Визначення Джоуля (одиниця в науці)

Джоуль (символ: Дж) — основна одиниця енергії в СІ . Джоуль дорівнює кінетичній енергії кілограмової маси , що рухається зі швидкістю один метр за секунду (один джоуль дорівнює кг⋅м 2 ⋅с −2 ). Крім того, це кількість роботи, виконаної над об’єктом, коли сила в один ньютон діє в напрямку руху об’єкта на відстані в один метр (1 джоуль дорівнює 1 ньютон-метру або Н⋅м).

Одиниця названа на честь Джеймса Прескотта Джоуля. Оскільки він названий на честь людини, перша літера символу велика (J замість j). Однак, коли слово виписується, воно пишеться малими літерами (Джоуль замість Джоуль, якщо воно не починається речення).

Приклади Джоуля

Щоб помістити джоуль у практичний контекст:

• Один джоуль – це кінетична енергія тенісного м’яча, який рухається зі швидкістю 6 метрів за секунду.
• Джоуль — це кількість енергії, необхідна для життя середнього помідора на висоті один метр, або це енергія, що вивільняється при падінні того самого помідора з висоти одного метра.
• Джоуль — це кількість електроенергії, необхідна для освітлення світлодіода потужністю 1 Вт протягом однієї секунди.

Джерела

• Міжнародне бюро мір і ваг (2006). Міжнародна система одиниць (СІ ) (8-е видання), стор. 120. ISBN 92-822-2213-6.
• Рістінен, Роберт А.; Краушаар, Джек Дж. (2006). Енергія та навколишнє середовище (2-ге вид.). Гобокен, штат Нью-Джерсі: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-73989-8.

Механічна робота — визначення, формули, приклади

Механічна робота – це одна з основних скалярних величин у фізиці. Механічна робота – один зі способів зміни внутрішньої енергії тіла або субстанції (наприклад, газу або рідини), що знаходяться поряд з такими формами теплопередачі, як:

Всі ці явища вивчаються в розділі теплових явищ. В рамках стандартної шкільної програми вона вивчається в сьомому класі в розділі механіки.

Що таке робота у фізиці – визначення і формула

Механічна робота – це кількість енергії, яку потрібно затратити для того, щоб тіло почало рівномірний рух і пройшло деяку дистанцію.

У фізиці механічною роботою називається добуток сили, яка діє на деяке тіло, на відстань, яку воно проходить під її впливом:

У більш складних випадках у формулі з’являється і третя величина – косинус кута, під яким один до одного розташовані вектори руху і прикладеної сили. Знайти її значення можна за формулою:

У чому вимірюється робота

Існують різні способи для її практичного вимірювання, які залежать від типу виробленого руху. При цьому в формулу роботи підставляють значення сили в Ньютонах і відстані в метрах. Кут між векторами вимірюють в математичних одиницях – градусах.

Робота сили тертя

За умов, що існують на Землі, на будь-яке рухоме тіло впливає сила тертя, що уповільнює його рух. Найчастіше – це тертя поверхні, по якій рухається об’єкт. Це очевидно з того факту, що при впливі постійної сили на тіло його швидкість виявиться змінною.

Отже, повинна бути й інша сила, що протидіє їй – і це сила тертя. Якщо система координат обрана у напрямку руху тіла, то її числове значення буде негативним.

Позитивна і негативна робота

Числове значення роботи, яку здійснює сила, може ставати негативним у разі якщо її вектор протилежний вектору швидкості.

Іншими словами, сила може не тільки надавати тілу швидкість для здійснення руху, але і перешкоджати вже здійснюваному переміщенню. В такому випадку вона буде називатися протидіє.

Корисна або витрачена робота

У тіла, що здійснює одну і те ж дію, є два значення роботи. Перша з них, корисна, обчислюється за звичайною формулою.

Друга, витрачена, за своїм поняттям не має загальної формули для обчислення і вимірюється практично. Ця різниця між досконалою в реальності роботою і тією, яка повинна була бути здійснена в теорії, дорівнює коефіцієнту корисної дії – ККД.

ККД = А корисна/А витрачена,

ККД виражається у відсотках і завжди менше ніж 100.

Потужність

Середня кількість роботи, що здійснюється за одиницю часу (секунду), характеризує таку величину, як потужність. Формула для її обчислення виглядає так:

Як роботу можна підставити відому формулу для її обчислення в залежності від ситуації. Відповідь буде виражений у ватах.

Однак, при рівномірному русі можна використовувати і іншу формулу:

Підставивши замість звичайної швидкості миттєву, можна отримати значення миттєвої потужності.

Приклади розв’язання задач

Розглянемо кілька простих завдань на знаходження механічної роботи.

Яку роботу здійснює підйомний механізм, що підіймає десятикілограмовий блок на висоту 50 метрів.

