Darbs (fizika)

Fizikā darbs ir enerģija, ko spēka iedarbības rezultātā saņem ķermenis. To parasti apzīmē ar  (no ) vai  (no ), SI to mēra džoulos. Terminu darbs pirmo reizi minēja franču matemātiķis Gaspārs Gustavs de Korioliss 1830. gadā.

Darbs uz materiālu punktu 

Nemainīga spēka padarīto darbu uz materiālu punktu definē kā šī spēka  un punkta pārvietojuma  skalāro reizinājumu:
 
kur  ir leņķis starp spēku un pārvietojumu, savukārt  un  ir atbilstošo lielumu absolūtās vērtības.

Spēkam, kas kaut daļēji vērsts ķermeņa kustības virzienā, reizinājums  ir pozitīvs un arī tā padarītais darbs ir pozitīvs — šis spēks palīdz kustībai (spēka iedarbībā ķermenis saņem papildu enerģiju). Turpretim spēks, kurš vērsts pretēji kustības virzienam, kustībai traucē un padara negatīvu darbu. Darbs ir nulle, ja spēks un pārvietojums ir ortogonāli: to virzieni ir perpendikulāri vai kāds no tiem ir nulle.

Mainīga spēka darbs 
Ja spēks nav konstants, iepriekš pausto formulu var pielietot tikai bezgalīgi mazā pārvietojuma posmā . Šādā posmā padarīto darbu  sauc par elementārdarbu un apzīmē ar . Vispārīgā gadījumā spēka  darbu, ķermenim pārvietojoties pa trajektoriju  definē kā elementārdarba līnijintegrāli pa ķermeņa trajektoriju:
 
Elementārdarbs  ir darba nepilnais (angļu — improper/inexact) diferenciālis. To nointegrējot iegūst darbu, taču pretējais nav spēkā: patvaļīgā gadījumā nav tādas darba funkcijas, kuras pilnais diferenciālis būtu  un vispārīgā gadījumā  nav darba atvasinājums.

Kopspēka darbs 
Uz materiālu punktu darbojoties vairākiem spēkiem, to kopīgi padarītais darbs būs vienāds ar spēku summas padarīto darbu:
 
kur  ir -tais spēks uz ķermeni,  — -tā spēka darbs uz ķermeni, bet  ir kopējais spēks uz punktu.

Darbs uz ķermeni vai mehānisku sistēmu 
Aplūkojot ķermeņus un citas sarežģītākas mehāniskas sistēmas, bieži jāpievērš uzmanība darbam uz atsevišķiem ķermeņa punktiem. Piemēram, stiepjot atsperi, tās galiem tiek pielikti vienādi, pretēji vērsti spēki un to summa ir nulle. Arī atsperes masas centra pārvietojums ir nulle. Taču kopīgi veiktais darbs nav nulle, jo katrs spēks veic pozitīvu darbu, pārvietojot savu atsperes galu. Šajā gadījumā kopēji padarītais darbs izmaina ķermeņa kinētisko enerģiju.

Mehāniskas sistēmas kinētiskās enerģijas izmaiņas teorēma 
Ja uz punktu darbu var pastrādāt, tikai to pārvietojot, tad cietam ķermenim var arī pārvietot atsevišķus punktus tā, ka tas nepārvietojas, bet tikai pagriežas. Šādu situāciju var novērot, griežot velosipēda stūri: vienā pusē spiežot stūri prom, bet otrā velkot pie sevis, katra roka padara savu darbu un pārvieto rokturi. Kopējais spēks uz stūri ir vienāds ar nulli, taču darbs ir padarīts.

Cietam ķermenim pieliktie spēki izmaina tā kinētisko enerģiju — mainās tā pārvietošanās vai griešanās ātrums. Kopējais ķermenim pielikto jeb ārējo spēku darbs vienāds ar kinētiskās enerģijas izmaiņu:
 
kur  — kinētiskā enerģija sākuma un beigu stāvokļos,  — uz ķermeni pastrādāto darbu summa.

Ja ķermenis deformējas (attālumi starp tā punktiem mainās), tad kopējais darbs var nebūt proporcionāls kopējam ķermenim pieliktajam spēkam. Šāda situācija ir gan elastīgās deformācijās (piemēram, stiepjot gumiju), gan plastiskās (piemēram, saplacinot plastmasas pudeli). Te jāņem vērā, ka savu darbu pastrādā arī ķermeņa iekšējie spēki (elastība, spiediens) un var būt, ka ārējo spēku darbs tiek pilnībā vai daļēji kompensēts ar pretēju iekšējo spēku darbu.

Šādas mehāniskas sistēmas kinētiskās enerģijas izmaiņa galīgā sistēmas pārvietojumā no viena stāvokļa uz otru ir
 
kur  — kinētiskā enerģija sākuma un beigu stāvokļos,  — kopējais ārējo un kopējais iekšējo spēku darbs. Protams, sakarība ir spēkā arī absolūti cietu ķermeņu gadījumā, jo tajos punktu savstarpējie attālumi nemainās un iekšējo spēku kopējais darbs  ir vienāds ar nulli.

