Työ

Työ

Arkikielessä työllä tarkoitetaan kaikenlaista puuhailua ja toimintaa. Fysiikassa tarvitaan kuitenkin työlle tarkempi määritelmä. Fysiikassa työ liittyy aina voimaan ja voiman aikaansaamaan kappaleen siirtymiseen paikasta toiseen. 

Kaavoissa työ merkitään tunnuksella W ja yksikkönä on Joule J = Nm. 

Fysiikassa työ määritellään seuraavasti:

Tehty työ = voima · voiman vaikutusmatka 
eli 
W = F · s

missä 
W = työn määrä
F = työn tekemiseen käytetty voima 
s = voiman aikaansaama kuljettu matka

Fysiikassa siis määritellään, että työtä tehdään silloin kun kappaletta siirretään tietyn matkan verran tietyllä voimalla. Työn määrä riippuu voiman suuruudesta ja sen vaikutusmatkan pituudesta. Jos kappale pysyy paikallaan voima ei tee työtä. Vastaavasti jos kappale siirtyy paikasta toiseen ilman, että siihen vaikuttaa jokin voima on tehty työ myös nolla. Seuraavassa muutamia esimerkkejä 
  • Kävely on fysiikan mielessä työtä,
  • Seisominen ei ole työtä.
  • Kappaleen nostaminen on työtä
  • Kappaleen kannatteleminen ei ole työtä. 


Nostotyö 

Nostotyössä työtä tehdään maan vetovoimaa vastaan. Nostotyö on siis työmäärä, joka tehdään, kun kappale nostetaan maasta ylös. Aikaisemmin olemme jo oppineet sen, kuinka suuri voima tarvitaan vähintään kappaleen nostamiseen, joka oli 

Nostovoima = kappaleen massa · maan vetovoiman kiihtyvyys

F =m · g

Näin ollen nostotyölle saadaan kaava

Nostotyö = kappaleen massa · maan vetovoiman kiihtyvyys · nostokorkeus
eli
W = m · g · h
missä

W = tehty nostotyö
g = maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys 9,81[[$ \frac{m}{s^2} $]]​
h = noston korkeus



Kuinka paljon Joule on?

Nostotyön avulla on helppo ymmärtää Joulen käsite ja sen suuruus. Työn yksikön Joulen suuruudesta saanee jonkinlaisen käsityksen kun ajattelee, että 10 Joulen työ tehdään kun 1 kg kappale nostetaan 1 metrin korkeuteen


Esimerkkejä

Esimerkki 1 

Kuinka suuri työ tehdään, kun kappaletta siirretään 500 N:n voimalla 15 metriä. 
Alkutiedot
F = 500N
s = 15m
W =?

Sijoitetaan työn kaavaan tunnetut tiedot
W = F · s = 500N · 15 m = 750 Nm = 750 J
 
Esimerkki 2 

Kuinka suuri työ tehdään kun 50 kg:n kappale nostetaan 30 metrin korkeuteen. 

tiedot 
m = 50 kg
h = 30 m
g = 9,81 m/s2​

Kysessä on nostotyö, joten sijoitetaan tiedot nostotyön kaavaan
W = 50 kg · 9,81m/s2​ · 30 m = 14715 Nm = 14715 J

Esimerkki 3 

Laitteen akuista riittää energiaa (=työtä) 500 J. Kuinka korkealle laite pystyy nostamaan 0,7 kg:n kappaleen. 
Alkutiedot
W = 500 J
m = 0,7 kg
h = x

Sijoitetaan tiedot nostotyön kaavaan tunnetut tiedot. 
W = m · g · h  => 
500 J = 0,7 kg · 9,81 · x  
500 J = 6,9 N · x 
6,9 N · x = 500 J // Ratkaistaan yhtälö jakamalla molemmat puolet luvulla 6,9 N. Saadaan 
x=500J6,9N=72,4m​

Esimerkki 4 

Kuinka suuri työ tehdään, kun 40 kg:n kappale ajetaan 5 metriä kiihtyvyydellä 7m/s2​, 
Alkutiedot 
m = 40 kg
a = 7m/s2​ 
s = 5 m

Työn laskemiseen täytyy tietää kuljettu matka ja siihen käytetty voima. Koska voimaa ei tunneta yritetään laskea se. 
Voiman laskeminen
m = 40 kg
a = 7m/s2​ 
F = m · a = 40 kg · 7m/s2​= 280 N 

Nyt tiedetään voima, joten työ voidaan nyt laskea
W = F · s = 280 N · 5 m = 1400 Nm = 1400 J