149539 (Испытание материалов на прочность при ударе), страница 2

Число видимых кубиков + ( Масса коробки – 50 г ) / 100 г

• опять 28 . Какое-то время все идет гладко , но потом сумма опять не сходится . Тут она замечает , что в раковине изменился уровень грязной воды . Она знает , что если кубиков в воде нет , то глубина ее равна 15 см , а если положить туда один кубик , то уровень повысится на 0,5 см .

Число видимых кубиков + ( масса коробки – 50 г ) / 100 г + ( уровень воды – 15 см ) / 0,5 см

и снова получается 28 .

Мы установили , что для закона сохранения энергии у нас есть схема с целым набором правил . Согласно каждому из этих правил , мы можем вычислить значение для каждого из видов энергии . Если мы сложим все значения , соответствующие разным видам энергии , то сумма их всегда будет одинаковой .

Взаимосвязь потенциальной и кинетической энергий. Рассмотрим один примеров применения закона сохранения энергии . Мы знаем , что W=W_к + W_п . Рассмотрим так называемые “американские горы” в разрезе . Допустим , что тележка начинает свое движение с высоты h над уровнем Земли . По своему опыту мы знаем , что скорость тележки наибольшая в “долинах” и наименьшая на “горах” . Это объясняется взаимным превращением потенциальной и кинетической энергий . Поскольку потенциальная энергия в любой точке пропорциональна высоте этой точке над уровнем отсчета ( или Земли ) , разрез гор можно превратить прямо в диаграмму потенциальной энергии. Пользуясь этим графиком , мы можем узнать значение W_пот в любой точке пути тележки .

Положение S=S₁=0 соответствует точке старта , где W_пот( S₁ ) = mgh₁ и W_кин( S₁ ) = 0 . В результате полная энергия W в точке S=S₁ равна W=W_пот( S₁ ) + W_кин( S₁ ) = mgh₁ . Если пренебрегать потерями энергии на трение , то , согласно закону сохранения энергии , полная энергия в любой другой точке тоже должна быть равна mgh₁ . В точке S= S₂, где тележка находится на высоте h₂ , потенциальная энергия равна W_пот( S₂ ) = mgh₂ и кинетическая энергия должна быть равна разности между W и W_пот ( S₂ ) , т.е.

W_кин( S₂ ) =W–W_пот( S₂ )= mg( h1 – h2 ) .

Таким образом , можно построить график кинетической энергии , которая представляет собой расстояние от прямой , изображающей полную энергию до кривой потенциальной энергии .

Всеобщий характер закона сохранения энергии. Выходит , все рассматриваемые нами случаи имели одну весомую оговорку : не учитывалась сила трения . Но когда на тело действует сила трения ( сама по себе или вместе с другими силами ) , закон сохранения механической энергии нарушается : кинетическая энергия уменьшается , а потенциальная взамен не появляется . Полная механическая энергия уменьшается . Но при этом всегда растет внутренняя энергия . С развитием физики обнаруживались все новые виды внутренней энергии тел : была обнаружена световая энергия , энергия электромагнитных волн , химическая энергия , проявляющаяся при химических реакциях ; наконец , была открыта ядерная энергия . Оказалось , что если над телом произведена некоторая работа , то его суммарная энергия настолько же убывает . Для всех видов энергии оказалось , что возможен переход энергии из одного вида в другой , переход энергии от одного тела к другому , но что и при всех таких переходах общее количество энергии всех видов , включая и механическую и все виды внутренней энергии , остается все время строго постоянным . В этом заключается всеобщность закона сохранения энергии .

Хотя общее количество энергии остается постоянным , количество полезной для нас энергии может уменьшаться и в действительности постоянно уменьшается . Переход энергии в другую форму может означать переход ее в бесполезную для нас форму . В механике чаще всего это – нагревание окружающей среды , трущихся поверхностей и т.п. Такие потери не только невыгодны , но даже вредно отзываются на самих механизмах ; так , во избежание перегревания приходится специально охлаждать трущиеся части механизмов .

