2.3. Работа и механическая энергия

2.3.1. Работа постоянной и переменной силы. Мощность. Потенциальные (консервативные) и непотенциальные силы

В физике работа неразрывно связана с изменением состояния тела или системы. Это изменение может выражаться самым различным образом: а) тело приобретает другую скорость, б) тело поднимается на другой уровень, в) тело деформируется, г) тело заряжается, д) тела намагничивается и т.д. Состояние механической системы (или тела) характеризуется одновременным заданием координат и скоростей всех точек системы (или тела) и может изменяться в процессе движения.

Процесс изменения характера движения тела происходит при его силовом взаимодействии с другими телами. Для количественного описания процесса вводят понятия силы и работы, совершаемой силой.

1. Если на тело действует постоянная сила F (Рисунок 13), и это приводит к перемещению ∆ r тела, то элементарной работой ∆А постоянной силы называется скалярное произведение вектора силы F и вектора перемещения ∆r:

∆А = (F∙∆r) = ½ F½½∆ r½ cos a ,

где a - угол между направлениями векторов силы F и перемещения ∆r, ( F∙ ∆r) – скалярное произведение двух векторов (см.[8]).

Рисунок 13 - Перемещение тела под действием постоянной силы

Рисунок 13 - Перемещение тела под действием постоянной силы.

Работа ∆А - скаляр. Если угол a - острый, то ∆А положительная величина, и говорят, что сила совершает работу. Если угол a - тупой, то ∆А - отрицательная величина, и говорят, что работа совершается против действия силы. Если a = 900, т.е. направления силы и перемещения взаимно перпендикулярны, то такая сила работы не совершает ∆А = 0. Такая сила не может изменить величину скорости тела, но она меняет направление скорости.

2. Работа переменной силы. Если сила или равнодействующая сил изменяет свою величину или направление (движение по криволинейной траектории, причем угол α ≠ 900), то работа ∆А, совершаемая переменной силой F (или Fрез) на конечном участке траектории вычисляется следующим образом.

На рисунке 14 представлен график зависимости силы F от пути S. Разобьем весь путь на N участков. Перемещение и действующая сила на каждом участке соответственно равны F i и ∆ r i. Тогда работа А, совершаемая силой F, равна алгебраической сумме работ, совершаемых каждой из сил F i на своем малом участке (Рисунок 14):

А = ∆А1 + ∆А2 +....+ ∆А N = ( F1∙∆ r1) + (F 2∙∆ r2) + ...+( F N∙∆ rN) = ( Fi∙∆ ri),

где i = 1,2...... N - номер элементарного участка траектории.

Рисунок 14 - График зависимости силы от пути

Рисунок 14 - График зависимости силы от пути.

На участке ∆r i силу Fi можно считать постоянной, тогда элементарная работа ∆Аi на участке ∆r i равна ∆Аi= Fi∙∆ r i и равна площади заштрихованной фигуры на рисунке 14.

А=∆Аi - это работа силы F на участке r, равна она численно площади S фигуры, ограниченной кривой зависимости F(х) и осью Х.

3. Примеры вычисления работы.

а) Тело, поднятое над землей на высоту h, падает на землю (без трения) из точки В в точку С и возвращается обратно (Рисунок 15). Определить работу силы по замкнутому пути.

Сила, действующая на тело, постоянна и равна силе притяжения тела к Земле (сила тяжести). Работа этой силы на участке ВС равна .

Чтобы поднять тело без ускорения из точки С в точку В, надо приложить к телу силу, равную силе тяжести, но противоположно направленную, и работа на участке пути СВ равна (работа совершается против силы тяжести).

Полная работа на участке (ВС+СВ) равна нулю.

Рисунок 15. Падение тела с высоты h (a) и поднятие тела на высоту h (б)

Рисунок 15. Падение тела с высоты h (a) и поднятие тела на высоту h (б)

б) Пружину длиной l1 растягиваем до длины l2. Какая работа при этом совершается?

Пусть х - длина, на которую растянута пружина, отсчет х от положения равновесия (Рисунок 16). При этом на пружину будет действовать упругая сила, старающаяся вернуть пружину в состояние равновесия, что соответствует минусу в формуле F = - kх (закон Гука). Если растянуть пружину еще на малую длину ∆х, надо совершить элементарную работу ∆А = - kх∙ ∆х.

Возникающая упругая сила будет переменной, т.к. она зависит от длины, на которую растягивают пружину. Для определения работы, которую надо затратить для растяжения пружины от длины l1 до l2, надо воспользоваться операцией интегрирования:

Работа силы упругости определяется только начальным и конечным положением пружины.

Рисунок 16. Сжатие пружины

Рисунок 16. Сжатие пружины

4. Полная работа внешних сил при вращательном движении тела равна произведению момента этих сил относительно оси вращения на угол поворота тела за время действия сил. ∆ A= М∆.

