Inledning ARBETE VAD ÄR DET? När vi till vardags pratar om arbete är det en helt annan sak än begreppet arbete i fysikens värld. Ett lönearbete är t ex att arbeta som vaktpost utanför Buckingham Palace. Om samma måttstock som i fysiken skulle gälla vore inte vaktpostens uppgifter något arbete, åtminstone inte när han står still. Så om en fysiker fick bestämma skulle vaktposten få arbeta utan lön. Läroplanen Fysik Ur det centrala innehållet i fysik för åk 7-9: - Krafter, rörelser och rörelseförändringar i vardagliga situationer och hur kunskaper om detta kan användas, till exempel i frågor om trafiksäkerhet. - Mätningar och mätinstrument och hur de kan kombineras för att mäta storheter, till exempel fart, tryck och effekt. Ur kunskapskraven i fysik för åk 7-9: - Eleven kan genomföra undersökningar utifrån givna planeringar och även formulera enkla frågeställningar och planeringar som det går att arbeta systematiskt utifrån. - Eleven kan föra E/C/A underbyggda resonemang där företeelser i vardagslivet och samhället kopplas ihop med krafter, rörelser, hävarmar, ljus, ljud och elektricitet och visar då på E/C/A samband. Experimentet täcker det centrala innehållet som handlar om krafter och mätningar och mätinstrument. Begreppet arbete berörs och vad arbete innebär för en fysiker jämfört med hur vi använder det till vardags. Newtons arbete och lagar kan tas upp till diskussion och vad hans forskning har legat till grund för i samhället. Bakgrund För att skilja arbete i fysikens värld från det vi till vardags menar med arbete kallar vi det förstnämnda arbetet för mekaniskt arbete. Skillnaden mellan dessa båda är att mekaniskt arbete innebär att en kraft ska övervinnas för att det ska få kallas arbete. Till exempel är att lyfta en låda ett arbete eftersom en kraft, tyngdkraften, måste övervinnas för att jag ska kunna lyfta upp den. Ett annat kriterium är att lådan ska förflyttas i motsatt riktning jämfört
med tyngdkraften och det gör den när jag lyfter den. Mekaniskt arbete sker när en kraft övervinns och ett föremål förflyttas och föremålet ska dessutom förflyttas åt samma håll som kraften verkar. Det mekaniska arbetet går att räkna ut om kraften och sträckan är kända. Kraften är den som behövs för att förflytta föremålet och sträckan är det avstånd som föremålet förflyttas och genom att multiplicera dem får man arbetet. För att få rätt enhet på arbetet anges kraften i Newton och sträckan i meter. Enheten för arbete blir då Newtonmeter som förkortas Nm. En annan enhet för arbete är Joule (J) och 1 Nm = 1 J. Arbetet = Kraften Sträckan Ex. En hink med vatten väger 4 kg. a) Hinken hålls stilla i luften. Vilket arbete utför den som håller hinken? Arbetet = 40 N 0 m = 0 Nm. Inget arbete uträttas när hinken hålls still. b) Hinken står på golvet och lyfts 1 m upp i luften: Arbetet = 40 N 1 m = 40 Nm. Ett arbete på 40 Nm uträttas alltså när hinken lyfts upp. Det är alltså ett arbete att lyfta hinken uppåt 1 m men det är inget arbete att hålla den stilla 1 m upp i luften. Tänk dig att du lyfter upp lådan och då har du utfört ett arbete. Om du går iväg med lådan i famnen på samma höjd utför du inget arbete eftersom du inte övervinner någon kraft. Det har ingen betydelse hur långt du går. Men om du istället skulle släpa lådan på golvet istället för att bära den, skulle du då uträtta något arbete? Ja, det skulle du och anledningen är att underlaget skulle fungera som en motkraft mot dragkraften när du drar. Motkraften är en friktionskraft eftersom underlaget inte är jämnt kommer det att gripa tag i lådan och motverka den kraft du drar lådan med. Friktionskraften gör att du uträttar ett arbete när du drar lådan. Sensorn Med kraftsensorn mäts dragkraft och då behöver kroken vara monterad på ena sidan. Kraftmätaren klarar den maximala tyngden 50 N vilket motsvarar massan 5 kg. Innan användning nollställs sensorn i vertikalt läge med knappen Zero på framsidan. Syfte med experimentet Att förstå skillnaden mellan mekaniskt arbete och arbete i vardaglig betydelse. Att lära sig räkna ut det mekaniska arbetet från kraften och sträckan.
