Munka

1/ Szellemi munka, fizikai munka, munkavégzés, hasznos munka, otthoni munka, nyári munka, feketemunka. Mind valamilyen energiát, erőkifejtést jelent. Bennünket most a fizikai munka érdekel, amit mérni is szeretnénk.
A fizikai munkánál van erő is ÉS elmozdulás is. Tehát hiába akarom eltolni a páncélszekrényt, ha nem mozdul, nincs munkavégzés.

2/ Az energiaváltozás is munkát jelent. Munka következtében jön létre az energiaváltozás. Ez lehet
-- állapotváltozás – pl. hőátadás és
-- mechanikai munkavégzés – elmozdulással jár.
-- rengeteg más energiaváltozás is létezik, de azokat most nem tárgyaljuk.
Más megfogalmazásban: Munkavégzés következtében bekövetkező energiaváltozást munkának nevezzük. Ez a fizikai munka fogalmat írja le, sok helyen olvasható, de ez alapján még nem tudom mérni a  munkát. Márpedig a fizikában ugye 'mindent' mérni akarunk. Ezért a következő meghatározást használjuk, ezt jegyezd meg!

DEFINÍCIÓ: Fizikai értelemben akkor végzünk munkát, ha az erő hatására az erő irányában elmozdulás jön létre.
Ez szerepel a tankönyvben. Én inkább úgy fogalmazok, hogy mechanika munkát akkor végzünk, ha az erő hatására az erő irányában elmozdulás jön létre. A teljesítménynél (4-5 bekezdéssel lejjebb) fogok egy érthető példát mesélni (%%-kal jelölöm), akkor látni fogod, miért kell értened mindkét formulát. 

A munkát W betűvel jelöljük a fizikában. Tehát a fenti két szempont érvényesülését (1/ erő, 2/ erő irányú elmozdulás) vizsgáljuk, vagyis az elmozdulással járó munkavégzést. Ez mindig erőhatás következtében jön létre. Formálisan:  F =>  elmozdulás/sebességváltozás/gyorsulás
Mérések és példáink, tapasztalatok alapján leírhatjuk:

W ~ F és W ~ s             => W = F * s                  !!! s itt az elmozdulás és nem az út!!! Ráadásul az erő irányába eső elmozdulást kell számolni! (~ az arányosság jele)

Innen látszik, hogy mértékegysége a Nm. Ezt elkeresztelték: ez a joule, J.      1000 J = 1kJ,  300 J = 0,3 kJ, 1000 kJ = 1 MJ = 1 Megajoule. Kiejtése: zsúl, dzsúl.

Vigyázat, harmadszor írom: itt F és s egyirányú, Tehát az erő irányában történő elmozdulás számít csak. (kiskocsi, szán)

Fh a számunkra alkalmas irányú húzóerő, Fv pedig ennek a talajjal és az elmozdulással párhuzamos összetevője. A kiskocsi húzása közben Fv * s munkát végzünk a munka most tanult definíciója szerint.

Pótlás, ismétlés: Newton második törvénye szerint F = m* a, A testre kifejtett erő egyenlő a test tömegének és az erő által létrehozott gyorsulásnak a szorzatával.

Az emelési, gyorsítási munkát vizsgáljuk részletesebben egy-egy kis példa segítségével, mert fontos megértenetek, mi az, amikor az erő és az elmodulás egy irányba esnek/mutatnak.

Emelési munka: 3 kg tömegű táskát 2 m magas polcra emelek. Mennyi a munkavégzés? Mennyi az energiaváltozás?
m = 3 kg (tehát a gravitációs erő ellenében kifejtett erőm 30 N.)
h = 2 m
-----------------
W = ?            W = F * s = m* g * h                              itt F = m*g és h - a magasság - az elmozdulás, mert a gravitációs erő ellenében végzem a munkát. A gravitáció függőleges és függőlegesen emelem a táskát, tehát az erő és az elmozdulás egy irányba mutat.
W = 3 kg * 10 m/sec² * 2 m = 60 m²kg/sec² = 60 Nm = 60 J             (mkg/sec² helyére behelyettesítheted a N-t)
Ez azt is jelenti, hogy a táska (helyzeti) energiája 60 J-lal nőtt meg.