И момент сил, и угловое перемещение (равное по модулю углу поворота) - векторы, направленные вдоль оси вращения. Если направление этих векторов совпадает, то ∆ A>0. Если направление этих векторов противоположное, то ∆ A<0.

5. Силы, работа которых определяется только начальной и конечной точками их приложений, и не зависят ни от вида траектории, ни от характера движения тела, называются консервативными или потенциальными силами.

Другое определение для этих сил таково. Силы, работа которых по замкнутой траектории равна нулю, называются потенциальными.

Соответственно, если работа силы по замкнутой траектории не равна нулю, то такая сила неконсервативная ( непотенциальная).

К непотенциальным силам относятся силы трения и силы, величина которых зависит от скорости движения точки (тела).

Сила тяжести и сила упругости являются потенциальнымисилами (см. приведенные выше примеры).

2.3.2. Энергия

1. Наиболее общим определением понятия энергии можно считать то, которое связано с понятием состояния системы (или тела). Энергия всегда является функцией состояния системы (тела). В любом состоянии система имеет определенное значение энергии и может сохранять это состояние, а значит и энергию этого состояния, сколь угодно долго. Для перехода системы (тела) в другое состояние должна быть совершена работа.

Физическая величина, характеризующая способность тела или системы тел совершить работу, называется энергией.

Состояние системы (тела) может меняться в процессе движений. Формы движений в природе различны. Для количественного сравнения разных форм движений и служит понятие энергии. Поэтому можно дать другое определение для энергии.

Энергией называется физическая величина, являющаяся общей мерой различных форм движения материи.

Различают виды энергии механическую, внутреннюю, электромагнитную, химическую, ядерную и т.д.

Механическая энергия может быть обусловлена или движением тела с некоторой скоростью (кинетическая энергия), или расположением данного тела в системе других тел определенной конфигурации (потенциальная энергия) Wмех. = Wкин. + Wпот..

2.3.3. Кинетическая энергия

1. Кинетической энергией тела называется энергия его механического движения.

Изменение кинетической энергии тела под действием силы равно работе этой силы.

Физическая величина называется кинетической энергией, а величина
,
равная разности кинетических энергий конечного состояния системы (индекс 2) и начального состояния (индекс 1), называется приращанием кинетической энергии.

Если на тело действуют несколько сил, и каждая из них совершает работу, и в результате этого меняется кинетическая энергия тела, то полная работа равна алгебраической сумме работ всех сил, действующих на тело. Энергия тела меняется за счет совершения работы.

Итак, связь работы и кинетической энергии задается соотношением:

Авсех сил = ∆ Wкин = ( Wкин)кон. - ( Wкин.) нач.,

т.е. работа всех сил равна изменению кинетической энергии тела (или системы).

Работа - мера изменения энергии (физический смысл работы).

2. Кинетическая энергия вращающегося тела.

Твердое тело вращается вокруг неподвижной оси. Полная кинетическая энергия вращающегося тела равна:

,

где I - момент инерции тела относительно оси вращения.

2.3.4. Потенциальная энергия

1. Потенциальная энергия - энергия, определяемая взаимным расположением тел или отдельных частей тела относительно друг друга.

Когда меняется конфигурация системы тел или частиц одного тела относительно друг друга, должна совершаться работа.

Пространство, в каждой точке которого на тело действует определенная сила, называется физическим или силовым полем.

Поэтому когда тело перемещается вблизи Земли, то говорят, что тело двигается в силовом поле тяготения Земли или в потенциальном поле Земли. Потенциальная энергия тяготения равна ( Wпот)тяг. = mgh,

h - расстояние между телом и Землей.

В растянутой (или сжатой) пружине на каждую ее точку действует сила упругости, в этом случае можно говорить о потенциальном поле упругости. Потенциальная энергия упругости равна ( Wпот) упр. = ( kl2)/2, l - длина растянутой пружины, отсчет х от положения равновесия.

При делении сил, действующих на тело, на внешние и внутренние рассмотренные в примерах сила тяготения (в системе "тело - Земля") и сила упругости растянутой (сжатой) пружины можно отнести к внутренним силам. Поэтому верно утверждение, что каждой конфигурации произвольной системы частиц присуща своя собственная потенциальная энергия, и работа всех внутренних потенциальных сил, приводящая к изменению этой конфигурации, равна взятому со знаком минус приращению ( убыли) потенциальной энергии системы.

2.3.5. Закон сохранения механической энергии системы

Обобщая материал, рассмотренный в данной главе, можно основные выводы сформулировать так:

1) Приращение кинетической энергии системы равно произведенной работе всех сил, приложенных к системе.

Авсех сил = ∆ Wкин = ( Wкин)кон. - ( Wкин.) нач.

2) Все силы, действующие на систему можно разделить на внешние и внутренние. Внутренние силы можно разделить на потенциальные и непотенциальные (к последним относятся силы трения и сопротивления). Тогда

Авсех сил = Авнеш. + .Апот. + Атр.

