・仕事とは
・仕事とエネルギーの関係
・仕事の問題の計算
「仕事」と聞くと「サラリーマンとかバイトで働くこと?」って思う人が多いでしょう。
物理では,「仕事」という言葉を,汗水流して働くことでも,何かを作り出すという意味でもなく,独自の意味の言葉として使っています。
また,「仕事」と「エネルギー」は深い関わりがあります。
仕事とエネルギーにどのような関係があるのかを理解しておくと,物理基礎ではなく物理の方で役に立つことが非常に多いです。
今回は,「仕事」とは何か,「エネルギー」とは何かについて,わかりやすく簡単に解説をしていきます。
仕事とは
物体に力Fを加え,力の方向に距離sだけ動かしたとき,物体に仕事をしたと言う。
$$W=Fs\cosθ$$
(s:移動距離[m] 変位xと同じようなもの)
どれくらいのエネルギーを与えた(奪った)か。
物体に力Fを加え,力の方向に距離sだけ動かしたとき,「力は物体に仕事をした」と言います。
これだと分かりにくいので簡単に言うと,物体に力を加えて動かしたとき,どれくらいエネルギーを与えたかを物理では「仕事」と呼んでいます。
「〇〇のした仕事はどれくらいか」と聞かれたとき,それは「〇〇はどれくらいエネルギーを与えたか」という意味で聞いています。
これは物理の様々な分野に出てくる聞き方であるため,物理も勉強するのであれば「仕事とはエネルギーのこと」ということを絶対に覚えておいた方が良いでしょう。
「仕事した」とは「エネルギーを与えた」ということ
「どれくらいエネルギーを与えたか」を「仕事」と呼ぶので,単位はエネルギーの単位でもある[J](ジュール)を使います。

私たちはエネルギーという言葉をよく使いますが,物体を1Nの力で1m動かしたときに与えるエネルギーのことを,私たちは1Jと決めています。
F=1 s=1 のとき,W=1になるような式,つまり,
$$W=Fs\cosθ$$
が仕事の公式となります。
力と移動する方向は同じ向きである必要があるため,力と移動する方向のなす角をθとして,cosθをかける必要があります。
$$\cos0°=1\\
\cos90°=0\\
\cos180°=-1$$
であるため,同じ方向ならプラス,垂直なら0,逆方向ならマイナスになります。
cosとかよく分からないという人は,同じ方向はプラス・垂直は0,逆方向ならマイナスと覚えておきましょう。

仕事とはエネルギーを与えるという意味なので,力の向きと移動する向きが同じであれば,エネルギーを与えているので仕事はプラスです。
車のブレーキ等,動いているものを止めようとしているとき,力の向きと移動する向きは逆なのでエネルギーを奪っていることになり,仕事はマイナスになります。
また,横に物体が移動しているとき,重力や垂直抗力など移動する向きと垂直にはたらく力は,物体にエネルギーを与えているわけではないので仕事は0Jになります。
重力や垂直抗力だと仕事が0Jというわけではなく,動く方向と力の方向が垂直であれば仕事が0Jになります。
例えば,物体を持ち上げるとき,重力のする仕事はマイナスになります。(上に移動するが,重力は下向き)
仕事の公式は\(W=Fs\)なので,物体が移動していない場合も仕事は0Jです。
物体を持ち続けたとしても,動いていなければ仕事はしていません。
疲れることと仕事は関係ないので,勘違いしないようにしましょう。
力の向きと同じ向きに進んでいたら,仕事はプラスになる
力の向きと移動した向きが垂直な場合,仕事は0になる
例題
例題1
図のように,一定の力で物体を移動させた。このとき,図に示されている力が物体にした仕事は何Jか。

例題2
質量0.50kgの物体を,手でゆっくりと2.0m持ち上げるとき,次の各問に答えなさい。
(1)手が物体にした仕事は何Jか。
(2)重力が物体にした仕事は何Jか。
例題3
図のように,物体がなめらかな斜面を下ったとき,物体にはたらく垂直抗力が物体にした仕事は何Jになるか。

まとめ
仕事とは「物体にどれくらいのエネルギーを与えたか」という意味です。
まず第一に,仕事の意味を覚えてください。仕事とはエネルギーです。
公式は
$$W=Fscosθ$$
であり,同じ方向ならプラス,垂直の方向なら仕事は0です。
また,物体をゆっくり持ち上げるときは,動いていますが力がつりあっている状態です。