Arbeid (natuurkunde) | In de natuurkunde is werk wat kracht doet
In de natuurkunde is arbeid wat kracht doet.
Wanneer een kracht gedurende een bepaalde tijd op een voorwerp wordt uitgeoefend, wordt de door de kracht verrichte arbeid gedefinieerd als de grootte van de kracht (de kracht) maal de verplaatsing van het voorwerp van zijn beginpositie naar zijn huidige positie (kortste afstand tussen punt A en B), maal de cosinus van de hoek tussen de richting van de kracht en de werkelijke richting van de verplaatsing van het voorwerp. Dit kan worden voorgesteld door:
In deze formule is de arbeid W, de kracht F, de verplaatsing s en de cosinus van de hoek cos θ.
In de meeste gevallen is de laatste factor (de cosinus van de hoek) gelijk aan één, omdat de richting van de kracht gewoonlijk dezelfde is als de richting van de verplaatsing. Maar in omstandigheden zoals het duwen van een zware doos onder een hoek die niet evenwijdig is aan de grond (laten we zeggen onder een hoek van 20° naar de grond), is de richting van de kracht niet dezelfde als de richting van de verplaatsing. In dit voorbeeld verricht de kracht vanwege de hoek van de uitgeoefende kracht minder werk, omdat hij niet zo efficiënt is als wanneer de doos evenwijdig aan de grond wordt geduwd.
Hoe meer de richting van de verplaatsing loodrecht (90°) komt te staan op de richting van de kracht, hoe meer de arbeid nul benadert. Als de hoek groter is dan 90°, geeft dat aan dat het voorwerp zich over het geheel genomen in een achterwaartse richting beweegt ten opzichte van wat de kracht beoogt; de kracht heeft een negatieve arbeid.
Een nuttig voorbeeld is een scenario van een groep mensen die touwtrekken spelen. Het team dat langzaam naar het midden wordt getrokken, oefent een kracht uit weg van het midden, maar ondanks de beste inspanningen van hun krachten, is er negatieve arbeid omdat de richting van hun verplaatsing in de tegenovergestelde richting is.
Als u een zwaar boek tegen zijn gewicht houdt, ontstaat er een kracht, maar als het voorwerp stilstaat in de lucht, wordt er geen arbeid verricht. Als het voorwerp langzaam omhoog beweegt, is de arbeid positief, maar als het in plaats daarvan langzaam daalt ondanks de kracht die erop wordt uitgeoefend, heeft de kracht negatieve arbeid.
We kunnen dit ook bekijken vanuit het perspectief van de kracht die het boek naar beneden probeert te bewegen, het gewicht. De arbeid van het gewicht op een boek dat wordt opgetild is negatief. Dit komt omdat het neerwaartse gewicht in de tegenovergestelde richting staat van de opwaartse verplaatsing.
Werk wordt als gedaan beschouwd als het positief is.
Het is de kracht die het werk doet, niet het middel dat de kracht heeft gecreëerd. Beweging is een vereiste voor arbeid.
Net als energie is het een scalaire grootheid, en de SI-eenheid ervan is de joule. Warmtegeleiding wordt niet beschouwd als een vorm van arbeid, omdat er geen macroscopisch meetbare kracht is, maar alleen microscopische krachten die optreden bij atoombotsingen. De term arbeid werd in de jaren 1830 gecreëerd door de Franse wiskundige Gaspard-Gustave Coriolis.
Volgens het werk-energietheorema, als een externe kracht op een stijf voorwerp werkt, waardoor zijn kinetische energie verandert van Ek1 in Ek2 , dan wordt de mechanische arbeid (W) gegeven door:
waarbij m de massa van het voorwerp is en v de snelheid van het voorwerp.
Een honkbalwerper verricht arbeid aan de bal door er energie in over te brengen.
Vragen en antwoorden
V: Wat is arbeid in de natuurkunde?
A: Arbeid is de kracht die een voorwerp ondervindt wanneer er gedurende een bepaalde tijd een kracht op wordt uitgeoefend.
V: Hoe wordt arbeid wiskundig voorgesteld?
A: Arbeid wordt voorgesteld met de formule W=Fs cos è, waarbij W staat voor arbeid, F voor de grootte van de kracht, s voor verplaatsing en cos è voor de hoek tussen de richting van de kracht en de eigenlijke verplaatsingsrichting.
V: Wat gebeurt er als er een hoek is tussen de richting van de kracht en de verplaatsing?
A: Als er een hoek is tussen de richting van de kracht en de verplaatsing, zal er minder arbeid worden verricht, omdat het minder efficiënt wordt dan duwen in een evenwijdige richting. Hoe meer loodrecht (90°) op de richting van de kracht, hoe meer werk nul benadert. Indien groter dan 90°, dan zal de totale beweging in tegengestelde richting zijn van wat met de kracht werd beoogd, wat resulteert in negatieve arbeid.
V: Wordt warmtegeleiding beschouwd als een vorm van arbeid?
A: Nee, warmtegeleiding wordt niet beschouwd als een vorm van arbeid omdat er geen macroscopisch meetbare krachten aanwezig zijn; alleen microscopische krachten die optreden bij atoombotsingen.
V: Wie heeft de term "arbeid" in het leven geroepen?
A: De term "arbeid" werd gecreëerd door de Franse wiskundige Gaspard-Gustave Coriolis in de jaren 1830.
V: Wat stelt de stelling Werk-Energie?
A: Volgens het werk-energietheorema, als een externe kracht inwerkt op een stijf voorwerp waardoor de kinetische energie verandert van Ek1 naar Ek2, dan kan mechanische arbeid (W) worden berekend met mv2/2 - mv1/2, waarbij m staat voor massa en v voor snelheid.
