Zadanie 4.1.2.1

 Zadanie 4.1.2.1

Praca - przemieszczenie w układzie współrzędnych
Oblicz pracę wykonaną przez siłę \(\vec{F}=(-1,1)\,\mathrm{N}\) przy przemieszczeniu obiektu z punktu \((0,0)\,\mathrm{m}\) do punktu o współrzędnych \((1,1)\,\mathrm{m}\)
a) po bokach kwadratu: najpierw o \(1\,\mathrm{m}\) wzdłuż osi \(y\), a następnie o \(1\,\mathrm{m}\) równolegle do osi \(x\); 
b) po odcinku prostej łączącej te dwa punkty.

Informacja

Możesz zobaczyć odpowiedź klikając w przycisk "Odpowiedź" lub sprawdzać kolejne etapy rozwiązania, wybierając prawidłowe odpowiedzi. W rozwiązaniu znajdziesz wskazówki, obliczenia i objaśnienia.

Dane i szukane

Dane:
- siła wykonująca pracę \(\vec{F}=(-1,1)\,\mathrm{N}\),
- początkowe położenie obiektu \(\vec{r}_0=(0,0)\,\mathrm{m}\),
- końcowe położenie obiektu \(\vec{r}=(1,1)\,\mathrm{m}\).

Szukane:
- praca wykonana przez siłę \(\vec{F}\): \(W\).

Odpowiedź

Praca wykonana przez siłę \(F\) przyjmuje wartość zero dżuli niezależnie od tego, czy obiekt przemieszczany jest po bokach kwadratu, czy po prostej łączącej wyznaczone punkty.

Polecenie

Z której z definicji należy skorzystać, aby otrzymać prawidłowe rozwiązanie zadania? Wybierz jedną prawidłową wartość, spośród trzech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 3

Definicja stałej pracy.

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 2 z 3

Definicja zmiennej pracy.

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 3

II zasada dynamiki Newtona.

Odpowiedź nieprawidłowa
Siła wykonująca pracę jest stała (stała wartość i kierunek), a drogi mają postać jednego albo kilku odcinków prostoliniowych, dlatego do rozwiązania zadania skorzystamy z definicji pracy stałej siły.

Polecenie

Wyznacz pracę wykonaną przez siłę przy przemieszczeniu obiektu z punktu \((0,0)\,\mathrm{m}\) do punktu o współrzędnych \((1,1)\,\mathrm{m}\) po bokach kwadratu: najpierw o \(1\,\mathrm{m}\) wzdłuż osi \(y\), a następnie o \(1\,\mathrm{m}\) równolegle do osi \(x\). Wybierz jeden prawidłowy wynik, wśród czterech przedstawionych poniżej.

Wybór 1 z 4

\(W=-1\,\mathrm{J}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 4

\(W=0\,\mathrm{J}\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 3 z 4

\(W=1\,\mathrm{J}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 4 z 4

\(W=2\,\mathrm{J}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Zgodnie z definicją praca stałej siły wyraża się wzorem:

\(W=\vec{F}\cdot\vec{S}\)
gdzie \(\vec{S}\) jest wektorem przemieszczenia obiektu.

Przemieszczenie składa się z wektorów:

\(\vec{S}_1=(0,1)\,\mathrm{m}-(0,0)\,\mathrm{m}=(0,1)\,\mathrm{m} \)
\(\vec{S}_2=(1,1)\,\mathrm{m}-(0,1)\,\mathrm{m}=(1,0)\,\mathrm{m} \)

Całkowita praca składa się z sumy prac siły wzdłuż tych wektorów przesunięć:

\(W=W_1+W_2=\vec{F}\cdot \vec{S}_1+\vec{F}\cdot \vec{S}_2 \)
\(W=(-1,1)\cdot (0,1)+(-1,1)\cdot (1,0)\)
\(W=1+(-1)=0\,\mathrm{J}\)

Informacja

Poniżej, przedstawiono animację, która ilustruje ruch obiektu oraz sposób przeprowadzenia obliczeń. Po uruchomieniu jej możesz prześledzić kolejne etapy ruchu i obliczeń, klikając w niebieskie koła z numerami.

Polecenie

Wyznacz pracę wykonaną przez siłę przy przemieszczeniu obiektu z punktu \((0,0)\,\mathrm{m}\) do punktu o współrzędnych \((1,1)\,\mathrm{m}\) po odcinku prostej łączącej te dwa punkty.

Wybór 1 z 4

\(W=-1\,\mathrm{J}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 4

\(W=0\,\mathrm{J}\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 3 z 4

\(W=1\,\mathrm{J}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 4 z 4

\(W=2\,\mathrm{J}\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

W tej sytuacji wektor przemieszczenia ma postać:

\(\vec{S}=\vec{r}-\vec{r}_0\)
\(\vec{S}=(1,1)\,\mathrm{m}-(0,0)\,\mathrm{m}=(1,1)\,\mathrm{m}\)

Praca wynosi
\(W=\vec{F}\cdot \vec{S} \)
\(W=(-1,1)\cdot (1,1)\)
\(W=0\,\mathrm{J}\)

Zauważmy, że w rozpatrywanym przypadku wektor \(\vec{F}\) jest prostopadły do wektora \(\vec{S}\), a iloczyn skalarnych dwóch wektorów prostopadłych wynosi zero.

Odpowiedź

Praca wykonana przez siłę \(F\) przyjmuje wartość zero dżuli niezależnie od tego, czy obiekt przemieszczany jest po bokach kwadratu, czy po prostej łączącej wyznaczone punkty.