Gyorsítási munka: 2500 kg tömegű autót 54 km/h sebességre egyenletesen gyorsít a motor. Mennyi munkát végez eközben?
m = 2500 kg
v = 54 km/h = v_v                                      
v_átl = (0 km/h + 54 km/h) / 2 = v_v / 2 mivel egyenletesen gyorsul fel 0-ról 54 km/h sebességre.

W = F * s = (m * a) * s = m * (v_v / t) * v_átl * t = m * v_v * v_átl = m * v_v * v_v / 2 = ½ m * v_v² =
2500 kg / 2 * (54 km / h)² = 1250 kg * 225 m²/sec² = 281250 Nm = 281,25 kJ. Ennyi munkát végzett a motor és ennek következtében a kocsi mozgási energiája is ennyivel nőtt.

Következtetés 1: Mekkora erővel lehet 900 J munkát végezni 15 m úton?
W = 900 J
s = 15 m
----------------------------
F = ?            Alkalmazva a már megtanult képletet (W=F*s), átosztva   F = W / s. = 900 Nm / 15 m = 60 N.
60 N erővel lehet 15 m úton 900 J munkát végezni.

Teljesítmény, hatásfok

Megállapodtunk az előbb, hogy fizikai munkát akkor végzünk, ha a testre erővel hatunk, amely azt elmozdítja. Ebből következően a fizikában a mechanikai (fizikai) munkát az erő (F) és az erő hatására történt, az erővel megegyező irányú elmozdulást (s) összeszorozzuk.

A munkával kapcsolatban lényeges fogalom a teljesítmény és a hatásfok. Erről beszéljünk most. A köznapi beszédben azt mondjuk, hogy minél gyorsabban végezzük a munkánkat, annál nagyobb a teljesítményünk. Minél több elültetett gyümölcsfánk hoz termést, annál nagyobb a tavaszi előkészítésünk hatásfoka. A fizikában is ezeket az értelmezéseket fedi az egzakt definíció. A teljesítmény fontos mutató, mert ez alapján könnyebb, objektívebb összehasonlítani a gépek hasznosságát, vagy akár az emberek erejét, munkabíró képességét. Ugye inkább használod azt a gépet/autót, amelyik az 500 kg terhet 2 perc alatt vontatja el 10 km távolságra, mint amelyik 15 perc alatt.  

DEFINÍCIÓ: A teljesítmény a végzett munka és a munkavégzéshez szükséges idő hányadosa.
A fizikában ugye mindent mérni akarunk, tehát a teljesítményt is kiszámoljuk az előbbi meghatározás segítségével. Ez a mondat pedig a köznapi fogalomnak tökéletesen megfelelő P = W / t képletet eredményezi.  

A teljesítmény jele a P (power), mértékegysége a J/sec, amit wattnak kereszteltek el (W=watt).
Az erőművek teljesítménye MW (megawatt).  1 MW = 1.000 kW = 1.000.000 W.

Sajnos a munka jele is W, vigyázzatok, ne keverjétek a kettőt.

%% Az izzó 60 wattos, az azt jelenti, hogy ez az izzó másodpercenként 60 Joule elektromos energiát alakít át fény- és hőenergiává. A mai lecke szóhasználatával: a világítás közben másodpercenként 60 J munkát végez.
1 W = 1 J / 1 sec. Hogy tud egy lámpakörte munkát végezni? Hol van itt az erő és az elmozdulás? Jó kérdés. Ezt később fogjuk megtanulni, nincs semmi baj, tévedés. Egyelőre azt vedd figyelembe, amit az előbb a fizikai értelemben vett munkánál írtam.

