Энергия и работа

Энергия и работа. Энергия - это запас работы системы. Энергия является общей количественной мерой движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия не исчезает и не возникает из ничего, она может лишь переходить из одной формы в другую. Понятие энергии связывает воедино все явления природы.

В соответствии с различными формами движения материи рассматривают различные виды энергии механическую, внутреннюю, электромагнитную, ядерную и др. Механическая энергия бывает двух видов кинетическая и потенциальная. Кинетическая энергия или энергия движения определяется массами и скоростями рассматриваемых тел. Потенциальная энергия или энергия положения зависит от взаимного расположения от конфигурации взаимодействующих друг с другом тел. Работа определяется как скалярное произведение векторов силы и перемещения.

Скалярным произведением двух векторов называется скаляр равный произведению модулей этих векторов и косинус угла между ними. Понятия энергии и работы тесно связаны друг с другом. Кинетическая энергия частицы 4 Приняв во внимание, что произведение mV равно модулю импульса частицы р, выражению 4 можно придать вид Если сила F , действующая на частицу, не равна нулю, кинетическая энергия получит за время dt приращение 5 где ds - перемещение частицы за время dt. Величина называется работой, совершаемой силой F на пути ds ds - модуль перемещения ds. Из 5 следует, что работа характеризует изменение кинетической энергии, обусловленное действием силы на движущуюся частицу Если dA Fds, а , то . 6 Проинтегрируем обе части равенства 6 вдоль траектории частицы от точки 1 до точки 2 . Левая часть полученного равенства представляет собой приращение кинетической энергии частицы. Правая часть есть работа А12 силы F на пути 1-2 Таким образом, мы пришли к соотношению , 7 из которого следует, что работа результирующей всех сил, действующих на частицу, идет на приращение кинетической энергии частицы.

Консервативные силы Силы, работа которых не зависит от пути, по которому двигалась частица, а зависит лишь от начального и конечного положений частицы, называются консервативными.

Легко показать, что работа сил на любом замкнутом пути равна нулю. Разобьем произвольный замкнутый путь рис.1 точками 1 и 2 взятыми также произвольно на два участка, обозначенных римскими цифрами I и II. Работа на замкнутом пути слагается из работ, совершаемых на этих участках 8 Рис.1 Изменение направления движения по участку II на обратное сопровождается заменой всех элементарных перемещений ds на -ds, вследствие чего изменяет знак на обратный.

Отсюда заключаем, что. Произведя замену в 8, получим, что Вследствие независимости работы от пути последнее выражение равно нулю. Таким образом, консервативные силы можно определить как силы, работа которых на любом замкнутом пути равна нулю. Потенциальная энергия Эта энергия определяется положением тела высотой на которое оно поднято. Поэтому она называется энергией положения.

Чаще ее называют потенциальной энергией. Ep mgh, где h отсчитывается от произвольного уровня. В отличие от кинетической энергии, которая всегда положительна, потенциальная энергия может быть как положительной, так и отрицательной. Пусть частица движется в поле консервативных сил. При переходе из точки 1 в точку 2 над ней совершается работа A12 Ep1-Ep2 . 9 В соответствии с формулой 7 эта работа равна приращению кинетической энергии частицы.

Приняв оба выражения для работы, получим соотношение, из которого следует, что . 10 Величина E, равная сумме кинетической и потенциальной энергий, называется полной механической энергией частицы. Формула 10 означает, что E1E2, т.е. что полная энергия частицы, движущейся в поле консервативных сил. Остается постоянной.

Это утверждение выражает закон сохранения механической энергии для системы, состоящей из одной частицы. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ Рассмотрим систему, состоящую из N взаимодействующих друг с другом частиц, находящихся под воздействием внешних как консервативных, так и неконсервативных сил. Силы взаимодействия между частицами предполагаются консервативными. Определим работу, совершаемую над частицами при перемещении системы из одного места в другое, сопровождающимся изменением конфигурации системы.

Работа внешних консервативных сил может быть представлена как убыль потенциальной энергии системы во внешнем силовом поле где определяется формулой 9. Работа внутренних сил равна убыли взаимной потенциальной энергии частиц, где - потенциальная энергия системы во внешнем поле сил. Работу неконсервативных сил обозначим. Согласно формуле 7 суммарная работа всех сил затрачивается на приращение кинетической энергии системы Ek, которая равна сумме кинетических энергий частиц Следовательно Сгруппируем члены этого соотношения следующим образом. Сумма кинетической и потенциальной энергий представляет собой полную механическую энергию системы E . Таким образом, мы установили, что работа неконсервативных сил равна приращению полной энергии системы 11 Из 11 следует, что в случае, когда неконсервативные силы отсутствуют, полная механическая энергия системы остается постоянной. Мы пришли к закону сохранения механической энергии, который гласит, что полная механическая энергия системы материальных точек, находящихся под действием только консервативных сил, остается постоянной.

Если система замкнута и силы взаимодействия между частицами консервативны, то полная энергия содержит только два слагаемых - взаимная потенциальная энергия частиц.

В этом случае закон сохранения механической энергии заключается в утверждении, что полная механическая энергия замкнутой системы материальных точек, между которыми действуют только консервативные силы, остается постоянной.

В основе закона сохранения энергии лежит однородность времени, т.е. равнозначность всех моментов времени, заключающаяся в том, что замена момента времени t1 моментом времени t2 без изменения значений координат и скоростей тел не изменяет механических свойств системы. Поведение системы, начиная с момента t2, будет таким же, каким оно было бы, начиная с момента t1. Закон сохранения энергии имеет всеобщий характер. Он применим ко всем без исключения процессам, происходящим в природе.

Полное количество энергии в изолированной системе тел и полей всегда остается постоянным энергия лишь может переходить из одной формы в другую. Этот факт является проявлением неуничтожаемости материи и ее движения. ЗАКОН СОХРАНЕИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА Моментом импульса материальной точки частицы относительно точки О называется векторная величина 12 где r - радиус-вектор, определяющий положение частицы относительно точки О, а pmV импульс частицы. Модуль этой величины, равный rpsin, можно представить в виде произведения плеча импульса на модуль вектора p L p. Плечом импульса называется длина перпендикуляра, опущенного из точки О на прямую, вдоль которой направлен импульс частицы.

Частица обладает моментом импульса, независимо от формы траектории, по которой она движется. Рассмотрим два частных случая. 1. Частица движется вдоль прямолинейной траектории рис.2. Модуль момента импульса LmV может изменяться только за счет изменения модуля скорости. Рис.2 Рис.3 2.Частица движется по окружности радиуса r рис.3. Модуль момента импульса относительно центра окружности равен LmVr и так же, как в предыдущем случае, может изменяться только за счет изменения модуля скорости. Несмотря на непрерывное изменение направления вектора p, направление вектора L остается постоянным.

Проекция вектора L на произвольную ось z, проходящую через точку О, называется моментом импульса частицы относительно этой оси. Псевдовектор MrF Называется моментом силы F относительно точки О, из которой проводится радиус-вектор r точки