

L'équivalence entre le Joule et 1 Calorie thermochimique est:

1 calorique = 4.1840 J

Exemples de travail

Promotion et descente des objets

Lorsque les corps descendent, verticalement ou par une rampe, le poids fait un travail positif, favorisant le mouvement. D'un autre côté, à condition qu'un objet monte, la gravité fait un travail négatif.

Frais ponctuels dans les champs électriques

Un champ électrique uniforme fonctionne sur une charge ponctuelle qui se déplace à l'intérieur. Selon le terrain et le signe de la charge, ce travail peut être négatif ou positif.

Frottement entre les surfaces

La friction cinétique entre les surfaces fait toujours un travail négatif sur l'objet qui se déplace.

Pousser et lancer

Push est une force qui déplace un objet de quelque chose. Lancer est une force qui rapproche un objet.

Force dans une poulie

Une poulie est un système qui est utilisé pour transmettre une force à partir de l'une de ses extrémités. Dans une poulie simple, pour augmenter la charge, nous devons appliquer une force égale à la résistance exercée par l'objet.

Forces ou soutien normaux

La normale, comme indiqué précédemment, fait un travail nulle lorsqu'un objet soutenu sur une surface se déplace dessus, même si la surface n'est pas plate ou si elle est inclinée.

Force magnétique

Une autre force qui fait un travail nulle est la force magnétique qui exerce un champ uniforme sur la particule chargée qui l'affecte perpendiculairement.  Le mouvement des particules se révèle être un mouvement circulaire uniforme, avec force dans la direction radiale. Étant donné que le déplacement est perpendiculaire à la force, il ne fonctionne pas sur la charge.

Objets liés à une corde

Une corde ne fonctionne pas non plus sur un pendule suspendu, car la tension en elle est toujours perpendiculaire au déplacement de la pâte.

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Satellites en orbite

La gravité ne fonctionne pas sur un satellite d'orbite circulaire, pour la même raison que les cas précédents: il est perpendiculaire au déplacement.

Système de contrat de masse

Dans un système de montage en masse, la force F qui exerce le ressort sur la pâte a de l'amplitude F = kx, où  k C'est la constante de ressort et X Votre compression ou allongement. C'est une force variable, donc le travail effectué dépend du fait que le ressort est étiré ou rétréci.

Exercice résolu

Le graphique suivant montre le travail effectué par une force variable F_X Cela dépend de la position X. C'est la force exercée par un marteau sur un clou. La première partie est la force utilisée pour clouer sur la section la plus douce du mur et la seconde pour finir de couler l'ongle.

Combien de travail le marteau doit faire pour que l'ongle coule un total de 5 cm sur le mur?

Graphique pour la force exercée par le marteau lors de la frappe du clou. Source: Giambattista, un. La physique.

Solution

La force exercée par le marteau est variable, car moins d'intensité (50 n) est nécessaire pour couler le 1.2 cm dans la partie douce du mur, tandis que dans la partie la plus dure, 120 N sont précises pour rendre l'évier à ongles jusqu'à 5 cm de profondeur, comme le montre le graphique.

Dans ce cas, le travail fait partie intégrante:

Où a = 0 cm et b = 5 cm. Comme l'intégrale est la zone sous le graphique FX vs X, il suffit de trouver cette zone, qui correspond à deux rectangles, le premier de la hauteur 50 n y large 1.2 cm, et le deuxième haut et large (5 cm - 1.2 cm) = 3.8 cm.

Les deux sont calculés et ajoutés pour donner le travail total:

W = 50 n x 1.2 cm + 120 n x 3.8 cm = 516 n.cm = 516 n x 0.01 M = 5.16 J.

Les références

1. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. 2ieme volume. Dynamique. Édité par Douglas Figueroa (USB).
2. Giambattista, un. 2010. La physique. 2e. Élégant. McGraw Hill.
3. Sears, Zemansky. 2016. Physique universitaire avec physique moderne. 14e. Élégant. Volume 1. Pearson.
4. SERAY, R., Jewett, J. (2008). Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 1. 7e. Élégant. Cengage Learning.
5. Zapata, f. Travail mécanique. Récupéré de: Francesphysics.Blogspot.com.