Mechanisch werk: We leggen uit wat mechanische arbeid is in de natuurkunde, wat de kenmerken ervan zijn en welke formules er zijn om deze te berekenen. Ook welke soorten er bestaan en voorbeelden.
Wat is mechanisch werk?
In de natuurkunde, en meer specifiek in de tak van de mechanica, wordt onder mechanisch werk (of eenvoudigweg werk) verstaan de werking van een kracht op een lichaam in rust of in beweging, zodanig dat deze een verplaatsing in het lichaam veroorzaakt die evenredig is met de energie die geïnvesteerd wordt in de kracht die het beweegt. Met andere woorden, mechanische arbeid is de hoeveelheid energie die aan een lichaam wordt overgedragen door een kracht die erop inwerkt.
Mechanisch werk is een scalaire grootheid, die gewoonlijk wordt gemeten in het Internationale Stelsel (SI) in joules (J) en wordt weergegeven door de letter W (van het Engelse werk, “Work”). Bovendien spreken we vaak van positieve of negatieve arbeid, afhankelijk van de vraag of de kracht energie overdraagt op het voorwerp (positieve arbeid) of energie onttrekt (negatieve arbeid). Zo verricht iemand die een bal gooit, positief werk, terwijl iemand die de bal vangt, negatief werk verricht. Je moet eens over Toren van Babel lezen.
Kenmerken van mechanisch werk
Mechanisch werk wordt gekenmerkt door:
- Het is een scalaire magnitude, gemeten in joule (d.w.z. kilogram per vierkante meter per vierkante seconde) en wordt weergegeven met de letter W.
- Het hangt rechtstreeks af van de kracht die het veroorzaakt. Om mechanisch werk in een lichaam te kunnen verrichten, moet er een mechanische kracht langs een bepaald pad op het lichaam worden uitgeoefend.
- In de dagelijkse taal wordt de term ‘werk’ gebruikt om een mechanische activiteit te definiëren waarvan de uitvoering een hoeveelheid energie verbruikt.
- Het overdragen van warmte (warmte-energie) wordt niet als een vorm van arbeid beschouwd, ook al bestaat het wel uit energieoverdracht.
Formule voor mechanisch werk
De eenvoudigste formule om de arbeid te berekenen van een lichaam dat door een kracht wordt verplaatst, is doorgaans de volgende:
B = V x d
waarbij W de verrichte arbeid is, F de kracht die op het lichaam wordt uitgeoefend en D de verplaatsingsafstand die het lichaam aflegt.
Kracht en afstand worden echter doorgaans beschouwd als vectorgrootheden, die een bepaalde oriëntatie in de ruimte vereisen. De bovenstaande formule kan dus worden geherformuleerd om dergelijke richtlijnen als volgt op te nemen:
W = F x d x cos π
waarbij de cosinus van alfa (cos𝛂) de hoek bepaalt die wordt gevormd door de richting waarin de kracht wordt uitgeoefend en de richting waarin het object als gevolg daarvan beweegt. Misschien moet je eens over Aphrodite lezen.
Soorten mechanisch werk
Er zijn drie soorten mechanisch werk, afhankelijk van de vraag of het energieniveau in het bewegende lichaam wordt verhoogd, verlaagd of gehandhaafd. Zo kunnen we het hebben over:
Positief werk (W > 0)
Dit gebeurt wanneer de kracht energie aan het betreffende object geeft, waardoor een verplaatsing in dezelfde richting ontstaat als waarin de kracht werd uitgeoefend. Een voorbeeld hiervan is een golfer die met zijn club een bal wegslaat en deze daardoor meters ver laat vliegen, of een honkbalspeler die een bewegende bal wegslaat en de baan ervan verandert.
Nul werk (W = 0)
Dit gebeurt wanneer de uitgeoefende kracht geen verplaatsing in het object veroorzaakt, ondanks het feit dat er wel energie wordt verbruikt. Een voorbeeld hiervan is iemand die een heel zwaar meubelstuk duwt zonder het ook maar een millimeter te verplaatsen.
Negatief werk (W < 0)
Het ontstaat wanneer de uitgeoefende kracht energie onttrekt aan het betreffende object, waardoor de beweging die het object al maakte, wordt tegengewerkt of de verplaatsing ervan wordt verkleind. Een voorbeeld hiervan is een honkbalspeler die een bal vangt die door een andere speler wordt gegooid, waardoor de bal niet meer verder kan; of een persoon die voor een vallend voorwerp staat en het niet helemaal kan stoppen, maar wel de val kan afremmen.
Voorbeelden van mechanisch werk
Enkele voorbeelden van mechanisch werk zijn:
In een voetbalwedstrijd kent de scheidsrechter een penalty toe en Lionel Messi schiet de bal met een kracht van 500N richting het doel, waardoor de bal ongeveer 15 meter aflegt zonder de grond te raken. Hoeveel werk was er nodig om dat doelpunt te maken?
Antwoord: Als we de formule W = F x d toepassen, zien we dat Messi een arbeid verrichtte van 500N x 15m, dat wil zeggen een arbeid gelijk aan 7500 J.
Een trein raast met volle snelheid naar het zuiden, recht op een wagon af die vastzit op de rails. Een superheld beseft het gevaar en besluit voor de locomotief te gaan staan en deze te stoppen. Als je bedenkt dat de trein een kracht van 20.000 N heeft, dat de superheld onkwetsbaar is en dat de locomotief zich op 700 meter afstand van de beknelde wagon bevindt, hoeveel moeite moet de superheld dan doen om de trein te stoppen?
Antwoord: Omdat het remmen van de locomotief minstens 20.000 N in de tegenovergestelde richting vereist, en de superheld een marge van minstens 2 meter tussen de locomotief en de vastzittende wagon wil laten, weten we dat hij arbeid zal moeten verrichten die gelijk is aan 20.000 N N x 698 m, dat wil zeggen een negatieve arbeid van 13.960.000 J.