仕事という用語は、その実行方法に関係なく、あらゆる活動やタスクのパフォーマンスを定義するために私たちの日常生活で広く使用されています。 「働く」という言葉は、オフィスで活動し日中あまり動かない人、または建設現場で一日中体重を抱えて常に動き回って過ごす人を指します。
ただし、仕事の物理的な定義は、私たちが日常生活で使用するものとは異なります。物理学によれば、力を加えることによって特定の物体が変位する場合にのみ仕事が存在します。仕事と他の量との関係を見つけることができるため、物体の力と変位の関係を研究するために機械的仕事という用語を使用します。
機械的仕事は、物体に加えられる力 (F) と物体が受ける変位 (d) の関係として定義されます。数学的には、この関係は次の式で与えられます。
T = F 。 d. Cosα
※αは力と変位のなす角度です。
この方程式から、物体の力と変位が大きくなるほど、機械的仕事も大きくなることが推測できます。
力の測定単位がニュートン (N)、変位の単位がメートル (m) であるのと同様に、国際システムにおける機械的仕事の測定単位は Nm です。商品Nです。 m は、James Prescott Joule に敬意を表して、J の文字で記号化された Joule としても知られています。ジュールの物理的定義は次のとおりです。1メートルの変位と同じ方向に加えられる 1 ニュートンの力によって行われる仕事です。
機械仕事の計算
上記の数学的定義は、物体に実行される機械的仕事を計算する基本的な方法です。ただし、物体の力や変位の方向や向きを考慮して解析を行う必要があります。
一定の力によって行われる仕事
物体に加えられる力が一定の場合、次の 3 つの状況を考慮する必要があります。
図に示すように、角度 α は 0 ～ 90 度 (0° ≤ α < 90°) です。
0° ≤ α < 90° における物体の力と変位の感覚と方向を示す図
力と物体の変位の間の角度が 0° ～ 90° の場合、この範囲内の角度の余弦は常に正の値をとるため、仕事は正になります。さらに、力と変位は同じ方向であるため、符号が等しいため、それらの積は正になります。
α = 90°の場合:
α = 90°の物体の力と変位の感覚と方向を示す図
α = 90°の場合、仕事はゼロです。前の式に 90° を代入すると、次のようになります。
T = F 。 d.コス90
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90°の余弦がゼロであるため、前の式の結果もゼロになります。
力によって行われる仕事を分析する最後のケースは、角度 α が 90° より大きく 180° より小さい場合です (90° < α < 180°)。図を見てください。
90° < α < 180° における物体の力と変位の感覚と方向を示す図
この場合、力と変位の方向が逆、つまり変位と逆方向に力が働くため、仕事は負の値になります。
このテキストでは、一定の力のみによって実行される機械的仕事を分析しましたが、仕事は変動する力によっても実行できます。この主題についてさらに詳しく知りたい場合は、 「可変力の働き」というテキストを読んでください。さらに、機械的作業はガスによっても実行できることを強調する価値がありますが、この主題はこのテキストの焦点ではないため、テキスト「一定圧力での作業」を通じてこの内容を確認してください。仕事とエネルギーの関係もぜひチェックしてみてください！
この主題に関連するビデオ レッスンをぜひご覧ください。