Pekerjaan Mekanis Apa, Kondisi, Contoh, Latihan

Dia pekerjaan mekanis Itu didefinisikan sebagai perubahan keadaan energi suatu sistem, yang disebabkan oleh aksi kekuatan eksternal seperti gravitasi atau gesekan. Unit kerja mekanis dalam sistem internasional (SI) adalah Newton x Metro atau Joules, disingkat oleh j.

Secara matematis itu didefinisikan sebagai produk skalar dari gaya gaya oleh perpindahan vektor. Ya F Itu adalah kekuatan konstan dan l Ini adalah perpindahan, keduanya vektor, karya itu dinyatakan sebagai: W = F ● l

Gambar 1. Sementara atlet meningkatkan berat badan, ia bekerja melawan gravitasi, tetapi ketika ia mempertahankan berat badan yang tidak bergerak, dari sudut pandang fisika ia tidak melakukan pekerjaan. Sumber: Needpix.com

Ketika gaya tidak konstan, maka kita harus menganalisis pekerjaan yang dilakukan ketika perpindahan sangat kecil atau diferensial. Dalam hal ini, jika dianggap sebagai titik awal ke titik A dan sebagai kedatangan di B, total pekerjaan diperoleh dengan menambahkan semua kontribusi untuk hal yang sama. Ini setara dengan menghitung integral berikut:

Dan seperti yang dinyatakan di awal, asalkan ada perubahan energi sistem, itu karena ada kekuatan dari luar negeri yang bertindak, oleh karena itu: oleh karena itu:

Variasi dalam energi sistem = pekerjaan yang dilakukan oleh kekuatan eksternal

ΔE = w_ext

Saat energi ditambahkan ke sistem, w> 0 dan saat dikurangi<0. Ahora bien, si ΔE = 0, puede significar que:

-Sistem ini terisolasi dan tidak ada kekuatan eksternal yang bekerja di atasnya.

-Ada kekuatan eksternal, tetapi mereka tidak melakukan pekerjaan pada sistem.

Karena variasi energi setara dengan pekerjaan yang dilakukan oleh kekuatan eksternal, unit jika energi juga joule. Ini termasuk segala jenis energi: kinetik, potensial, termal, kimia dan banyak lagi.

[TOC]

Kondisi untuk ada pekerjaan mekanis

Kami telah melihat bahwa pekerjaan tersebut didefinisikan sebagai produk skalar. Mari kita ambil definisi pekerjaan yang dilakukan dengan kekuatan konstan dan menerapkan konsep produk skalar antara dua vektor:

W = F ● L = F.l.cos θ

Di mana F Itu adalah besarnya gaya, l Itu adalah besarnya perpindahan dan θ Itu adalah sudut yang ada antara kekuatan dan perpindahan. Pada Gambar 2 ada contoh gaya eksternal miring yang bekerja pada blok (sistem), yang menghasilkan perpindahan horizontal.

Gambar 2. Diagram tubuh bebas dari blok yang bergerak di permukaan yang rata. Sumber: f. Zapata.

Menulis ulang pekerjaan sebagai berikut:

W = (f. cos θ). l

Kita dapat menegaskan bahwa hanya komponen gaya yang sejajar dengan perpindahan: F. cos θ eS mampu melakukan pekerjaan. Jika θ = 90º maka cos θ = 0 dan pekerjaan akan batal.

Oleh karena itu disimpulkan bahwa kekuatan tegak lurus terhadap perpindahan tidak melakukan pekerjaan mekanis.

Dalam kasus Gambar 2, atau gaya normal N atau berat badan P Mereka bekerja, karena keduanya tegak lurus terhadap perpindahan l.

Tanda -tanda pekerjaan

Seperti yang dijelaskan di atas, W Itu bisa positif atau negatif. Saat cos θ> 0, Pekerjaan yang dilakukan dengan paksa adalah positif, karena memiliki arah gerakan yang sama.

Itu dapat melayani Anda: Nomor massa: Apa itu dan bagaimana mendapatkannya (dengan contoh)

Ya cos θ = 1, kekuatan dan perpindahan adalah paralel dan pekerjaan maksimal.

Dalam kasus cos θ < 1, la fuerza no está a favor del movimiento y el trabajo es negativo.

Kapan cos θ = -1, Gaya ini benar -benar berlawanan dengan perpindahan, seperti gesekan kinetik, yang pengaruhnya adalah untuk menghentikan objek yang bertindaknya. Jadi pekerjaannya minimal.

