Den här genomgången handlar om arbete och effekt. När man använder en kraft för att flytta på en sak så sker det en mekanisk energiöverföring. Fysiker har ett alldeles speciellt namn på en sådan överföring.
De kallar den för arbete. Arbete är alltså ett ord som har en alldeles speciell betydelse i fysiken. Det kan vara du som lyfter upp en tung väska från golvet.
Det kan vara en häst som drar timmer i skogen. Eller en raketmotor som lyfter en rundfärja från jordytan. Om man riktigt tydligt vill tala om att det är den här sortens arbete man menar kan man säga mekaniskt arbete.
I daglig tal kan ju arbete betyda en mängd olika saker. När du gör dina läxor tycker du säkert att du uträttar ett arbete. Det gör du naturligtvis också, men inte i fysikalisk mening.
Men vad är i så fall mekaniskt arbete? Jo, i fysikalisk mening uträttas endast ett arbete när man övervinner en kraft och flyttar ett föremål i kraftens riktning. När du håller en väska stilla så sker ingen förflyttning.
Därför uträttar du inget arbete. När du går med väskan så sker visserligen en förflyttning av väskan i sidled men du övervinner ingen kraft. Den kraft som påverkar väskan är tyngdkraften.
Tyngdkraften är riktad ner mot jorden och mot den riktningen rör sig väskan inte alls. Därför uträttas inget mekaniskt arbete. Om du däremot lyfter väskan uträttar du ett mekaniskt arbete.
Du övervinner jordens dragningskraft och förflyttar väskan mot tyngdkraftens riktning. Du uträttar även ett arbete när du drar väskan efter dig. Då övervinner du friktionskraften som uppkommer mellan marken och väskan samtidigt som du förflyttar väskan mot friktionskraftens riktning.
Man kan räkna ut hur stort det mekaniska arbetet är, alltså hur mycket energi som överförs. Man behöver bara multiplicera den kraft som används med den sträcka som saken flyttas. Mäter man kraften i Newton...
Och sträckan i meter så blir enheten för arbetet Newtonmeter som förkortas Nm. Den enheten har också ett eget namn, nämligen Jol, som förkortas stort J. Både energi och arbete mäts i enheten Jol eftersom arbete är en energieöverföring.
När du lyfter en väska uträttar du ju ett arbete. Låt oss säga att väskan väger två kilogramm. För att lyfta en väska som väger två kilogramm behövs en kraft på 20 N. Om du lyfter väskan en meter är arbetet 20 N gånger en meter som är lika med 20 Nm eller 20 J.
Ett arbete utförs ju bara om det finns en kraft som påverkar ett föremål i samma riktning som det rör sig. Om föremålet inte rör sig eller kraften har en annan riktning än rörelsen så är det inget arbete. Om du håller en väska stilla eller går med väskan på en plan väg så uträttar du alltså inget mekaniskt arbete, även om det är jobbigt. Om ett par flyttgubbar ska lyfta upp en tung flyttlåda på ett lastbilsflak finns det olika sätt att göra det på.
Antagligen så kör de lådan uppför landgången med en kärra. Eller så lyfter de den rakt upp på flaket. Om de väljer att köra den uppför landgången blir det en längre väg, men det behövs mindre kraft, det känns alltså lättare. Om de däremot lyfter den rakt upp så blir vägen kortare.
Men det behövs en större kraft. Det har inte någon betydelse vilken metod de väljer. Det är ändå samarbete som utförs. Exemplet med flyttlådorna visar mekanikens gyllene regel. Det man vinner i kraft förlorar man i väg.
Med det menar man att det behövs en mindre kraft om man tar en längre väg. Landgången som flyttgubbarna använder är ett lutande plan. Med det lutande planet tar man en längre väg.
Men då kan man klara av saker. som vore omöjliga om man tog den kortaste vägen. En trappa, som en rak trappa eller en spiraltrappa, är ett annat exempel på ett lutande plan.
Ju mindre trappan lutar, desto lättare blir den att gå i. Men ju mindre trappan lutar, desto längre blir också sträckan du måste gå. Att åka hiss är den kortaste vägen, men då krävs det en stor kraft.
Arbetet att förflytta dig uppåt är lika stort oavsett om du tar trapporna eller hissen. De slingrande serpentinvägarna uppför de norska bergen är ett annat bra exempel på lutande plan. Om man kör på en sådan väg måste man köra en längre sträcka än om vägen gått rakt upp. Men i gengäld så krävs det betydligt mindre kraft för att man ska ta sig till bergets topp. Ett annat exempel på lutande plan finner vi hos en vanlig skruv.