Для того, щоб підняти тіло, необхідно подолати діючу на нього силу тяжіння. Тобто F, з якої підіймається блок, дорівнює тій, з якою він притягується до землі. Оскільки остання дорівнює m * g, то для знаходження кінцевого результату знадобиться тільки одна змінена версія стандартної формули, згаданої вище:

За допомогою простої математики знайдемо числову відповідь:

Втім, не завжди мова йде про силу тяжіння.

Яка робота робиться силою пружності, коли пружина з жорсткістю 10 Н/м, стиснута на 20 см, повертається в початковий стан? Система замкнута, немає ніяких зовнішніх сил, що впливають на пружину.

Для початку потрібно знайти саму F пружності, яка здійснює роботу. Її формула

• x – це довжина, на яку стискається або розтягується пружина;
• k – коефіцієнт її жорсткості.

Переміщення пружини дорівнює її деформації, і отже, кінцева формула в цьому випадку буде виглядати так:

A = S * x * k = x * x * k = x² * k.

Далі за допомогою елементарних обчислень розрахуємо відповідь:

A = (0,2 м)² * 10 Н/м = 0,04 * 10 = 0,4 Дж.

Але у всіх завданнях по даній темі траєкторія руху тіла пряма.

Розрахуйте, яка сила, що діє на колесо, якщо на те, щоб зробити повний оборот, йому потрібно 10 кДж. Діаметр диска дорівнює 40 см, а товщина шини – 10 см.

В цьому випадку нам потрібно знайти не А, а F, але зробити це можна за допомогою все тієї ж формули. Візьмемо точку на поверхні колеса. Припустимо, що при обертальному русі її вектор буде протилежний вектору прикладання сили, а значить косинусом у формулі знову можна знехтувати.

Таким чином, за один оборот колеса точка пройде відстань, рівну довжині кола, яку можна обчислити як 2πr або πd. Діаметр кола можна знайти з наданих даних: він дорівнює сумі діаметра диска і подвоєної товщини шини, тобто 40 см + 2 * 10 см = 40 см + 20 см = 60 см = 0,6 м.

Тепер, коли ми можемо обчислити відстань, у нас є всі дані для того, щоб приступити до знаходження сили.

Формула роботи для цього випадку буде такою: A = F * π * d, то силу, відповідно, можна буде виразити як

F = 10 кДж / (3,14 * 0,6 м) = 10000 Дж / 1,884 м = ~ 5308 Н.

Як перевести в джоулі

Джоуль (Дж) – одна з одиниць вимірювання, затверджених у системі СІ. У джоулях вимірюється робота, енергія і кількість теплоти. Один джоуль дорівнює одному ньютону, помноженому на метр, або ватту, помноженому на секунду, або кілограму, помноженому на квадратний метр і діленому на секунду в квадраті.

Вам знадобиться

Інструкція

1. У джоулі легко перевести одиницю роботи та енергії, прийняту в системі СГС, – ерг. Для цього достатньо помножити кількість ергів на 10 в мінус сьомого ступеня. Так, наприклад 500 ергів можна уявити у вигляді 500 х 0,0000001 = 0,00005 Дж.

2. Також у джоулі можна перевести дані, зазначені в електронвольтах (еВ) – позасистемній одиниці енергії. Правда, результат вийде не точним а приблизним. Один електронвольт приблизно дорівнює 1,6 на 10 в мінус дев ‘ятнадцятого ступеня Дж. Так, 180000 еВ можна перевести в джоулі наступним чином: 180000 х 1,6 х 10 в мінус дев ‘ятнадцятому ступені = 288 х 10 в мінус тринадцятого ступеня Дж.

3. Крім того, в джоулі можна перевести роботу або енергію, в якості одиниць вимірювання яких був обраний кіловат-година (кВт * год). Для цього кількість кВт * год потрібно помножити на 3600000. Наприклад, 0,04 кВт * год = 144000 Дж = 144 кілоджоулі (кДж). Результат такого перекладу буде не приблизним, а абсолютно точним.

4. Ще однією позасистемною одиницею, яка легко переводиться в джоулі, є калорія (кал). Для цього кількість калорій потрібно помножити на 4,1868. Так, 815 кал = 815 х 4,1868 = 3412,242 Дж. Також існує особлива одиниця – термохімічна калорія. Одна термохімічна калорія дорівнює 4,1840 Дж. Отже, 23 термохімічних калорії = 23 х 4,1840 = 96,232 Дж.

5. У джоулі також можна перетворити ряд одиниць, які використовуються в британській системі вимірювань. Наприклад, одна британська термічна одиниця (БТЕ, BTU) приблизно дорівнює 1055,056 Дж. Так, 0,2 БТЕ = 0,2 х 1055,056 = 211,0112 Дж. Перевести в джоулі ці та інші одиниці можна за допомогою будь-якого з безлічі онлайн-конвертерів.