3) Работа потенциальных внутренних сил равна приращению потенциальной энергии системы, взятому со знаком минус.

Апот. = - ∆ Wпот = ( Wпот) нач. - ( Wпот.)кон..

4) Полная механическая энергия система равна сумме кинетической и потенциальной энергии системы.

Wмех. = Wкин. + Wпот..

Суммируя все эти положения и сделав соответствующие преобразования, получим

∆ Wмех. =( Wмех) кон. - (Wмех.) нач = Авнеш. + Атр.

Если внешние силы на систему не действуют, то система называется замкнутой или изолированной и Авнеш. = 0. С замкнутой системой мы работали при рассмотрении законов сохранения импульса (ЗСИ) и момента импульса (ЗСМИ).

Если внутри системы действуют только потенциальные силы, а сил трения и сопротивления нет, то Атр. = 0.

И тогда ∆ Wмех. = ( Wмех) кон. - ( Wмех.) нач. = 0 и выполняется закон сохранения механической энергии ( ЗСЭмех):

Полная механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения, остается постоянной, независимо от взаимодействий внутри системы.

Wмех. = ( Wмех) кон. = (Wмех.) нач = const.

Если система замкнутая, но в ней действуют силы трения, то

∆ Wмех. = ( Wмех) кон. - ( Wмех.) нач. = Атр.

Так как работа силы трения всегда отрицательна, то ее действие приводит к уменьшению полной механической энергии системы:

( Wмех) кон. < ( Wмех.) нач..

2.3.6. Сравнение кинематических и динамических характеристик поступательного и вращательного движений

Воспользуемся аналогией записи кинематических и динамических характеристик, законов поступательного и вращательного движений(см. таблицу 3).

Таблица 3. Сравнение кинематических и динамических характеристик поступательного и вращательного движений.

Физические величины

Поступательное движение

Вращательное движение

Скорость

;

;

Ускорение

ЗАКОНЫ КИНЕМАТИКИ

Равномерное

Движение

Равнопеременное

Движение

;

Переменное

Движение

;

;

Динамические

Характеристики

Масса m

Импульс тела

Сила

Импульс силы

 Момент инерции I

Момент импульса
=

Момент силы

;

Импульс момента силы

Второй закон Ньютона

Кинетическая

Энергия

Работа

Законы сохранения (ЗС)

ЗС импульса

ЗС момента импульса

Закон сохранения энергии

2.3.7. Применение законов сохранения в теории ударов тел

Ударом называется явление конечного изменения скоростей твердых тел за весьма малый промежуток времени при их столкновении.

Поведение соударяющихся тел можно рассчитать с помощью законов сохранения. Потенциальная энергия взаимодействующих тел не учитывается.

Абсолютно неупругий удар - удар, в результате которого тела после столкновения двигаются с одинаковыми скоростями. Поведение тел при таких ударах может быть описано моделью, называемой абсолютно неупругое тело (см. 2.1.1. Механическое движение. Физические модели реальных тел, используемые в механике. Система отсчета. Траектория. Виды движений).

Рассмотрим центральный неупругий удар двух шаров массой m1 и m2. Скорости шаров лежат на одной линии, соединяющей их центры: v1 и v2 - скорости шаров до удара, v - общая скорость шаров после удара. ЗСИ в векторной форме имеет вид:

m1 v1 + m2 v2 = ( m1 + m2)∙ v

Если v1 и v2 имеют одинаковые направления, то ЗСИ примет вид:

m1∙ v1 + m2∙ v2 = ( m1 + m2)∙v.

Если шары двигаются навстречу друг другу, тогда

m1∙ v1 - m2∙ v2 = ( m1 + m2)∙v

Закон сохранения механической энергии при таком ударе не выполняется, но с учетом энергии, затраченной на деформацию тел, общий закон сохранения энергии имеет вид:

Абсолютно упругий удар - такое кратковременное взаимодействие тел, при котором в обоих взаимодействующих телах не остается никаких деформаций. Поэтому кинетическая энергия, которой тела обладали до взаимодействия, превращается в кинетическую энергию тех же тел после взаимодействия.

Поведение тел при таких ударах может быть описано моделью, называемой абсолютно упругое тело (см. 2.1.1. Механическое движение. Физические модели реальных тел, используемые в механике. Система отсчета. Траектория. Виды движений).

Рассмотрим центральный упругий удар двух шаров массой m1 и m2. Скорости шаров лежат на одной линии, соединяющей их центры: v1 и v2 - скорости шаров до удара, u1 и u2 - скорости шаров после удара.

(ЗСИ)
m1 v1 + m2 v2 = m1 u1 + m2 u2

( ЗСЭмех)

В ЗСИ надо учитывать направления скоростей до удара. Значения и направления скоростей после удара получаются при решении приведенной выше системы двух уравнений.

Механика, Электричество и магнетизм, Колебания, Волны, Оптика, Квантовая механика, Твердое тело


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.