- Wat is mechanisch werk?
- Kenmerken van mechanisch werk
- Mechanische werkformule
- Soorten mechanisch werk
- Voorbeelden van mechanisch werk
We leggen uit wat mechanisch werk is in de natuurkunde, de kenmerken ervan en de formule om het te berekenen. Ook welke soorten er zijn en voorbeelden.
Wat is mechanisch werk?
In fysiek, en meer specifiek in de tak van de mechanica, wordt bedoeld met mechanisch werk (of gewoon: werkte) naar de actie van a kracht op een lichaam in rust beweging, om een te produceren verplaatsing in het lichaam evenredig met de Energie geïnvesteerd in de kracht die het beweegt. Met andere woorden, mechanisch werk is de hoeveelheid energie die op een lichaam wordt overgedragen door een kracht die erop inwerkt.
Mechanisch werk is grootte scalair, die meestal wordt gemeten in de Internationaal systeem (SI) tot en met joules of joules (J) en wordt weergegeven door de letter W (uit het Engels werk, "Gewerkt"). Daarnaast hebben we het vaak over positieve of negatieve arbeid, afhankelijk van of de kracht energie overdraagt aan het object (positieve arbeid) of deze aftrekt (negatieve arbeid). Dus wie een bal gooit, doet bijvoorbeeld positief werk, terwijl degene die hem vangt negatief werk doet.
Kenmerken van mechanisch werk
Mechanisch werk kenmerkt zich door:
- Het is een scalaire magnitude, die wordt gemeten door joule (dat wil zeggen, kilogram per vierkante meter gedeeld door een tweede kwadraat) en wordt weergegeven door de letter W.
- Het hangt rechtstreeks af van de kracht die het veroorzaakt, dus om mechanisch op een lichaam te werken, moet er een mechanische kracht op worden uitgeoefend langs een bepaald pad.
- In de huidige taal wordt de term "werk" gebruikt om die mechanische activiteit te definiëren waarvan de prestaties een hoeveelheid energie verbruiken.
- de overdracht van warmte (calorische energie) wordt niet beschouwd als een vorm van werk, ook al bestaat het uit een overdracht van energie.
Mechanische werkformule
De eenvoudigste formule om de arbeid te berekenen van een lichaam dat door een kracht wordt bewogen, is meestal de volgende:
W = F x d
waarbij W de verrichte arbeid is, F de kracht is die op het lichaam inwerkt en D de verplaatsingsafstand is die het lichaam heeft ondergaan.
Kracht en afstand worden echter meestal beschouwd als vectorgrootheden, die een bepaalde oriëntatie in de ruimte vereisen. De bovenstaande formule kan dus als volgt worden geherformuleerd om een dergelijke oriëntatie op te nemen:
W = F x d x cos𝛂
waarbij de cosinus van alfa (cos𝛂) de hoek bepaalt tussen de richting waarin de kracht wordt uitgeoefend en de richting waarin het object daardoor beweegt.
Soorten mechanisch werk
Mechanisch werk kan van drie soorten zijn, afhankelijk van of het het energieniveau in het bewegende lichaam toevoegt, aftrekt of handhaaft. Zo kunnen we praten over:
- Positief werk (W > 0). Het treedt op wanneer de kracht energie aan het object in kwestie bijdraagt, waardoor een verplaatsing ontstaat in dezelfde richting waarin de kracht werd uitgeoefend. Een voorbeeld hiervan is een golfspeler die een bal raakt met de club en deze enkele meters laat vliegen, of een honkbalspeler die een bal in beweging slaat en de baan die hij had aanpast.
- Nul werk (W = 0). Het treedt op wanneer de uitgeoefende kracht geen verplaatsing in het object veroorzaakt, ook al verbruikt het energie in het proces. Een voorbeeld hiervan is een persoon die een heel zwaar meubel duwt zonder het een centimeter te laten bewegen.
- Negatief werk (W < 0).Het treedt op wanneer de uitgeoefende kracht energie van het object in kwestie aftrekt, weerstand biedt aan de beweging die het object al heeft gebracht of de verplaatsing ervan vermindert. Een voorbeeld hiervan is een honkbalspeler die de bal van een ander vangt, waardoor hij zijn baan niet kan voortzetten; of een persoon die voor een voorwerp staat dat van een heuvel valt en, hoewel niet in staat om het volledig te stoppen, erin slaagt de val te vertragen.
Voorbeelden van mechanisch werk
Enkele voorbeelden van mechanisch werk zijn:
- In een voetbalwedstrijd neemt de scheidsrechter een penalty en schopt Lionel Messi de bal richting het doel, met een kracht van 500N, waardoor deze ongeveer 15 meter beweegt zonder de grond te raken. Hoeveel werk heb je gestoken in het scoren van dat doelpunt?
Antwoord: door de formule W = F x d toe te passen, hebben we dat Messi een werk deed van 500N x 15m, dat wil zeggen een werk gelijk aan 7500 J.
- Een trein rijdt op volle snelheid naar het zuiden, op weg naar een auto die vastzit op het spoor. Een superheld die het gevaar beseft, besluit voor de locomotief te gaan staan en de voortgang ervan te stoppen. Gezien het feit dat de trein een kracht van 20.000 N met zich meebrengt, dat de superheld onkwetsbaar is en dat de locomotief zich op 700 meter van de vastzittende wagon bevindt, hoeveel werk moet de superheld doen om hem te stoppen?
Antwoord: Aangezien het remmen van de locomotief minimaal 20.000 N in de tegenovergestelde richting vereist, en de superheld een marge van minimaal 2 meter tussen de locomotief en de vastzittende auto wil laten, weten we dat hij arbeid moet verrichten gelijk aan 20.000 N x 698 m, dat is een negatief werk van 13.960.000 J.