полезная работа

Определение

Полезная работа – это работа, совершаемая механизмом или системой для выполнения главной, целевой функции, ради которой он был создан. Она всегда меньше или равна полной (затраченной) работе из-за неизбежных потерь энергии.

Формула

A_п = F_п ⋅ S

• A_п — полезная работа
• F_п — полезная сила (сила, совершающая полезную работу)
• S — перемещение, на котором совершается полезная работа

Единицы измерения: джоуль (Дж)

Почему работа делится на полезную и затраченную

Когда мы используем любой механизм или устройство, часть энергии всегда теряется. Это происходит из-за трения между движущимися частями, нагревания, сопротивления воздуха и других факторов. Поэтому вся работа, которую мы сообщаем системе (затраченная работа), никогда не превращается полностью в работу, которую мы хотим получить (полезную работу). Полезная работа – это лишь та часть, которая непосредственно идёт на выполнение нужного действия, например, на подъём груза или перемещение автомобиля.

Как полезная работа связана с эффективностью

Отношение полезной работы к полной (затраченной) работе называется коэффициентом полезного действия (КПД). Чем больше полезной работы по сравнению с затраченной, тем эффективнее работает механизм. Например, если подъёмный кран тратит 100 Дж энергии, чтобы поднять груз, но лишь 70 Дж из них идут непосредственно на подъём, а остальные 30 Дж теряются на трение и нагрев, то полезная работа равна 70 Дж. Чем выше КПД, тем меньше потерь и тем экономичнее устройство.

Где возникает полезная работа

Полезная работа возникает везде, где мы пытаемся использовать силу для перемещения или изменения состояния объекта, используя при этом какой-либо механизм. Например, когда вы поднимаете что-то с помощью рычага, полезная работа – это работа, которая фактически поднимает предмет. В двигателе автомобиля полезная работа – это та работа, которая приводит колёса в движение, преодолевая сопротивление дороги и воздуха. Она всегда связана с преодолением какой-либо силы или созданием определённого эффекта.

Как найти и применять

1. Определите, какое действие является полезным для данной задачи.
2. Найдите силу, которая совершает полезную работу (полезную силу).
3. Определите перемещение, на котором совершается полезная работа.
4. Умножьте полезную силу на перемещение, чтобы найти полезную работу.

Разбор задач

Задача 1

Груз массой 10 кг поднимают на высоту 5 м с помощью неподвижного блока. Какую полезную работу совершили?

1. Полезное действие – подъём груза. 2. Полезная сила – это сила тяжести, которую нужно преодолеть, чтобы поднять груз: F_п = m ⋅ g, где g ≈ 9.8 Н/кг. F_п = 10 кг ⋅ 9.8 Н/кг = 98 Н. 3. Перемещение S = 5 м. 4. Полезная работа A_п = F_п ⋅ S = 98 Н ⋅ 5 м = 490 Дж.

Ответ: Полезная работа равна 490 Дж.

Где это встречается

• Автомобильный двигатель — Часть энергии, полученной от сгорания топлива, превращается в полезную работу по вращению колёс и перемещению автомобиля. Остальная энергия теряется в виде тепла и трения.
• Подъёмный кран — Полезная работа – это работа, которая затрачивается непосредственно на подъём груза на определённую высоту. Энергия, уходящая на нагрев двигателя или трение тросов, не является полезной.
• Насос — Полезная работа заключается в перемещении жидкости (например, воды) на высоту или под давлением. Часть энергии тратится на преодоление сопротивления в трубах и на работу самого насоса.
• Электродвигатель — Полезная работа – это механическая работа, которую совершает вал двигателя (например, вращение вентилятора, привода станка). Часть электрической энергии превращается в тепло из-за сопротивления обмоток.

Типичные ошибки

Не путать

• Затраченная работа (полная работа) — Затраченная работа – это вся работа, которую мы совершаем, чтобы механизм работал. Полезная работа – это только та часть затраченной работы, которая приводит к нужному результату.
• Мощность — Полезная работа – это энергия, переданная для полезного действия. Мощность – это скорость, с которой эта работа совершается, то есть работа, делённая на время.

Как запомнить

Полезная работа – это то, что мы хотим получить, а не то, что мы вложили.