Наиболее важный физический принцип. Любой физический закон имеет ценность лишь постольку , поскольку он позволяет проникнуть в тайны природы . С этой точки зрения закон сохранения энергии , конечно , самый важный закон в науке . Вместе с законом сохранения импульса рассмотрение баланса энергии в радиоактивном  -распаде привело к постулированию существования нейтрино – одной из наиболее интересных фундаментальных частиц . используя закон сохранения энергии , мы смогли глубоко проникнуть в сущность сложнейших процессов , протекающих в биологических системах .Несмотря на чрезвычайную трудность проведения точных физических измерений на живых организмах , при изучении процессов обмена веществ в малых организмах удалось подтвердить справедливость закона сохранения энергии с точностью 0,2 % .

Многие явления природы задают нам интересные загадки в связи с энергией . Не так давно были открыты объекты , названные квазарами ( quasar – сокращение от quasi star – “будто бы звезда” . ) Они находятся на громадных расстояниях от нас и излучают в виде света и радиоволн так много энергии , что возникает вопрос , откуда она берется . Если энергия сохраняется , то состояние квазара после того , как он излучил такое чудовищное количество энергии , должно отличаться от первоначального . Вопрос в том , является ли источником энергии гравитация - не произошел ли гравитационный коллапс квазара , переход в иное гравитационное состояние ? Или это мощное излучение вызвано ядерной энергией ? Никто не знает . Вы скажете : “А может быть , закон сохранения энергии несправедлив ?” Нет , когда явление исследовано так мало , как квазар ( квазары настолько далеки , что астрономам нелегко их увидеть ) , и как будто бы противоречит основным законам основным законам , обычно оказывается , что не закон ошибочен , а просто мы недостаточно знаем явление .

Другой интересный пример использования закона сохранения энергии- реакция распада нейтрона на протон , электрон и антинейтрино . Сначала думали , что нейтрон превращается в протон и электрон . Но когда измерили энергию всех частиц , оказалось , что энергия протона и электрона меньше энергии нейтрона . Возможны были два объяснения . Во–первых , мог быть неправильным закон сохранения энергии . Бор предположил , что закон сохранения выполняется только в среднем , статистически . Но теперь выяснилось , что правильно другое объяснение : энергии не совпадают потому , что при реакциях возникает еще какая –то частица – частица , которую мы называем теперь антинейтрино . Антинейтрино уносит с собой часть энергии . Вы скажете , что антинейтрино , мол , только для того и придумали , чтобы спасти закон сохранения энергии . Но оно спасает и многие другие законы , например закон сохранения количества движения , а совсем недавно мы получили прямые доказательства , что нейтрино действительно существует .

Этот пример очень показателен . Почему же мы можем распространять наши законы на области , подробно не изученные ? Почему мы так уверены , что какое-то новое явление подчиняется закону сохранения энергии , если проверяли закон только на известных явлениях ? Время от времени вы читаете в журналах , что физики убедились в ошибочности одного из своих любимых законов . Так , может быть , не нужно говорить , что закон выполняется там , куда вы еще не заглядывали , вы ничего не узнаете . Если вы принимаете только те законы , которые относятся уже к проделанным опытам , вы не сможете сделать никаких предсказаний . А ведь единственная польза от науки в том , что она позволяет заглядывать вперед , строить догадки . Поэтому мы вечно ходим , вытянув шею . А что касается энергии , она , вероятнее всего , сохраняется и в других местах .

Теория удара .

Поскольку моя работа имеет отношение к действию закона сохранения энергии при ударе , рассмотрим теорию удара .

Явление удара . Движение твердого тела , происходящее под действием обычных сил , характеризуется непрерывным изменением модулей и направлений скоростей его точек . Однако встречаются случаи , когда скорости точек тела , а следовательно , и количество движения твердого тела , за ничтожно малый промежуток времени получают конечные изменения .

