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英語work),也叫機械功,是物理學中表示位移的累積的物理量,指從一種物理系統到另一種物理系統的能量轉變,尤其是指通過使物體朝向力的方向移動的力的作用下能量的轉移。與機械能相似的是,功也是純量國際單位制單位為焦耳

球員對球作正功,使其動能增加。
通用符號: W
SI單位: J (焦耳)
基本公式:W = F × D,W = τθ

「功」一詞最初是法國數學家賈斯帕-古斯塔夫·科里奧利創造的。[1]

動能定理,若一個外力作用於一物體使之動能從Ek0增至Ek,那麼,此力所作的機械功為:

W = \Delta E_{\rm k} = E_{\rm k} - E_{\mathrm k0} = \tfrac12 m (v^2 - v_0^2) \,\![2]

其中m是物體的質量,v是物體的速度。

機械功就是力與位移的內積

 W = \vec{F}\cdot \vec{d}[3]

若力與位移的夾角小於直角,則機械功為正,亦稱為力作正功。若力與位移的夾角大於直角,則機械功為負,或力作負功,或物體克服力作功。

若力的方向與位移方向垂直,則此力不作功:[3]

W = 0

舉例來說:一個10牛頓(F=10 N)的力沿著點移動兩公尺(D=2 m),那麼它所作的功為W=10 N·2 m = 20 N m = 20 J,這相當於從地面舉起1公斤重的物體到頭部所作的功。

注意:若重量加倍,距離不變;或是重量不變,距離加倍,其所作的功相同,皆為例題的兩倍。

簡介[編輯]

即使存在力,也可能沒有作功。例如,在勻速圓周運動中,向心力沒有作功,因為做圓周運動的物體的動能沒有發生變化。同樣的,桌上的一本書,儘管桌對書有支持力,但因沒有位移而沒有作功。

熱傳導不被認為是作功,因為能量被轉化成了微觀原子的振動,而非宏觀的位移。

單位[編輯]

國際單位制中功的單位為焦耳(J)。焦耳被定義為用1牛頓的力對一物體使其發生1米的位移所做的機械功的大小。量綱相同的單位牛·米有時也使用,但是一般牛·米用於力矩,使其跟功和能區別開。

非國際單位制單位包括爾格、英尺·磅、千瓦小時(kW/h)、大氣壓力、馬力小時(HP/h)。而由於具有相同的物理量─熱能,偶爾會見到以熱量熱能形式表示的測量單位,如:卡路里(cal)、BTU等。

功與能[編輯]

功與能息息相關,根據系統能量的守恆,內部總能量的變化等於添加的熱能加上環境對系統所作的功。見熱力學第一定律

\mathrm dE=\delta Q+\delta W

功能原理[編輯]

1.保守力作功使「存」在物體中的位能釋放出來,亦即保守力作功等於負的位能變

W=-\Delta U

2.非保守力作功時,若有保守力作負功則優先化為位能,剩下的功才化為物體的動能,即非保守力作功等於總力學能(動能+位能)變

W=\Delta E=\Delta E_{\rm k}+\Delta U

3.綜合以上兩點,一物體所受的合力包含了保守力與非保守力,非保守力使總力學能變,而保守力將之部份化為位能,二者相加,即合力作功等於動能變

W=\Delta E_{\rm k}

根據這些公式證明功是與作用力相關的能量,所以作功是能被測量的,是一種具有物理單位的能量。這理所討論的作功、能量原理與電器和能源的作功原理是相同的。

約束力[編輯]

約束力決定了系統中物件的位移,將其限制在範圍內(以斜面加重力為例,當物體受到無法再伸長的緊繩約束使其不能再下滑,物體就會在斜面上)。它消除了在該方向上所有的位移,即物體平行此力的速度被約束為0,因此約束力不對系統作功

例如:用一根繩子繫上一個小球做勻速圓周運動,小球會受到來自繩子,方向指向圓心的一個向心力。這個力的方向和球速度的方向垂直,所以這個力不作功(W=0)。又如桌上有一本書,施加外力會使書在桌面上移動。如果再對書施加一個垂直的力(實際上書受到的重力和支持力就屬於這個力),和其欲移動之方向垂直,則此約束力(施加的垂直力)不作功。

