עבודה ואנרגיה

מושג העבודה בחיי יום יום, הוא בעל הרבה משמעויות. על עבודה מדברים כאשר מתכנתת מחשבים כותבת קוד, מורה מלמד בכיתה, פקידה מבצעת משימות, משורר כותב שיר, סנדלר מתקן נעליים, נגר מייצר רהיטים וכדומה. המושג עבודה בחיי היומיום הוא מושג רחב הכולל פעולות שונות שקשורות למאמץ גופני או מאמץ רוחני. 
בפיזיקה יש למושג עבודה משמעות צרה יותר.

דוגמאות לעבודה בפיזיקה:

בנאי צריך להרים ערמת לבנים במסה של 100Kg לגובה של  4 מטר. כדי להרים את הלבנים הבנאי צריך להפעיל כוח.

על הלבנים פועל כוח כבידה של 1000N שנובע ממשקל הלבנים ולכן אם הבנאי יפעיל כוח של 1000N, סך כל הכוחות שפועלים על הלבנים יהיה אפס והלבנים לא יזוזו. הבנאי צריך להפעיל כוח גדול מ- 1000N, את המאמץ הזה עושה הבנאי לאורך דרך של 4 מטר.

הבנאי התגבר על כוח כובד של 1000N לאורך דרך של 4 מטר.

פועל מנסר קורת עץ בעובי 3 ס״מ. הפועל מפעיל את שריריו כדי להתגבר על כוחות האחיזה בין חלקיקי העץ בקורה. את המאמץ הוא מפעיל לאורך דרך שהיא עובי הקורה.

הפועל התגבר על כוח האחיזה לאורך דרך של 3 ס״מ.

סוס מושך כרכרה לאורך דרך ישרה. הסוס מאמץ את שרירי גופו ומפעיל כוח כדי להתגבר בעיקר על החיכוך שבין העגלה לכביש.

הסוס מתגבר על כוח החיכוך לאורך דרך.

עבודה נעשית כאשר כוח מניע גוף לאורך דרך מסוימת תוך התגברות על התנגדות. 

מכפלת הכוח (F) ביחידות ניוטון בדרך (S) ביחידות  מטר

היא עבודה (W) ביחידות ג'וּל (Joule) 

W = F x S

עבודה שלילית - כאשר פועל על גוף כוח כנגד כיוון התנועה.

עבודה חיובית  - כאשר הכוח פועל על הגוף בכיוון תנועתו.

אפס עבודה      - כאשר הכוח אינו פועל לאורך דרך.

חשוב לזכור

  1. גם כאשר נחזיק גוף שהמסה שלו היא 50 ק"ג ונפעיל מאמץ כדי להרים אותו, עדיין העבודה היא אפס מפני שהכוח אינו פועל לאורך דרך.
    המונח הפיזיקלי "עבודה", כפי שהוגדר כאן, אינו מייצג בהכרח מאמץ.

  2. משורר כותב שיר, מתכנת כותב קוד, כל אילו אינם מוגדרים כעבודות בפיזיקה.

  3. כשמחשבים עבודה של הכוחות השונים על הגוף. מחשבים עבודה של כל כוח בנפרד.

דוגמא ראשונה

בנאי נדרש להרים ערמת לבנים במסה של 100Kg לגובה של 4 מטרים (עליו להפעיל כוח קצת מעל 1000N כדי להרים את הלבנים). חישוב העבודה שעליו לעשות :

הבנאי לא יכול לפעיל כוח של 1000N  ולכן הוא בוחר לחלק את ערמת הלבנים לארבעה חלקים שווים. עכשיו יעשה דרך של S=16m. המשקל שירים הבנאי יהיה 250N. 
בחישוב העבודה נכתוב:

העבודה של הבנאי יכולה להיעשות בדרכים שונות. אם מקטינים את הכוח הפועל גדלה הדרך ואם מגדילים את הכוח, קטנה הדרך.

מכונות כגון מריצה, מפתח צינורות ועוד מאפשרות לנו להרוויח כוח על חשבון דרך וכך לבצע מטלות שמצריכות כוח פיזי רב.

דוגמא נוספת

שני כוחות פועלים על תיבה הנעה על משטח אופקי חלק לאורך 6m (ראה ציור) .
כוח אופקי P  שגודלו 2N  בכיוון תנועת התיבה וכוח אופקי F שגודלו 0.4N בכיוון מנוגד לכיוון תנועת התיבה.

נחשב את העבודה של הכוחות השונים במערכת :

עבודת כוח P

עבודת כוח F

עבודה סה"כ

Wt = Wp + Wf = 12 -2.4 = 9.6J

עבודת כוח הכובד - כוח הכובד מאונך לתנועה ולכן עבודתו שווה ל- 0.

עבודת הכוח הנורמלי - כוח הנורמלי מאונך לתנועה ולכן עבודתו שווה ל- 0.