Явление , при котором за ничтожно малый промежуток времени скорости точек тела изменяются на конечную величину , называется ударом .

Примерами этого явления могут служить : удар мяча о стену , удар кия и биллиардный шар , удар молота о болванку , лежащую на наковальне , бабы копра о сваю и ряд других случаев .

Конечное изменение количества движения твердого тела или материальной точки за ничтожно малый промежуток времени удара происходит потому , что модули сил , которые развиваются при ударе , весьма велики , вследствие чего импульсы этих сил за время удара являются конечными величинами . Такие силы называются мгновенными или ударными .

Действие ударной силы н материальную точку . Рассмотрим материальную точку М , движущуюся под действием приложенных к ней сил . Равнодействующую этих сил ( конечной величины ) обозначим Р_к . Предположим , что в некоторый момент t₁ на точку М , занимавшую положение В дополнительно начала действовать ударная сила Р , прекратившая свое действие в момент t₂= t₁ + τ , где τ - время удара .

Определим изменение количества движения материальной точки за промежуток времени τ. Обозначим S и S₁ импульсы сил Р и Р_к, действовавшие на точку за время τ .

По теореме изменения количества движения материальной точки

mυ₂ – mυ₁ = S + S_к ( 1 )

Импульс S_к силы Р_к за ничтожно малый промежуток времени τ будет величиной того же порядка малости, что и τ. Импульс же S ударной силы Р за это время является величиной конечной. Поэтому импульсом S_к ( по сравнению с импульсом S ) можно пренебречь . Тогда уравнение ( 1 ) примет вид

mυ₂ – mυ₁ = S ( 2 )

или

υ₂ – υ₁ = S/m ( 3 )

Уравнение ( 3 ) показывает , что скорость υ₂ отличается от скорости

υ₁ на конечную величину S / m . Ввиду того , что продолжительность удара τ ничтожно мала , а скорость точки за время удара мала и им можно пренебречь .

В положении В точка получает конечное изменение скорости от υ₁ до υ₂ . Поэтому в положении В , где действовала ударная сила , происходит резкое изменение траектории точки АВD . После прекращения действия ударной силы точка движется снова под действием равнодействующей Р_к ( на участке ВD ) .

Таким образом , можно сделать следующие выводы о действии ударной силы на материальную точку :

1. действием не мгновенных сил за время удара можно пренебречь .

2. перемещение материальной точки за время удара можно не учитывать .

3. результат действия ударной силы на материальную точку выражается в конечном изменении за время удара вектора ее скорости , определяемом уравнением ( 3 ) .

Практическая часть.

Испытание прочности

древесины на удар .

При испытании материалов на удар используется закон сохранения механической энергии . Само испытание основано на том , что работа , нужная для разрушения материала , равна изменению потенциальной энергии падающего на образец тяжелого маятника . Испытательные устройства , которые служат для этого называют вертикальными маятниковыми копрами .

Для демонстрации испытания прочности образца при ударе собирают установку: в верхней части двух штативов закрепляют зажимы, в углублениях, на которых кладут металлическую трубку с отверстиями посередине. В них плотно вставляют металлический стержень для маятника. На нижний конец стержня насаживают диск массой 1,9 кг. На трубку надевают деревянную рамку так , чтобы она могла поворачиваться вокруг горизонтальной оси с некоторым трением .

Между штативами помещают испытуемый образец – деревянный брусок , вырезанный поперек волокон и сильно отклоняют маятник ( измерительной линейкой определяя высоту его поднятия ) и отпускают . Брусок ломается , а маятник после удара поднимается на некоторую высоту , поварачивая рамку . Заметив положение рамки можно определить высоту поднятия маятника после удара . Разность потенциальных энергий маятника до и после удара дает работу , которая затрачена на разрушение материала . Чтобы определить ударную вязкость надо эту работу разделить на площадь поперечного сечения испытуемого образца . При этом прочность на удар во многом зависит от температуры , влажности и некоторых других условий .