Jāņem vērā, ka vispārīgā gadījumā ķermeņa kinētiskā enerģija ir visu tā punktu kinētisko enerģiju summa. Materiāla punkta modelī tā ir vienāda ar , absolūti cieta ķermeņa gadījumā ir pieskaitāma arī rotācijas kinētiskā enerģija, bet deformējama sistēma, kā stīga, vairākatomu molekula vai gāze traukā var būt apveltīta ar kinētisko enerģiju sistēmai nepārvietojoties un nerotējot.

Potenciālu spēku darbs 

Potenciālu spēku, piemēram, gravitācijas un elektrostatiskā spēka, veiktais darbs nav atkarīgs no trajektorijas, bet tikai no ķermeņa sākuma un beigu stāvokļiem. Ķermenim potenciāla spēka laukā eksistē potenciālā enerģija — tāda no koordinātām atkarīga funkcija , ka tās izmaiņa ir pretēja šī spēka padarītajam darbam:

 
kur  — ķermeņa sākuma un beigu koordinātas (vispārīgā gadījumā — ķermeņa visu punktu koordinātas).

Piemēram, ķieģelim krītot smaguma spēka ietekmē, šis spēks padara darbu un piešķir ķermenim kinētisko enerģiju, bet tā potenciālā enerģija samazinās. Šajā gadījumā potenciālā enerģija un darbs atkarīgi tikai no ķieģeļa smaguma centra atrašanās vietas. Savukārt, mazliet saspiežot basketbola bumbu, elastības spēks traucē — padara negatīvu darbu —, bet tā potenciālā enerģija palielinās: elastība ir gatava palīdzēt bumbai atgūt iepriekšējo formu. Šis ir gadījums, kad nozīmīgas ir ķermeņa visu punktu koordinātas, jo aplūkota tiek ķermeņa deformācija un spēks, kas tai pretojas. Redzams, ka, ja sākuma un beigu stāvokļi ir vienādi, veiktais darbs ir nulle, tātad potenciāla spēka veiktais darbs pārvietojumā pa noslēgtu trajektoriju ir vienāds ar nulli.

Potenciālu spēku elementārdarbs  sakrīt ar kādas funkcijas pilno diferenciāli: . Šādu funkciju  sauc par spēka funkciju. Veiktais darbs ir vienāds ar šīs funkcijas izmaiņu:
 
kur , kā iepriekš, ir ķermeņa sākuma un beigu stāvokļi. Pats spēks ir vienāds ar šīs funkcijas gradientu: . Redzam, ka spēka funkcija un potenciālā enerģija atšķiras tikai ar zīmi: , bieži lieto sakarību, ka spēks ir pretējs potenciālās enerģijas gradientam: 

Visas šeit paustās īpašības un sakarības ir ekvivalentas. Ikvienu no tām iespējams arī izmantot kā definīciju potenciāla spēka jēdzienam.

Mērvienības 

Darba SI mērvienība ir džouls (J). Viens džouls ir darbs, ko vienu metru garā pārvietojumā padara vienu ņūtonu liels spēks, kas vērsts pārvietojuma virzienā. Džoula saistību ar citām SI mērvienībām mēdz izteikt dažādos veidos:
 

Bieži iekārtu veikto darbu mēra kilovatstundās, kas nav SI mērvienība bet ir izteikta SI sistēmā. Kilovatstunda ir darbs, ko mašīna, strādājot ar 1 kilovatu (kW) lielu jaudu, padara 1 stundas (h) laikā. Parasti to apzīmē ar kWh, lai arī pēc SI standarta būtu ar atstarpi vai punktu jāattēlo reizināšana: kW h vai kW·h. Skaitliski kilovatstunda ir vienāda ar 3,6 megadžouliem.

Citās mērvienību sistēmās lieto tādas mērvienības kā ergs (erg, CGS sistēmā), kilogrammetrs (kgf·m, tehniskajā jeb gravitācijas mērvienību sistēmā), pēdmārciņa (ft·lbf), zirgspēkstunda (hp·h), kalorija (cal vai Cal).

Sakarības

Jauda 
Jauda tiek definēta kā elementārā laika sprīdī  padarītais elementārdarbs, no kā viegli seko jaudas, spēka un ātruma sakarība materiālam punktam:

 

kur  ir ātrums. Attiecīgi darbu var iegūt kā jaudas integrāli: .

Absolūti cietus ķermeņus izdevīgi aprakstīt, izmantojot jaudu. Ja ķermenis virzās kopā ar kādu polu  vienlaicīgi rotējot ap asi , kas iet caur šo punktu un tam pielikto ārējo spēku summa ir  un to radītais spēka moments pret asi  ir , tad jauda:

 

kur  ir pola ātrums un  — leņķiskais ātrums.

Dažu potenciālu spēku darbs 
Potenciālu spēku darbs ir atkarīgs tikai no sākuma un beigu stāvokļiem. Šeit dotas formulas pašu spēku veiktajam darbam. Darbs, ko veic, pārvarot šos spēkus (piem. paceļot smagumu, izstiepjot atsperi) ir tikpat liels, bet ar pretēju zīmi.

