Страница: 13/16
12. Поля консервативных сил. Потенциальная энергии . 13. З-н сохранения механической энергии. Кроме кин. энергии есть еще потенциальная эн-я, для кот. не сущ-вует общей формулы. Это понятие можно ввести лишь для огранич. класа сил - для консервативных сил. Это силы, работа кот. по замкнутой траектории =а нулю. Существует другое определение консервативных сил. Консервативными силами называются такие силы, работа в поле кот. не зависит от траектории и опр-ся только начальным и конечным положением системы. Нетрудно показать, что эти определения равнозначны. Действительно, if работа не зависит от траектории, то при обратном движении вдоль траектории она будет такая же, но с обратным знаком. Просуммировав движение по замкнутой траектории, состоящей из 2х кривых, получаем в сумме 0. Консервативные силы, как правило, зависят только от положения тела, а неконсервативные - от его скор Рассмотрим примеры полей консервативных и неконсервативных сил. Силы трения или сопротивления явл. неконсервативными. Их направл. опр-ся скор-тью перемещения тел. Силы трения всегда направлены в сторону, противоположную направл. движения, т.е.: F(вектор)тр=-(v(вектор)/v)Fтр. Здесь v(вектор)/v - единичный вектор, направленный вдоль скор. тела. Работа силы трения по замкнутой траектории l =а: A(l)= 'интеграл c кружком от (l)'(-Fтр((v(вектор)/v)dr(вектор)))= -'интеграл от t1 до t2'(Fтр((v(вектор)/v)dr(вектор)/dt)dt)= -'интеграл от t1 до t2'(Fтр((v(вектор)v(вектор))/v)dt)= -'интеграл от t1 до t2'(Fтр*vdt)=- 'интеграл c кружком от (l)'(Fтр*dl). Кружок у интеграла - интегрирование по замкнутой траектории. Последнее подынтегральное выражение скалярное, оно всегда положительно, след., работа силы трения на замкнутой траектории всегда отрицательна. Эта работа тем больше по модулю, чем длинее путь. Вывод: силы трения - неконсервативные силы. Примером поля консервативных сил явл. поле тяготения вблизи пов-ти Земли. Работа, кот. затрачивается на перемещение тела из положения r1 в полож. r2 =а: A12='интеграл от r1 до r2'(mg(вектор)dr(вектор))='интеграл от r1 до r2'(mg dr(g))=-mg'интеграл от h1 до h2'(dh)=mg(h1-h2). Из этой формулы видно, что работа силы тяжести зависит от величины этой силы и от разности начальной и конечной высот тела. Никакой зависим. от формы траектории нет, а знчит, сила тяжести консервативна. Также просто можно доказать, что консервативными явл. силы, создающие однородное поле. Поле сил наз. однородным, if в люб. точке этого поля сила, действующая на тело одинакова по величине и направл Консервативными явл. также поля центральных сил. Центральными называются силы, направленные вдоль линии взаимдейст. тел, величина кот. зависит только от расстояния между телами. Такому условию удовлетворяют, например, кулоновские силы и силы тяготения. В поле консервативных сил можно ввести еще 1 вид механической энергии - потенциальную энергию. Прежде чем ее вводить, выбирают тчку, в кот. она =а нулю. Потенциальная эн-я тела в люб. точке прост-ва опр-ся работой, кот. нужно совершить, чтобы переместить тело из этой тчки в тчку с нулевой пот. энергией. Отметим 2 существенных момента, вытекающих из этого определения. Во-перв., поскольку расм-ется поле консервативных сил, знач. пот. энергии тела зависит от положения тела и выбора тчки нулевой пот. энергии и не зависит от формы пути, по кот тело перемещается. Во-вторых, поскольку выбор нуля пот. энергии произволен, знач. пот. энергии опр-ся с точностью до аддитивной пост., след. физ. смысл имеет лишь разность потенциальных энергий или приращение пот. энергии, но не сама эн-я. На рис.11.3 мы представили 