Om du har stor arbetsförmåga skulle man kunna säga att du är

energisk. I fysiken använder vi begreppet mekanisk energi på ett liknande sätt. Ett föremål har mekanisk energi när det kan utföra ett arbete. Det måste till ett arbete för att ge ett föremål mekanisk energi. Som du säkert förstår använder vi inte ordet arbete på riktigt samma sätt som du är van vid.

$5.1$ Du utför ett fysikaliskt arbete när du lyfter skivstången. Men du utför inte ett fysikaliskt arbete om du prövar att lyfta skivstången, men inte klarar det, även om du blir både trött och svettig. Det sker kemiska processer i dina muskler, och kemisk energi omvandlas, men du utför inte något fysikaliskt arbete på skivstången.

Till vardags kunde det vara ett hederligt arbete att provligga sängar eller läsa böcker. Men detta är inte arbete i fysikalisk mening. Däremot utför du ett arbete när du lyfter något. I fysiken använder vi ordet arbete när krafter verkar på föremål som förflyttar sig. Se figur $5.1.$ Men inte ens det är alltid ett arbete. Även om en kraft verkar på ett föremål som flyttar sig är det inte alltid så att kraften uträttar ett arbete på föremålet. Låt oss först titta på det fall när kraften verkar i rörelseriktningen.

Elsa drar en motsträvig pojke ut på dansgolvet. Se figur $5.2.$ För att göra det enkelt tänker vi oss att hon drar med en konstant kraft som är parallell med golvet. Om kraften är lika med F och den motsträvige pojken flyttar sig en sträcka s i samma riktning som kraften, så utför Elsa ett arbete W som är lika med kraften multiplicerad med vägen. Vi definierar:

$5.2$ Elsa utför ett arbete när hon drar en motsträvig pojke ut på dansgolvet.

Arbete när kraft och väg är lika riktade

Den här definitionen gäller bara om kraften är konstant och har samma riktning som vägen. Det vill säga nästan aldrig. Det är en väldigt enkel modell som efter hand kommer att leda vidare till mera komplicerade och realistiska situationer.

Eftersom arbete = kraft · väg måste enheten för arbete vara Nm, alltså newtonmeter. Enheten newtonmeter är ekvivalent med enheten joule, J. Enheten joule är uppkallad efter den engelske fysikern James Joule.

James Joule $(1818-1889)$

Joule upptäckte bland annat hur elektrisk energi och termisk energi hänger samman med mekanisk energi. Genom att ha en elektrisk strömledare nere i en bestämd mängd vatten, bestämde han energiförlusten i strömkretsen genom att mäta temperaturökningen i vattnet. Detta och en rad andra försök som Joule utförde gav det första experimentella stödet för energiprincipen.

Hur mycket är en joule?

- Det krävs ett arbete på $1$ J för att lyfta $1$ liter mjölk $10$ cm.

$- 10$ J strålningsenergi från solen träffar under sommaren genomsnitt varje kvadratdecimeter av Sverige varje sekund.

$- 4 200$ J kan värma upp $1$ liter vatten $1$ grad.

- Förbränning av $1$ liter bensin ger $35$ miljoner joule.

- Människokroppen behöver ungefär $100$ J per sekund för att fungera normalt.

- Varje svensk använder i genomsnitt $7 000$ J per sekund.

Jämför den första punkten med de andra. Är det som du hade väntat dig?

FF: Vinkeln φ är nedsänkt i förhållande till övrig text på de följande raderna.

${\text{Jämför }}W = F \cdot s \cdot \cos \varphi$

Detta kommer kanske inte att synas i tryck?

Nu ska vi utvidga definitionen av arbete till situationer där kraft och väg inte har samma riktning. En kraft F verkar på ett föremål som flyttar sig en sträcka s. Kraften bildar vinkeln φ med vägen. Se figur $5.3.$ Då definierar vi arbetet W som F · s · cos φ. I figuren kan du se att kraften i vägens riktning är F · cos φ.

$5.3$ Arbetet ges av W = F · s · cos φ

Arbete Generellt

Vi måste skilja mellan två fall:

- Kraften utför ett arbete när $0$ ≤ φ <  $90$ °, för då är cos φ >  $0.$

- Kraften utför inte något arbete när φ =  $90$ °, för då är cos φ =  $0.$

$5.4$ Både barnen och friktionen utför arbete på kälken.

$5.5$ Flickan går framåt med väskan i handen.

När kraften F är vinkelrät mot vägen s, blir arbetet lika med noll.

Det finns alltså två fall där vår strävan inte resulterar i något fysiskt arbete. Det ena är när vi använder krafter utan att föremålet flyttar sig. När vägen är lika med noll, är också arbetet lika med noll. Det andra fallet är när kraften verkar vinkelrätt mot vägen. Se figur $5.5.$