磁場中的帶電粒子受到磁力(洛倫茲力)的大小為 F = qv × B,其中q為電荷,v是粒子速度,而B為磁場強度。外積結果恆垂直於兩原向量,因此F⊥v。而兩垂直向量的內積恆零,因此磁力作的功W = F · v = 0。磁力可改變此粒子運動的方向,但是永遠無法改變運動速度(也就是動能)。

數學計算[編輯]

對於一移動的物體而言,作功量/時間可以從距離/時間(即速度V)來計算。因此,在任何時刻,力所作的功率(焦耳/秒、瓦),其值為力的純量積(矢量)和作用點上的速度矢量。力的純量積和速度被歸類為瞬時功率。

而正如速度可能會隨著時間的推移以獲得更長的距離,同一條路徑上的總功率也同樣是作用點沿著同一條路徑上之瞬時功率的時間積分的總和。

功是指質點受外力作用位移而產生的量,當質點移動時,它沿著曲線X和速度V在所有的時間t。少量的功δW發生在瞬時時間δt能夠寫成:

 \delta W = \mathbf{F}\cdot\mathbf{v}\delta t,其中F.v是在δt內的瞬時功率,這些少量功的總合超過該質點運動位移所產生的功量。
W =  \int_{t_1}^{t_2}\mathbf{F} \cdot \mathbf{v}dt =  \int_{t_1}^{t_2}\mathbf{F} \cdot {\tfrac{d\mathbf{x}}{dt}}dt =\int_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{x},

其中C的位移是從x(t1) 到x(t2),計算質點位移的積分。

如果力的方向總是沿著這條線,力的大小為F,那麼此積分可簡化為:

W = \int_C Fds

其中s是沿著直線的位移,假設F固定,且沿著此直線,則此積分可進一步簡化成:

W = \int_C Fds = F\int_C ds = Fd

其中d是質點沿著直線前進的距離。

此計算可歸納為恆定力並非延著線而是沿著質點。在此情況下點的乘積F·dx = Fcosθdx,其中θ是力矢量和運動方向之間的角度。即:

W = \int_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{x} = Fd\cos\theta.

一般常見的情況,施加的力和速度矢量對身體成90角(中央力朝下身體繞一圓圈運動),由於cos90為0,所以不作功。因此可以延伸至重力對於星球在圓形軌道上運動不作功(此為理想情況,一般情況下軌道略呈橢圓形)。

此外身體作一等速圓周運動受到機械外力作用時,作的功也為0,就像在一理想情況之無摩擦力的離心機中作等速圓周運動一般。

計算功在時間和力作用在一直線路徑上的數值只適用在最簡單的情況下,如上文所述。如果力會變化,或身體延曲線方向移動,物體可能轉動甚至並非剛性物體,那麼其所作的功只和作用力的角度、路徑有關,並且只有部分的力平行在作用點上形成的速度才作功 (相同方向為正,反方向為負值),此處的力可以被描述為純量或是切線分量的純量。(Fcosθ,其中θ是力和速度之間的夾角)。

至於功最普遍的定義如下:力作功是其延著作用點上的路徑之切線分量的純量也就是線性積分。

轉矩和轉動[編輯]

轉矩是從相等但方向相反的力作用於剛性體上兩個不同的點所形成。這些力總合為零,但它會對物體影響形成轉矩Τ,計算作功形成的轉矩公式為:

 \delta W = \mathbf{T}\cdot\vec{\omega}\delta t,,其中T.ω是作用在時間點δt上。這些少量的功之合大於剛性體運動軌跡所產生的功。
W =  \int_{t_1}^{t_2}\mathbf{T}\cdot\vec{\omega}dt.,此積分是計算剛體延軌跡運動與時間變化的角速度ω,可以說與運動的路徑息息相關。

如果角速度矢量保持恆定的方向,那麼可以寫成:

 \vec{\omega}= \dot{\phi}\mathbf{S},,其中φ為轉動角度,單位矢量S。在此情況下,功的轉矩可寫成:
W =  \int_{t_1}^{t_2}\mathbf{T}\cdot\vec{\omega}dt = \int_{t_1}^{t_2}\mathbf{T}\cdot \mathbf{S}\frac{d\phi}{dt}dt = \int_C\mathbf{T}\cdot \mathbf{S} d\phi,,其中C是從φ(t1φ(t2的運動軌跡。此積分取決於φ(t)的值,因此與路徑相關。

