Was ist die Definition von Arbeit in der Physik?

In der Physik wird Arbeit als Kraft definiert, die die Bewegung oder Verschiebung eines Objekts verursacht. Bei einer konstanten Kraft ist Arbeit das Skalarprodukt der auf ein Objekt einwirkenden Kraft und der durch diese Kraft verursachten Verschiebung. Obwohl sowohl Kraft als auch Verschiebung Vektorgrößen sind, hat die Arbeit aufgrund der Natur eines Skalarprodukts (oder Punktprodukts) in der Vektormathematik keine Richtung. Diese Definition stimmt mit der richtigen Definition überein, da sich eine konstante Kraft lediglich zu dem Produkt aus Kraft und Abstand integriert.

Lesen Sie weiter, um einige Beispiele aus der Praxis zu erfahren und um zu berechnen, wie viel Arbeit geleistet wird.

Arbeitsbeispiele

Es gibt viele Beispiele für Arbeit im Alltag. Das Physik-Klassenzimmer stellt einige fest: ein Pferd, das einen Pflug durch das Feld zieht; ein Vater schiebt einen Einkaufswagen den Gang eines Lebensmittelladens hinunter; eine Studentin, die einen Rucksack voller Bücher über ihre Schulter hebt; ein Gewichtheber, der eine Hantel über seinen Kopf hebt; und ein Olympier, der den Kugelstoßen startet.

Im Allgemeinen muss eine Kraft auf ein Objekt ausgeübt werden, damit es sich bewegt. Eine frustrierte Person, die gegen eine Wand drückt, nur um sich selbst zu erschöpfen, macht also keine Arbeit, weil sich die Wand nicht bewegt. Aber ein Buch, das vom Tisch fällt und auf den Boden schlägt, wird zumindest in physikalischer Hinsicht als Arbeit betrachtet, da eine Kraft (Schwerkraft) auf das Buch einwirkt, die bewirkt, dass es nach unten verschoben wird.

Was geht nicht?

Interessanterweise könnte ein Kellner, der ein Tablett hoch über dem Kopf trägt und von einem Arm gestützt wird, denken, er arbeite hart. (Er könnte sogar schwitzen.) Aber per Definition tut er es nicht irgendein Arbeit. Richtig, der Kellner drückt das Tablett mit Gewalt über seinen Kopf, und richtig, das Tablett bewegt sich auf dem Weg des Kellners durch den Raum. Aber die Kraft - das Anheben des Tabletts durch den Kellner - tut es nicht Ursache das Tablett zu bewegen. "Um eine Verschiebung zu verursachen, muss eine Kraftkomponente in Richtung der Verschiebung vorhanden sein", bemerkt The Physics Classroom.

Rechenarbeit

Die grundlegende Berechnung der Arbeit ist eigentlich ganz einfach:

W = Fd

Hier steht "W" für Arbeit, "F" für die Kraft und "d" für die Verschiebung (oder die Entfernung, die das Objekt zurücklegt). Physik für Kinder gibt dieses Beispielproblem:

Ein Baseballspieler wirft einen Ball mit einer Kraft von 10 Newton. Der Ball bewegt sich 20 Meter. Was ist die Gesamtarbeit?

Um es zu lösen, müssen Sie zunächst wissen, dass ein Newton als die Kraft definiert wird, die erforderlich ist, um eine Masse von 1 Kilogramm (2,2 Pfund) mit einer Beschleunigung von 1 Meter (1,1 Yards) pro Sekunde bereitzustellen. Ein Newton wird im Allgemeinen mit "N" abgekürzt. Verwenden Sie also die Formel:

W = Fd

Somit:

W = 10 N * 20 Meter (wobei das Symbol "*" die Zeiten darstellt)

So:

Arbeit = 200 Joule