什么是工作？定义、公式、类型、问题

如果您曾经参观过火车站，那么您可能见过车站的苦力。苦力将行李放在地上并抓住它以防止其倾倒。苦力然后拉起并放下行李，直到它到达地面。这里到底发生了什么？我们可以看到在这方面已经做了一些工作。那么，究竟什么是工作？让我们看看下面的信息。

什么是工作？

Work is the force that causes an item to move or be displaced. In the case of a constant force, it is the scalar product of the force exerted on an object and the displacement generated by that force. 

尽管力和位移都是矢量变量，但由于标量积的性质，它没有方向。当我们施加一个力，使物体在一段距离上产生运动时，我们就说我们在做功。根据物理学定义，只有当物品被抬起或移动时才会发生工作。然而，它不是关于固定位置的物品。

工作根据情况以多种方式表达。例如，在恒定温度下压缩气体所做的功是压力乘以体积变化的乘积。它将能量传递给身体，因此对身体所做的工作量与身体能量的增加成正比。如果施加的力与物体的运动相反，则所做的功被认为是负的，这意味着能量正在从物体上移走。

“Despite Working Hard, No Work is Completed”

Consider the following scenario: a waiter is carrying a tray high over his head with one arm while strolling at a steady speed across a room, despite the fact that you might believe he’s working hard.

However, he is not working in the scientific sense. The waiter is pushing the tray over his head with vigour, and the tray is going across the room as he goes. However, the waiter’s lifting of the tray has no effect on the tray’s movement. To create a displacement, there must be a force in the direction of the displacement.

• 恒力所做的功

当一个力远距离作用在一个物体上时，这个物体就会做功。从物理上讲，对物品所做的功是物体经过的动能变化。

• 系统完成的工作

当我们谈论工作时，我们关注的是系统对其周围环境的影响。因此，当系统试图改善环境（即能量离开系统）时，我们认为工作是好的。如果对系统做了功，则功是负的（即，向系统添加的能量）。

Scientifically, the places where scientific activity is done is as follows:

1. The output from the turbine.
2. A rocket is being launched.
3. A pump is used to draw water.
4. A vehicle with an internal combustion engine.

完成工作的公式

考虑一个放置在光滑水平表面上的块。这个块受到一个恒定的力 F。这个力的目标是沿着力的方向沿着直线将身体推进一个特定的距离。施加力的大小与物体行进的距离的乘积等于该力所做的总功。

科学完成工作的公式如下：

W = Fd

The force acting on the block is constant in this example, but the direction of the force and the direction of displacement impacted by it are not. Force F reacts at an angle θ to the displacement d in this case.

W = (|F| cosθ) |d|

where,

• F is the force,
• θ is the angle between the force vector and the displacement vector,
• d is the displacement caused by the force, &
• W is the work done by the force.

尺寸公式和工作单位：

• 功与能量具有相同的维度，由[ML ² T ^–2 ]表示。它被定义为位移 d 的大小和作用在位移方向上的力的分量的乘积。
• 焦耳 (J)是 SI 的功单位，它被定义为1 牛顿的力在力的方向上将物体移动1 米的距离所做的功。

影响工作的因素

让我们看看影响力可以在物体上完成多少功的元素。

1. 力：它被描述为可能导致任何聚集物体的速度和加速度改变的推或拉。力的大小和方向都是矢量。如果作用在物体上的力为零，无论物体处于动态还是静态，力都不起作用。
2. 位移：它是一个向量，表示物体的起始位置和最终位置之间的最小距离。如果在力方向上的合成位移为零，则作用在物体上的力所做的净功为零。例如，如果我们用尽全力推一堵硬墙，但仍然无法移动它，我们可能会说我们没有在墙上做任何工作。
3. 力向量和位移向量之间的角度：根据物体相对于力的位移方向，力所做的功可能为正、负或零。物体在与力的方向相反的方向运动时，摩擦力所做的功，例如作用在向前运动的物体上的摩擦力，是负的。当位移的角度垂直于力的方向时，物品会受到零力。

完成的工作类型

• 积极工作：

当力使物体向正方向移动时，所做的功被认为是正的。球落向地球的运动，随着球在重力方向上的位移，就是这种劳动的一个例子。

当力以0 ≤ θ < 90°的角度施加到物体上时，称为正功。

• 负面工作：

当力和位移方向相反时，认为功为负。例如，如果向上抛出一个球，则位移将向上；然而，重力引起的力将向下。

当力以90° ≤ θ < 180°的角度施加到物体上时，称为正功。

• 零工作：

如果力的方向和位移的方向相互垂直，则力对物体所做的总功为 0。例如，当我们用力推墙时，我们施加在墙上的力是无效的，因为墙的位移等于 d = 0。

示例问题

问题 1：绳子将箱子沿地板拉动，与水平面形成 30° 角。箱子被拖了 20 米，绳子施加了 90 N 的力。我在哪里可以找到部队的最终作品？

回答：

Here,

The angle between force and displacement, θ = 30°

The displacement of the box, d = 20 m

The force applied on the box, F = 90 N

So, total work done by the force is,

W = F d cosθ = 90 × 20 × 0.866 J

= 1558.8 J ≈ 1560 J

Hence, the work done by the force is 1560 J.

问题 2 ：当力 10 N 与水平面成60 ° 角时，一个女孩将一辆玩具车从静止状态推到水平地板上。玩具车重 4 公斤。 10秒内，你能找到女孩的作品吗？

回答：

Initially, we can resolve the force into two components such as horizontal and vertical component;

Horizontal component = 10 cos60° = 5 N

Vertical component = 10 sin60° = 8.66 N

Now we need to figure out how much work we’ve done and how far we’ve travelled.

The horizontal force will now be the sole source of acceleration for that toy cart.

Acceleration, a = F⁄m = 5 N ⁄ 4 kg = 1.25 m ⁄ s²

We can obtain displacement from the formula:

s = u t + 1⁄2 a t² = 0 + 0.5 × 1.25 × 10² m = 62.5 m

So, the work done will be:

W = F s = 5 × 62.5 J= 312.5 J

Hence, the work done by the car is 312.5 J.

问题3：物体在重力作用下自由下落时，重力做的力是正的还是负的？

回答：

The work done by a force acting on a body is positive if the force has a component in the direction of displacement. As a result, when a body falls freely under gravity’s influence, the work done by gravity is positive.

问题4：物体在粗糙表面滑动时，摩擦做的功是正还是负？

回答：

When a force acting on a body has a component in the opposite direction of displacement, the force’s work is negative. As a result, the frictional force on the body does negative work.

问题5：超人用力阻止车辆滚下坡。这是一个已经完成的工作的例子吗？

回答：

No. There is no work done since there is no displacement. He’s only holding the automobile up to keep it from tumbling down the slope.