arbeid (fysikk)

Når en kraft F virker på et legeme, gjør kraftkomponenten i bevegelsesretningen, F_S, et arbeid på legemet. Se figuren. Arbeidet er definert som produktet av kraftkomponenten i bevegelsesretningen og forflytningen, s. På engelsk kalles arbeid work. Derfor brukes bokstaven W om arbeid. Følgelig er det matematiske uttrykket for arbeid

W = F_S·s

Hvis en kraft virker vinkelrett på bevegelsesretningen, er F_S = 0, og kraften gjør ikke noe arbeid på legemet. Dette gjelder for eksempel dersom en stjernes gravitasjonskraft virker på en planet som går i sirkelbane rundt den. Heller ikke snordraget på en legeme som slynges rundt i en sirkelbane, gjør noe arbeid på legemet. Også den magnetiske kraften på en ladd partikkel i bevegelse virker vinkelrett på ladningens bevegelsesretning og gjør ikke noe arbeid på ladningen.

Dersom en kraft virker i forflytningens retning, er arbeidet som utføres lik kraft ganger vei. Hvis kraften virker i motsatt retning av bevegelsen, og bremser ned et legeme, er arbeidet negativt.

Kraft måles i newton, og forflytning måles i meter. Dermed blir enheten for arbeid newtonmeter, som kalles joule, J=Nm. Det er samme enhet som for energi.

Effekt, som er et uttrykk for hvor raskt arbeidet utføres, måles i J/s. Denne enheten kalles watt.

Et legeme kan ha to typer energi: kinetisk energi (bevegelsesenergi) og potensiell energi (stillingsenergi). Summen av kinetisk energi og potensiell energi kalles mekanisk energi.

Ofte virker flere krefter på et legeme. Det følger fra Newtons 2. lov at arbeidet som summen av kreftene gjør på legemet, er lik endringen av legemets kinetiske energi. Dersom kraften som virker på et legeme peker vinkelrett på legemets hastighet, gjør den ikke noe arbeid på legemet, og legemet vil da ha konstant kinetisk energi. En slik kraft vil ikke endre legemets fart.

Friksjon tapper legemer for mekanisk energi. Dersom det ikke virker noen friksjon på et legeme, er legemets mekaniske energi bevart. Når for eksempel et legeme faller i tyngdefeltet, og man neglisjerer luftmotstanden, er legemets økning i kinetisk energi like stor som tapet i potensiell energi. Legemets mekaniske energi endres ikke.

I sammenheng med gassers fysikk og faseoverganger snakker en om varme, indre energi og volumarbeid, der volumarbeid er trykk ganger volumendring, p·ΔV.

Temperatur er et mål for den indre energien. Dersom den indre energien øker, blir temperaturen høyere. Termodynamikkens 1. lov sier at varme, q, er lik endring i indre energi, ΔU, pluss volumarbeid, q=ΔU+p·ΔV. Dersom en gass befinner seg i en stiv beholder, slik at volumet ikke kan endres, utføres ikke noe volumarbeid. Da vil all varmen som tilføres gassen, brukes til å øke dens indre energi, det vil si til å heve temperaturen.

Dersom en gass befinner seg i en sylinder med et bevegelig stempel, vil den utføre et volumarbeid på omgivelsene når stempelet beveger seg utover. Det tar tid å overføre varme, så hvis stempelets bevegelse er svært rask, overføres ikke varme. En slik prosess kalles adiabatisk. Da vil volumarbeidet tappe gassen for indre energi, og dens temperatur synker. Dersom stempelet beveger seg innover, gjør omgivelsene et volumarbeid på gassen. Da vil dens indre energi øke, og temperaturen stiger.

Termodynamikkens 1. lov er et uttrykk for energibevarelse. Man kan ikke skape ny energi eller få energi til å forsvinne, bare omdanne energi til andre former.

• kraft – fysikk
• energi
• effekt
• mekanikk