Часть1(Физические основы механики.Колебания) (Лекции по физике), страница 4

О

. (7)

С

Рис. 3

ледовательно, работа консервативных сил равна разности значений функции W_n в начальной и конечной точках пути, т.е. убыли потенциальной энергии.

Потенциальная энергия определяется с точностью до постоянной. Однако, это не имеет существенного значения, поскольку во все физические соотношения входит либо разность значений потенциальной энергии, либо ее производная по координатам.

4.4. Потенциальная энергия системы материальных точек

Рассмотрим систему, состоящую из многих материальных точек. Если задано положение каждой материальной точки, то этим определено и положение всей системы или ее конфигурация. Если силы, действующие на материальные точки системы, зависят только от конфигурации системы (т.е. только от координат материальных точек) и сумма работ этих сил при перемещении системы из одного положения в другое не зависит от пути перехода, а определяется только начальной и конечной конфигурациями системы, то такие силы называются консервативными. В этом случае для системы материальных точек также можно ввести понятие потенциальной энергии системы, обладающей свойством (7): , (8)

где - полная работа консервативных сил, действующих на материальные точки системы при переходе ее из конфигурации 1 в конфигурацию 2; и - значения потенциальной энергии системы в этих конфигурациях.

Связь между силой, действующей на тело в данной точке поля, и его потенциальной энергией определяется по следующим формулам:

(9)

или , (10)

где – называется градиентом скалярной функции ; – единичные векторы координатных осей;

. (11)

Часто формулу (9) записывают также в виде , где – оператор набла, определяемый по формуле (11).

4.5. П Р И М Е Р Ы

4.5.1. Потенциальная энергия растянутой пружины

Обозначим через х растяжение пружины, т.е. разность длин пружины в деформированном и недеформированном состояниях.

При возвращении пружины из деформированного состояния в недеформированное сила совершает работу.

. (12)

Таким образом, потенциальная энергия упруго деформированной пружины

. (13)

4.5.2. Потенциальная энергия гравитационного притяжения двух материальных точек

На рис. 5 изображены две материальные точки массы m₁ и m₂. Положение их характеризуется радиусами-векторами и соответственно. Элементарная работа, совершаемая силами гравитационного притяжения этих точек , где – сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй, а – сила, действующая на вторую м атериальную точку со стороны первой; согласно 3-му закону Ньютона =- ; и – элементарные перемещения материальных точек. С учетом этого , где . Учитывая, что и противоположно направлены и что величина , находим . Полная работа

, (14)

где R₁ и R₂ – начальное и конечное расстояние между материальными точками.

Эта работа равна изменению потенциальной энергии A=W_n1 -W_n2. Учитывая (14), находим, что потенциальная энергия гравитационного притяжения двух материальных точек

или (15)

где R или r – расстояние между материальными точками.

4.5.3. Потенциальная энергия тела в однородном поле силы тяжести Земли

Формула (15) справедлива также для однородных сферических тел; в этом случае r – расстояние между центрами масс таких тел. В частности, потенциальная энергия тела массы т, находящегося в поле гравитации Земли, масса которой М,

(16)

Изменение потенциальной энергии тела массы m, поднятого с поверхности Земли (r = R, где R – радиус Земли) на высоту h (r = R + h), согласно (16), равно:

(17)

Если h<<R, то в знаменателе формулы (17) можно пренебречь слагаемым h и она перейдет в известную формулу

или , (18)

если потенциальную энергию на поверхности Земли принять равной нулю, где – ускорение силы тяжести на поверхности Земли. Таким образом, формула (18) была получена в предположении, что сила тяжести (и ускорение силы тяжести) не изменяются с высотой h, т.е. поле силы тяжести Земли однородно. Поэтому формула (18) является приближенной формулой, в отличие от строгой формулы (16).