3 тчки в прост-ве поля консервативных сил: тчку (b), тчку (с) и тчку (о), потенциальную энергию в кот. будем считать =ой 0. Обозначим через Abo работу, кот. совершается при переносе тела из тчки (b) в тчку (o). If перемещать тело из тчки (o) в тчку (b), то совершаемая при этом работа будет =а Aob=-Abo, поскольку меняется направл. движения, но не меняются действующие на тело силы. Работу по перемещению тела из тчки (c) в тчку (o) будем обозначать, как Асo. Точно также Асо=-Аос. При перемещении тела из тчки (b) в тчку (c) совершается работа Abc=-Acb. Согласно определению пот. энергии и формуле (11.3) для вычисления работы имеем: Eп(b)=A(b0)= 'интеграл от b до 0'(F(вектор)dr(вектор)); Eп(с)=A(с0)= 'интеграл от с до 0'(F(вектор)dr(вектор)); (11.8). Eп(b)- Eп(c)= 'интеграл от b до 0'(F(вектор)dr(вектор))- 'интеграл от с до 0'(F(вектор)dr(вектор))= 'интеграл от b до 0'(F(вектор)dr(вектор))+ 'интеграл от 0 до c'(F(вектор)dr(вектор))= 'интеграл от b до c'(F(вектор)dr(вектор))=A(bc) (11.9) Оказалось доказанным следующее утв.: работа, совершаемая при перемещении тела в поле консервативных сил из тчки (b) в тчку (c), =а разности потенциальных энергий тела в точках (b) и (c). Однако, эта же работа =а разности кинетических энергий в точке (с) и (b). A(bc)=Eк(b)-Eк(с)=Eп(с)-Eп(b) => Eк(b)+Eп(b)=Eк(с)+Eп(с) (11.10) Получилось, что сумма кин. и пот. энергии тела, кот. наз. полной механической энергией тела, оказалась неизменной. Тоже самое справедливо и для системы механических тел. Получившееся утв. носит наз. з-на сохранения механической энергии: полная механическая эн-я изолированной системы в кот. действуют консервативные силы остается неизменной. Между консервативными силами и пот. энергией должна быть связь, поскольку потенциальная эн-я вводится только в поле консервативных сил. Найдем эту связь для простейшего случая, когда потенциальная эн-я зависит только от 1ой координаты. Примером может служит потенциальная эн-я вблизи пов-ти Земли, к нему и обратимся. Пусть ось (oy) направлена вертикально вверх и имеет ноль на пов-ти Земли. Тогда потенциальная эн-я зависит только от координаты y и =а: Eп=mgy. Возьмем частную производную по координате y от левой и правой частей =ства: dEп/dy=mg. Справа стоит сила тяжести, кот. направлена вверх, т.е. против оси (oy). По-видимому, производной, стоящей в левой части =ства тоже можно приписать направл.; ее проекция на ось (oy) будет =а (dEп/dy)'subscript y'=-mg=-F'subscript y'. В случае, когда действующая сила имеет проекции на все координатные оси, можно записать аналогичные выражения и для проекций на друг. оси. Fx=-dEп/dx; Fy=-dEп/dy; Fz=-dEп/dz (11.11) Для силы, таким обрзом, справедливо выражение: F(вектор)=-(e(вектор)x(dEп/dx)+ e(вектор)y(dEп/dy)+ (вектор)z(dEп/dz))=-( e(вектор)x(d/dx)+e(вектор)y(d/dy)+e(вектор)z(d/dz))Eп= -grad Eп (11.12). Градиент пот. энергии. Отметим некоторые св-ва этого вектора. Особенность его сост. в том, что вдоль координатных осей нужно откладывать не числа, а математические операции дифференцирования по соответствующей координате. За градиентом обязательно должна стоять скалярная ф-я, к кот. он применяется. Градиент пот. энергии имеет направл., в кот. потенциальная эн-я увеличивается быстрее всего, и величину, равную скор. этого увеличения, if двигаться в этом направлении. Из сказанного след., что силы поля заставляют тело двигаться в направлении минимума пот. энергии. Все ественые процесы стремятся привести систему к минимуму пот. энергии. Этот вывод справедлив не только для механики, но и для других разделов физики и естествознания.
Реферат опубликован: 31/08/2007