Begrepp att diskutera Arbete, Newtonmeter, Joule, kraft, sträcka Experiment Experimentet går ut på att undersöka vilket arbete som uträttas när föremål hålls stilla och när de lyfts uppåt. Lyft föremålen en bestämd sträcka rakt uppåt och jämför arbetet som krävs för att lyfta upp föremålen med att hålla dem stilla i luften. Utrustning Kraftsensor, AirLink, ipad med Sparkvue HD, diverse föremål som går att hänga på en krok och som väger max 5 kg, ev. våg. Utförande Häng ett föremål i taget på kraftsensorns krok, efter att eventuellt ha vägt det innan, och läs av kraften. Lyft föremålet en bestämd sträcka uppåt och läs av kraften på nytt. Räkna ut arbetet för att hålla föremålet i luften och arbetet för att lyfta det uppåt. MASSA (kg) FÖREMÅL KRAFT (N) STRÄCKA (m) I vila 0 I vila I vila I vila ARBETE (Nm) kraft sträcka Kommentar Lyft föremålet uppåt med mjuk rörelse. Lyfts den med en knyck kommer det att synas i resultatet som en tillfällig kraftökning. Det är inte nödvändigt att väga föremålet innan men det finns plats att fylla i massan i diagrammet om man samtidigt vill ta upp relationen mellan massa och tyngd. Variation Skala upp experimentet och lyft en matkasse istället. Dock inte tyngre än 5 kg.
Resultatet från två experiment I det första experimentet jämförs arbetet som krävs för att lyfta en liten ask med gem jämfört med att lyfta en keramikmugg. Asken med gem väger 68 g och muggen 236 g. Från början står föremålen på ett bord och då är kraften noll. När föremålen lyfts och får hänga fritt blir kraften för gem-asken ungefär 0,6 N och för muggen ungefär 2,1 N. Samma kraft krävs för att lyfta dem 1 dm uppåt och ur dessa data kan arbetet räknas ut. Arbetet att hålla dem stilla i luften är noll eftersom Arbete = Kraft Sträcka. Kraften för att lyfta asken med gem 0,1 m är ca 0,6 N. Arbetet = 0,6 N 0,1 m = 0,06 Nm. Kraften för att lyfta muggen 0,1 m är ca 2,1 N. Arbetet = 2,1 N 0,1 m = 0,2 Nm.
I det andra experimentet har ett paket tomater à 500 g använts. Först hålls paketet stilla men lyfts sakta uppåt efter knappt 3 s. Kraften är densamma oavsett om paketet hålls still eller lyfts precis som i exemplet med gemen och muggen. Arbetet för att hålla paktetet stilla = 4,6 N 0 m = 0 Nm Arbetet för att lyfta paketet 1 dm är 4,6 N 0,1 m = 0,46 Nm Det är alltså inget arbete att hålla något stilla i luften men när man lyfter det är det ett arbete. Fundera på 1. Vilka yrken är arbeten enligt fysiken? 2. Finns det mer eller mindre arbetslöshet i fysikens värld än i vår verklighet? 3. I diagrammet här nedanför åskådliggörs kraften som behövs för att lyfta en 200 grams vikt 1 dm upp i luften (blå linje) och dra den 1 dm (röd linje). Arbetet som behövs för att lyfta vikten uppåt är 2,0 N 0,1 m = 0,2 Nm. Vad är arbetet för att dra vikten på bordet?
Filmer från AV-Media Isaac Newton och gravitationen. Id: V2536. Ålder från 13 år. (Strömmande, DVD). I filmen förklaras, med hjälp av Newtons tre lagar, vad tyngdkraft är med fallande äpplen och upptäckten av hur det är möjligt att planeterna kan kretsa kring solen. http://beta.sli.se/apps/sli/prodinfo.php?db=36&article=v2536