Л Е К Ц И Я № 5 . К И Н Е Т И Ч Е С К А Я Э Н Е Р Г И Я,

З А К О Н С О Х Р А Н Е Н И Я Э Н Е Р Г И И

5.1. Кинетическая энергия

Напишем уравнение движения материальной точки (частицы) массы m, движущейся под действием сил, результирующая которых равна : .

Умножим скалярно правую и левую часть этого равенства на элементарное перемещение точки , тогда

. (1)

Так как , то легко показать, что Используя последнее равенство и то обстоятельство, что масса материальной точки постоянная величина, преобразуем (1) к виду .

Проинтегрировав части этого равенства вдоль траектории частицы от точки 1 до точки 2, имеем:

.

Согласно определению первообразной и формуле (4.3) для работы переменной силы, получим соотношение: .

Величина

(2)

называется кинетической энергией материальной точки.

Таким образом мы приходим к формуле

, (3)

из которой следует, что работа результирующей всех сил, действующих на материальную точку, расходуется на приращение кинетической энергии этой частицы.

Полученный результат без труда обобщается на случай произвольной системы материальных точек.

Кинетической энергией системы называется сумма кинетических энергий материальных точек, из которых эта система состоит или на которые ее можно мысленно разделить: .

Напишем соотношение (3) для каждой материальной точки системы, а затем все такие соотношения сложим. В результате снова получим формулу, аналогичную (3), но для системы материальных точек.

, (4)

где и – кинетические энергии системы, а под необходимо понимать сумму работ всех сил, действующих на материальные точки системы.

Таким образом мы доказали теорему (4): работа всех сил, действующих на систему материальных точек, равна приращению кинетической энергии этой системы.

5.2. Закон сохранения энергии в механике

Рассмотрим систему из n материальных точек, на которые действуют как консервативные так и неконсервативные силы. Найдем работу, которую совершают эти силы при перемещении системы из одной конфигурации в другую. Работа консервативных сил может быть представлена как убыль потенциальной энергии системы [(см. 4.8)]:

.

Работу неконсервативных сил обозначим посредством А*. Согласно (4) суммарная работа всех сил затрачивается на приращение кинетической энергии системы , следовательно, или

.

Сумма кинетической и потенциальной энергии представляет собой полную механическую энергию Е системы:

. (5)

Таким образом

. (6)

Очевидно, что если неконсервативные силы в системе отсутствуют, т.е. , то ее полная механическая энергия остается постоянной (сохраняется) т.е. Е = const. Эту теорему называют законом сохранения механической энергии, он утверждает: полная механическая энергия системы материальных точек, находящихся под действием консервативных сил остается постоянной.

В такой системе могут происходить лишь превращения потенциальной энергии в кинетическую и обратно, но полный запас энергии системы измениться не может. При наличии неконсервативных сил (например, сил трения, сил сопротивления...) механическая энергия системы не сохраняется, она уменьшается, что приводит к ее нагреванию. Такой процесс называется диссипацией (рассеянием) энергии. Силы, приводящие к диссипации энергии, называются диссипативными.

5.3. Упругое и неупругое соударения

При соударении тел они в большей либо меньшей мере деформируются. При этом кинетическая энергия тел частично или полностью переходит в потенциальную энергию упругой деформации и во внутреннюю энергию тел. Увеличение внутренней энергии приводит к нагреванию тел.

Ограничимся рассмотрением центрального удара двух шаров, при котором шары движутся вдоль прямой, проходящей через их центры. На рис. 1 изображены два возможных случая центрального удара.

Р ассмотрим два предельных вида соударения – абсолютно неупругий и абсолютно упругий удары.

5.3.1. Абсолютно неупругий удар

Интересным примером, где имеет место потеря механической энергии под действием диссипативных сил, является абсолютно неупругий удар, при котором потенциальная энергия упругой деформации не возникает; кинетическая энергия тел частично или полностью превращается во внутреннюю энергию. После такого удара тела движутся с одинаковыми скоростями (т.е. как одно тело) либо покоятся.