Ini setuju dengan apa yang dikatakan di awal: jika pekerjaannya positif, energi ditambahkan ke sistem, dan jika itu negatif, itu sedang dikurangi.

Pekerjaan bersih W_bersih Ini didefinisikan sebagai jumlah pekerjaan yang dilakukan oleh semua kekuatan yang bertindak pada sistem:

W_bersih = ∑w_yo

Kemudian kita dapat menyimpulkan bahwa untuk menjamin keberadaan pekerjaan mekanis bersih, perlu bahwa:

-Kekuatan eksternal bertindak atas objek.

-Kekuatan -kekuatan ini tidak semuanya tegak lurus terhadap perpindahan (cos θ ≠ 0).

-Pekerjaan yang dilakukan oleh masing -masing kekuatan tidak dibatalkan satu sama lain.

-Ada perpindahan.

Contoh pekerjaan mekanis

-Setiap kali diperlukan untuk menggerakkan objek berdasarkan istirahat, perlu melakukan pekerjaan mekanis. Misalnya dorong kulkas atau batang berat di permukaan horizontal.

-Contoh lain dari situasi di mana perlu melakukan pekerjaan mekanis adalah mengubah kecepatan bola yang bergerak.

-Perlu melakukan pekerjaan untuk menaikkan benda pada ketinggian tertentu di lantai.

Sekarang, ada situasi yang sama umum di mana TIDAK Pekerjaan selesai, meskipun penampilan menunjukkan sebaliknya. Kami telah mengatakan bahwa untuk menaikkan objek pada ketinggian tertentu, kami harus melakukan pekerjaan, jadi kami memuat objek, kami menaikkannya di atas kepala kami dan menyimpannya di sana. Apakah kami melakukan pekerjaan?

Rupanya ya, karena jika objeknya berat, lengan akan segera lelah, namun, tidak peduli berapa banyak pekerjaan yang dilakukan, pekerjaan tidak dilakukan dari sudut pandang fisika. Mengapa tidak? Karena objek tidak bergerak.

Kasus lain di mana, meskipun memiliki gaya eksternal, itu tidak melakukan pekerjaan mekanis adalah ketika partikel memiliki gerakan melingkar yang seragam.

Itu dapat melayani Anda: upaya normal: apa yang terdiri dari, bagaimana itu dihitung, contoh

Misalnya seorang anak yang mengubah batu yang diikat ke string. Ketegangan string adalah gaya sentripetal yang memungkinkan rotasi batu. Tetapi setiap saat gaya ini tegak lurus terhadap perpindahan. Maka jangan melakukan pekerjaan mekanis, terlepas dari kenyataan bahwa itu mendukung gerakan.

Cinetika Teorema Energi Kerja

Energi kinetik sistem adalah apa yang dimilikinya di bawah gerakannya. Ya M adalah adonan dan v Itu adalah kecepatan gerakan, energi kinetik dilambangkan dengan K Dan itu diberikan oleh:

K = ½ mV²

Menurut definisi, energi kinetik suatu objek tidak bisa negatif, karena massa dan kuadrat kecepatan selalu menjadi jumlah positif. Energi kinetik bisa 0, saat objek sedang istirahat.

Untuk mengubah energi kinetik suatu sistem, itu perlu-. Karena itu, perlu melakukan pekerjaan bersih pada sistem, oleh karena itu:

W_bersih = ΔK

Ini adalah teorema kerja - energi kinetik. Menyatakan bahwa:

Pekerjaan bersih setara dengan perubahan energi kinetik sistem

Perhatikan bahwa meskipun k selalu positif, ΔK bisa positif atau negatif, karena:

ΔK = k_terakhir - K _awal

Ya K_terakhir >K _awal Sistem ini telah memperoleh energi dan Δk> 0. Sebaliknya, ya K_terakhir < K _awal, Sistem ini menghasilkan energi.

Pekerjaan dilakukan untuk meregangkan pegas

Saat meregangkan (atau mengompresi) pegas, perlu melakukan pekerjaan. Pekerjaan ini disimpan di musim semi, memungkinkan hal ini pada gilirannya bekerja, katakanlah, sebuah blok yang melekat pada salah satu ujungnya.