如果轉矩T與角速度矢量一致,那麼可寫成:

 \mathbf{T}=\tau\mathbf{S},

而且若轉矩和角速度是恆定的,那麼功可寫成這個形式:

W =  \int_{t_1}^{t_2}\tau \dot{\phi}dt = \tau(\phi_2-\phi_1).
A force of constant magnitude and perpendicular to the lever arm

此結果可以更簡單的理解,如圖所示。這股力將通過圓弧的距離s=rφ,所作的功即是:

W=Fs = Fr\phi .,導出轉矩τ=Fr,得:
 W=Fr\phi=\tau\phi,

以上,請注意只有轉矩在角速度矢量方向的部分才有作功。

力與位移[編輯]

力與位移都是矢量。功是力與位移的內積,為純量

W = \vec{F} \cdot \vec{d} = F d \cos\theta             (1)

其中\theta是力矢量和位移矢量的夾角

為使此式正確,力須為常矢量,路徑須為一條直線。

如力隨時間變化或路徑不為直線,上式不再適用,此時需使用曲線積分。故功的一般公式為:

W = \int_{C} \vec{F} \cdot \mathrm{d}\vec{x}            (2)

其中

\textstyle _C是路徑;
\vec F是力矢量;
\vec x是位移矢量。

表達式\delta W = \vec{F} \cdot \mathrm{d}\vec{s}是一個非恰當微分\textstyle{ W_C}與路徑有關,求微分後不能得到\vec{F} \cdot \mathrm{d}\vec{x}

非零力可以不作功,這一點與衝量不同。衝量是力對時間的累積。衝量是矢量,所以圓周運動時雖向心力不作功,但產生了對物體的非零衝量。

力矩[編輯]

力矩所作功可由下式計算得到:

W= \tau \theta\

其中\tau為力矩。

功與動能[編輯]

功與動能的原理(也可稱功與能的原理),意指合力作用在物質上(合力作功)的功等於物質的動能變化量

合力W在質點上所作的功等於其動能的變化量E_k,[4]

W=\Delta E_{\rm k}=\tfrac12mv_2^2-\tfrac12mv_1^2,

v_1 and v_2分別是質點的初速度和末速度,m則是質量。

概述[編輯]

功與能的原理由牛頓第二運動定律推導,其中包括作用在質點上的合力和約束反力對質點造成的位移量。

對於勻變速直線運動的情形,推導如下式。

W = Fd = mad = ma \left(\frac{v_2^2 - v_1^2}{2a}\right) = \frac{mv_2^2}{2} - \frac{mv_1^2}{2} = \Delta {E_k}d = \frac{v_2^2 - v_1^2}{2a}v_2^2 = v_1^2 + 2ad

一般情況下的推導則如下式。

W =  \int_{t_1}^{t_2} \mathbf{F}\cdot \mathbf{v}dt =  \int_{t_1}^{t_2} F \,v dt =  \int_{t_1}^{t_2} ma \,v dt = m \int_{t_1}^{t_2} v \,{dv \over dt}\,dt = m \int_{v_1}^{v_2} v\,dv = \tfrac12 m (v_2^2 - v_1^2) .

注釋[編輯]

  1. ^ Jammer, Max. Concepts of Force. Dover Publications, Inc. 1957. ISBN 0-486-40689-X. 
  2. ^ Tipler. 1991: 138. 
  3. ^ 3.0 3.1 Resnick, Robert and Halliday, David. Physics, Section 7-2 (Vol I and II, Combined edition). Wiley International Edition, Library of Congress Catalog Card No. 66-11527. 1966. 
  4. ^ Hugh D. Young and Roger A. Freedman. University Physics 12th. Addison-Wesley. 2008: 329. ISBN 978-0-321-50130-1. 

參考[編輯]

  • Serway, Raymond A.; Jewett, John W. Physics for Scientists and Engineers 6th ed. Brooks/Cole. 2004. ISBN 0-534-40842-7. 
  • Tipler, Paul. Physics for Scientists and Engineers: Mechanics 3rd ed., extended version. W. H. Freeman. 1991. ISBN 0-87901-432-6.