Hatásfok

DEFINÍCIÓ: A hatásfok a hasznos munkának és a befektetett munkának a hányadosa. Tulajdonképpen a munkavégzés eredményessége. Viszonyszám.
Mivel viszonyszám, nincs mértékegysége! Jele: η (éta)

Szemléletesen: Át kell vinned egy pohárban 10 l vizet egyik vödörből a másikba. Nyilván kilötykölöd a vizet, miközben a két vödör között közlekedsz. Tehát amikor már kiürítetted a 10 literes első vödröt, akkor a földön tócsa is van. A második vödörben csak pl. 9,6 liter gyűlik össze. Ebben az esetben hasznos munkának csak a 9,6 l-hez szükséges munkát lehet tekinteni, míg a  befektetett munka a 10 'liternyi' munka volt. 9,6/10=0,96.
A hatásfok 0,96. Ezt százalékban is kifejezheted: 96%.

Tudjátok, hogy a régi lámpakörte forró, amikor világít. Valószínűleg hallottad azt is, hogy a régi típusú izzók világítási hatásfokánál sokkal jobb hatásfokú a LED izzó. Képzeld el, a régi hatásfoka 3-5 % volt! Tehát a 60 wattos lámpakörtének csak a 3-5 %-a, vagyis 1,8-3 W fordítódik a fény kibocsátásra, a többi hőtermelésre fordítódik. A befektetett energia/munka 60 J, a hasznos munka/energia 3 J.
Ha a melegítést tekintenénk a lámpa hasznos eredményének, akkor a hasznos munka 57 J, a befektetett munka pedig változatlanul a 60 J.

A hatásfok a definíciója miatt nem lehet nagyobb 100 %-nál!

De nem lehet nagyobb 100 %-nál az ENERGIAMEGMARADÁS miatt sem.

Mechanikai energia

Az energia és az energia megmaradás általános természettudományi elv annyira fontos, hogy ezt külön posztban írom le nektek.

Szorgalmi:

Egyszerű példák:
1 m-ről leejtett labda 60 cm magasra pattant. Akkor a labda helyzeti energiája 60 %-ban hasznosult.

A 2 kg tömegű vödörrel felhúzunk 10 l vizet (10 kg). A befektetett munkánk a 12 kg felhúzása. A hasznos munkánk pedig a 10 kg víz. Teát ezzel a vödörrel 10kg/12kg = 83,3 %. 10 dkg tömegű műanyag vödörrel ugyanez a hatásfok 99% (10kg/10,1kg)

Ha ezt az 5 vödröt 1 óra alatt pakolom meg a homokkal, akkor 5-ször nagyobb a teljesítményem, mintha 5 óra alatt tettem volna meg ezt.
Ha a homok vödörbe lapátolásához W = 50 kJ munka kell, akkor 5 órán keresztül 50 kJ/5 óra = 10 kJ óránként,
1 órán keresztül 50 kJ/1 óra = 50 kJ óránként a teljesítményem.
Tehát a rövidebb idő nagyobb teljesítményt eredményez.

A közelünkben rengeteg teljesítményt látunk. 60 W-os a régi lámpaizzó, 5 W-os a LED izzó. 1200 W-os a hajszárító és 85 kW egyátlagos autó teljesítménye (ezt a forgalmiban ki tudod keresni).

Ha a 60 W teljesítményű izzó 8 órán át világít, akkor mennyi a végzett munka?
A 60 W az áramfelvétel, ez alakul át fény- és hőenergiává.
P = 60 W
t = 8 óra = 28.800 sec
_______________________
W = ?                                                      Ismerjük a definícióból a P = W / t képletet. Ebből W = P * t
W = 60 W * 28.800 sec = 1.728.000 W sec = 1.728.000 J = 1.728 kJ      (W sec = J / sec * sec)
Ezt kényelmesebb mértékegységben is felírhatom: 60 W * 8 óra = 480 Wh (wattóra)