Smaguma spēks 
Smaguma spēka darbs ir proporcionāls ķermeņa masai  un augstuma  izmaiņai:

 

kur  ir brīvās krišanas paātrinājums.

Smaguma spēka darbu bieži saista arī ar smaguma spēka potenciālo enerģiju :

Gravitācija 
Ja uz punktu ar masu  gravitācijas spēku rada punkts ar masu , tad šī spēka veiktais darbs ir

 

kur  ir sākuma un beigu attālums starp šiem punktiem, bet  — gravitācijas konstante.

Elektrostatiskais spēks 
Ja uz lādiņu  (precīzāk — punktu ar lādiņu ) Kulona spēku rada lādiņš , tad šī spēka veiktais darbs ir

 

kur  ir sākuma un beigu attālums starp šiem punktiem,  — vides relatīvā dielektriskā caurlaidība, bet  — vakuuma dielektriskā caurlaidība jeb dielektriskā konstante.

Lādiņam  kustoties elektriskajā laukā ar intensitāti  pa trajektoriju  lauka veiktais darbs ir

 

Homogēnā elektriskajā laukā kur  — leņķis starp pārvietojuma un elektriskā lauka intensitātes virzieniem.

Pārvietojot lādiņu  elektriskajā laukā, kur definēta potenciālā enerģija , potenciāls  un spriegums , darbu var izteikt šādi:

Elastība 
Elastības spēkus (spēkus, kas rodas stiepjot, spiežot, liecot, griežot objektu) nelielu deformāciju gadījumā mēdz aprakstīt ar lineāru modeli — Huka likumu, pēc kura elastības spēks ir proporcionāls deformācijai  un vērsts tai tieši pretēji. Tad deformācijas virzienā vērstā komponente, kur  ir proporcionalitātes koeficients. Šajā modelī elastības spēka veiktais darbs ir

 

kur  ir sākuma un beigu deformācija.

Berzes darbs 
Slīdes berze darbojas tieši pretēji kustības virzienam, tāpēc tās darbs ir negatīvs un proporcionāls ceļam (trajektorijas garumam) . Aprakstot slīdes berzes spēku ar Kulona modeli , kur berzes spēks  ir proporcionāls berzes koeficientam  un virsmas reakcijas spēkam , bet nav atkarīgs no ķermeņa ātruma, berzes spēku veiktais darbs ir

Darbs termodinamikā

Pirmais termodinamikas likums 
Pirmais termodinamikas likums saista sistēmas pastrādāto darbu ar tās saņemto siltumu  un iekšējās enerģijas  izmaiņu:

 

Sarežģītākiem procesiem aplūko diferenciālos lielumus:

Gāzes izplešanās darbs 
Gāzei izplešoties, tā uz apkārtējo vidi padara darbu. Piemēram, izplešoties cilindrā, gāze bīda virzuli. Slēgtā sistēmā kvazistatiskā procesā (gana lēnā, lai varētu konkrētā brīdī definēt spiediena  vērtību) elementārdarbs pie mazas tilpuma izmaiņas  ir proporcionāls spiedienam: , bet kopējais darbs procesā iegūstams, to nointegrējot no sākuma stāvokļa līdz beigu stāvoklim:

 

Izoparametriskos procesos var papildus iegūt tiešākas un dažreiz arī vienkāršākas sakarības.

Tabulā  ir gāzes masa,  ir gāzes molmasa,  ir molekulas brīvības pakāpju skaits un  ir universālā gāzu konstante un  — politropas rādītājs (adiabātiskā procesā sakrīt ar adiabātas rādītāju).

Lietderības koeficients 
Siltuma mašīnas lietderības koeficientu definē kā sistēmas veiktā mehāniskā darba un saņemtā siltuma attiecību:

 

Siltuma sūkņa un dzesēšanas mašīnas lietderības koeficientu definē kā pārsūknētā siltuma un ieguldītā darba attiecību:

Darbs elektrībā 
Pārvietojot lādiņu potenciālā laukā, tiek veikts darbs. Strāvas ar stiprumu  un spriegumu  jauda ir

 

Līdzstrāvas padarīto darbu laika intervālā  var izteikt kā  (Džoula-Lenca likums), bet, ja spēkā Oma likums, iespējamas arī citas formas:

 

kur  — vadītāja pretestība.

Strāvas avota (piemēram, ģeneratora, baterijas) iekšpusē neelektrostatiskas dabas (piemēram, elektromagnētiski, ķīmiski) spēki veic darbu, lai lādiņus pārvietotu no viena kontakta uz otru un nodrošinātu spriegumu starp kontaktiem. Darbu , kas paveikts, lai lādiņu  pārvietotu starp kontaktiem avota iekšpusē, izmanto, lai definētu elektrodzinējspēku:

 

Strāvas avots veic darbu uzlādējot kondensatoru ar kapacitāti  no sprieguma līdz spriegumam :

 

vai izmainot strāvas stiprumu spolē ar induktivitāti  no  līdz stiprumam :

Skatīt arī 

 Enerģija
 Jauda

Atsauces 

Fizikāli lielumi