Ju färre gängor skruven har desto brantare lutar de och desto mer kraft går åt för att dra runt skruven. Hävstången är också ett exempel som utnyttjar mekanikens gyllene regel. Dörrhandtag, kofot, nagelklippare, avbitare, saxar och åror är några exempel på verktyg med hävstänger.
Om du tittar på den nedre vänstra bilden så ser du ett spett under ett stort block. För att flytta på blocket trycker man ner spettet mot marken. Man måste trycka ner spettet en lång väg för att flytta blocket en liten bit. Men samtidigt så blir kraften som verkar på blocket. Mycket större än den man själv måste använda.
Det man vinner i kraft förlorar man alltså iväg. För att förklara hur en hävstång fungerar kan vi titta på en vanlig gungbreda. Två tyngder, M1 och M2, ligger på en gungbreda.
Punkten som gungbredan är upphängd på kallas för vridningspunkt. Avståndet från där tyngderna ligger in till vridningspunkten kallas för hävarm. Hävarmen för M1 är A och hävarmen för M2 är B.
M1 väger dubbelt så mycket som M2. Därför väger de jämt om M2 har dubbelt så lång hävarm som M1. Man kan alltså se att ju längre hävarmen är desto mindre kraft behövs. Ett annat exempel som utnyttjar mekanikens gyllene regel är block och talja som fungerar som en slags hiss.
Man kan sätta samman två så kallade block och på det viset vinna kraft. Repet och blocken kallas tillsammans för en talja. Ju fler gånger repet går fram och tillbaka, desto mer kraft vinner man, men desto längre väg måste man dra repänden. Det man vinner i kraft förlorar man i väg.
Tänk dig nu två flyttgubbar som ska två trappor upp utan hiss med en massa flyttlådor. Två gubbar tar var sin låda som väger 20 kg. Den första bär raskt upp sin låda på en minut, alltså 60 sekunder.
Den andra går långsamt och stannar och pustar ut efter en trappa. Han behöver två minuter, alltså 120 sekunder. Båda har utfört exakt samma arbete, men tycker vi att de arbetat lika bra? Nej, man skulle nog kunna säga att den första arbetar effektivare. Det säger man i fysiken också.
Med effekt menar man nämligen hur mycket energi som överförs per sekund. Man kan också säga hur stort arbete som uträttas under en sekund, eftersom arbete är mekanisk energiöverföring. Effekten beräknas genom att dividera arbetet med tiden.
Mäter man energin i Joule och tiden i sekunder får man effekten i enheten Joule per sekund som förkortas J-S. Den enheten har också fått ett eget namn. Den kallas Watt och förkortas med stort W.
Enheten har fått sitt namn efter den skotska uppfinnaren James Watt som levde mellan 1736 och 1819. Han räknas som ångmaskinens uppfinnare. Men Watt själv införde en helt annan enhet för effekt, nämligen hästkraft. Hästkraft är alltså inte en kraft utan en äldre enhet för effekt. När James Watt skulle förklara för sina kunder hur mycket arbete hans ångmaskiner kunde utföra varje dag behövde han en enhet som de förstod.
Därför beskrev han ångmaskinens arbetsförmåga genom att tala om hur många hästar maskinen kunde ersätta. Enheten har levt kvar ända till våra dagar. Än idag kan vi höra ordet hästkraft nämnas när det till exempel talas om motorstyrkan hos bilar. En hästkraft motsvarar 736 watt.
Det är lika stor effekt som när något som väger 73,6 kg lyfts en meter upp i luften under en sekund. Låt oss gå tillbaka till våra två flyttgubbar. Vilken effekt utvecklar de båda flyttgubbarna? När de bär sina lådor två trappor upp. Lådorna vägde 20 kg vilket motsvarar 200 N.
Och låt oss säga att två trappor upp är ett lyft på 6 meter. Arbetet som de då utför när de bär upp lådorna är 200 N gånger 6 meter. Viktigt lika med 1200 N meter eller 1200 J. Den första bär upp sin låda på 60 sekunder medan den andra behövde 120 sekunder.
för att utföra samarbete. Den första gubbens effekt blir därför 1200 Jol dividerat på 60 sekunder vilket är 20 Jol per sekund eller 20 Watt. Och den andra gubbens effekt blir då 1200 Jol fast då delat på 120 sekunder vilket blir 10 Jol per sekund eller 10 Watt. Den första gubben arbetar alltså med en effekt på 20 Watt och den andra med en effekt på 10 Watt vilket innebär att den första gubben arbeta med större effekt.