Вопрос 9:
9.Закон сохранения механической энергии
1)Механическая работа – это процесс и мера изменения энергии.
Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только посредством сил тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком: A = –(Eр2 – Eр1).
По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел. Следовательно А=Ек2-Ек1 или Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.
Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.
Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.
Пример применения закона сохранения энергии – нахождение минимальной прочности легкой нерастяжимой нити, удерживающей тело массой m при его вращении в вертикальной плоскости.
2) КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ
Р
ассмотрим
случай, когда на тело массой m
действует постоянная сила F̅
(она может быть равнодействующей
нескольких сил) и векторы силы F̅
и перемещения S̅
направлены вдоль одной прямой в одну
сторону. В этом случае работу силы можно
определить как A
= F∙s.
Модуль силы по второму закону Ньютона
равен F
= m∙a,
а модуль перемещения s
при равноускоренном прямолинейном
движении связан с модулями начальной
υ1
и конечной υ2
скорости и ускорения а выражением
Отсюда для работы получаем (1)
Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела.
Кинетическая энергия обозначается буквой Ek.
(2)
Тогда равенство (1) можно записать в таком виде:
A = Ek2 – Ek1. (3)
Теорема о кинетической энергии:
работа равнодействующей сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии тела.
Так как изменение кинетической энергии равно работе силы (3), кинетическая энергия тела выражается в тех же единицах, что и работа, т. е. в джоулях.
Если начальная скорость движения тела массой т равна нулю и тело увеличивает свою скорость до значения υ, то работа силы равна конечному значению кинетической энергии тела:
(4)
Физический смысл кинетической энергии:
кинетическая энергия тела, движущегося со скоростью υ, показывает, какую работу должна совершить сила, действующая на покоящееся тело, чтобы сообщить ему эту скорость.
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия тел.
Потенциальная энергия поднятого над Землей тела – это энергия взаимодействия тела и Земли гравитационными силами. Потенциальная энергия упруго деформированного тела – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.
Потенциальными называются силы, работа которых зависит только от начального и конечного положения движущейся материальной точки или тела и не зависит от формы траектории.
При замкнутой траектории работа потенциальной силы всегда равна нулю. К потенциальным силам относятся силы тяготения, силы упругости, электростатические силы и некоторые другие.
Физическую величину, равную произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией взаимодействия тела и Земли.
Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения и определяется только начальным и конечным положениями тела. Такие силы называются консервативными.
Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю.
Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.
Работа консервативной силы A1a2 = A1b2. Работа на замкнутой траектории A = A1a2 + A2b1 = A1a2 – A1b2 = 0
Если тело перемещается вблизи поверхности Земли, то на него действует постоянная по величине и направлению сила тяжести F̅=mg̅. Работа этой силы зависит только от вертикального перемещения тела. На любом участке пути работу силы тяжести можно записать в проекциях вектора перемещения Δs̅ на ось OY, направленную вертикально вверх: ΔA = Fт Δs cos α = –mgΔs y,
где Fт = Fтy = –mg – проекция силы тяжести, Δsy – проекция вектора перемещения. При подъеме тела вверх сила тяжести совершает отрицательную работу, так как Δsy > 0. Если тело переместилось из точки, расположенной на высоте h1, в точку, расположенную на высоте h2 от начала координатной оси OY, то сила тяжести совершила работу A = –mg (h2 – h1) = –(mgh2 – mgh1).
Эта работа равна изменению некоторой физической величины mgh, взятому с противоположным знаком. Эту физическую величину называют потенциальной энергией тела в поле силы тяжести Eр = mgh.
Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень.
Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.A = –(Eр2 – Eр1).
Потенциальная энергия Eр зависит от выбора нулевого уровня, т. е. от выбора начала координат оси OY. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение ΔEр = Eр2 – Eр1 при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.
Для сил всемирного тяготения потенциальную энергию удобно отсчитывать от бесконечно удаленной точки, т. е. полагать потенциальную энергию тела в бесконечно удаленной точке равной нулю. Формула, выражающая потенциальную энергию тела массой m на расстоянии r от центра Земли, имеет вид
где M – масса Земли, G – гравитационная постоянная.
Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.