Hukum Hooke menyatakan bahwa pasukan yang diberikan oleh pegas adalah kekuatan ganti rugi - bertentangan dengan perpindahan - dan juga sebanding dengan perpindahan tersebut. Konstanta proporsionalitas tergantung pada bagaimana pegas: lembut dan mudah dideformasi atau kaku.

Kekuatan ini diberikan oleh:

F_R = -kx

Dalam ekspresi, F_R Itu adalah kekuatan, k Itu adalah konstanta musim semi dan X Itu adalah perpindahan. Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya yang diberikan oleh pegas menentang perpindahan.

Gambar 3. Musim semi terkompresi atau diregangkan bekerja pada objek yang diikat sampai akhir. Sumber: Wikimedia Commons.

Jika pegas dikompresi (ke kiri pada gambar), blok di ujungnya akan bergerak ke kanan. Dan saat pegas diregangkan (kanan) blok akan ingin pindah ke kiri.

Untuk mengompres atau meregangkan pegas, beberapa agen eksternal harus melakukan pekerjaan, dan karena merupakan gaya variabel, untuk menghitung pekerjaan ini, Anda harus menggunakan definisi yang terjadi di awal:

Dapat melayani Anda: Darcy Law

Sangat penting untuk dicatat bahwa ini adalah pekerjaan yang dilakukan oleh agen eksternal (tangan seseorang, misalnya) untuk mengompres atau meregangkan pegas. Itulah mengapa tanda negatif tidak muncul. Dan karena posisi persegi, tidak peduli apakah itu adalah kompresi atau perpanjangan.

Pekerjaan yang akan melakukan pegas pada gilirannya adalah:

W_{musim semi} = -W_ext

Latihan

Latihan 1

Blok pada Gambar 4 memiliki massa m = 2 kg dan tergelincir melalui bidang miring tanpa gesekan, dengan α = 36.Ke -9. Dengan asumsi bahwa itu dibiarkan tergelincir dari yang lain dari atas pesawat, yang tingginya h = 3 m, temukan kecepatan yang dengannya blok mencapai pangkal pesawat, melalui kinetik energi-energi-energi kerja-energi.

Gambar 4. Blok meluncur ke bawah pada bidang miring tanpa menggosok. Sumber: f. Zapata.

Larutan

Diagram tubuh bebas menunjukkan bahwa satu -satunya kekuatan yang mampu melakukan pekerjaan pada blok adalah beratnya. Lebih tepatnya: komponen berat di sepanjang sumbu x.

Jarak yang ditempuh oleh blok pada bidang dihitung dengan trigonometri:

D = 3 / (cos 36.9º) m = 3.75 m

W_berat = (Mg). D. cos (90-α) = 2 x 9.8 x 3.75 x cos 53.1 J = 44.1 j

Dengan bekerja kinetik energi teorema:

W_bersih = ΔK

W_bersih = W_berat

ΔK = ½ mV_F²- ½ mV_{salah satu}²

Karena dirilis dari istirahat, v_{salah satu} = 0, Karena itu:

W_bersih = ½ mV_F²

Latihan 2

Pegas horizontal, yang konstannya adalah k = 750 n/m ditetapkan oleh satu ujung ke dinding. Satu orang mengompres ujung lainnya jarak 5 cm. Hitung: a) Gaya yang diberikan oleh orang tersebut, b) pekerjaan yang dia lakukan untuk mengompres pegas.

Larutan

a) Besarnya gaya yang diterapkan oleh orang tersebut adalah:

F = kx = 750 n/ m . 5 x 10 ^-2 M = 37.5 n.

b) Jika musim semi awalnya dalam x₁ = 0, untuk membawanya dari sana ke posisi akhir x₂ = 5 cm, perlu melakukan pekerjaan berikut, sesuai dengan hasil yang diperoleh di bagian sebelumnya:

W_ext = ½ k (x₂² - X₁²) = 0.5 x 750 x (0.05² -0²) J = 0.9375 J.

Referensi

1. Figueroa, d. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 2. Dinamis. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Iparraguirre, l. 2009. Mekanika Dasar. Koleksi Ilmu Pengetahuan Alam dan Matematika. Distribusi online gratis.
3. Knight, r. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
4. Libretteks Fisika. Teorema Energi-Kerja. Pulih dari: Phys.Librettexts.org
5. Kerja dan energi. Pulih dari: fisika.Bu.Edu
6. Bekerja, Energi, dan Kekuatan. Pulih dari: ncert.Nic.di dalam