Работа − это количественная характеристика процесса обмена энергией между взаимодействующими телами.
Если тело движется прямолинейно и на него действует постоянная сила, то работа этой силы равна скалярному произведению вектора силы на вектор перемещения:
Формула 3.1.1
где α − угол между направлением действия силы и направлением перемещения. Работа измеряется в [ Дж]. 1 Дж − это работа, совершаемая силой в 1 Н на пути в 1 м.
В случае переменной силы водится понятие элементарной работы dA, равной скалярному произведению вектора силы F и вектора элементарного перемещению dr
Формула 3.1.2
где Fs − проекция силы на касательную к траектории (рис. 3.1.1).
Работа, совершаемая силой на конечном участке пути 1 − 2, равна сумме элементарных работ на отдельных бесконечно малых участках пути (рис. 3.1.2). Она определяется интегралом, вычисленным вдоль участка 1−2 траектории:
Формула 3.1.3
Если изобразить график зависимости проекции силы на касательную к траектории от перемещения, то выражение (3.1.3) имеет смысл площади фигуры под кривой.
Для характеристики скорости работы существует мощность. Средняя мощность равна отношению работы к промежутку времени, в течение которого эта работа производится:
Формула 3.1.4
Мгновенная мощность, т. е. мощность в данный момент времени определяется как
Формула 3.1.5
т. е. равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется точка приложения этой силы.
За единицу мощности принимается мощность в 1 Вт, при которой в единицу времени 1 с совершается работа в 1 Дж.
Рассмотрим понятие кинетической энергии тела. Пусть тело массой m движется поступательно под действием некоторой силы F=m(dυ/dt) (или результирующей нескольких сил). Найдем элементарную работу, которую совершает эта сила на элементарном перемещении dr=υdt
Формула 3.2.1
Отсюда видно, что работа силы F идет на приращение некоторой величины (стоящей в скобках), которую называют кинетической энергией тела. Таким образом, кинетическая энергия − это энергия тела, обусловленная его механическим движением.
Для тела массой m двигающегося поступательно со скоростью υ кинетическая энергия определяется соотношением
Формула 3.2.2
Проинтегрировав выражение (3.2.1) от начальной до конечной скорости получим теорему об изменении кинетической энергии
Формула 3.2.2
т. е. приращение кинетической энергии тела на некотором перемещении равно работе результирующей всех сил, действующих на тело на том же перемещении.
Все силы в механике делятся на консервативные и неконсервативные силы.
В общем случае работа, определяемая выражением (3.1.3), зависит от траектории, которую описывает точка приложения силы. Однако существуют силы (тяготения, тяжести, упругости, электростатические и др., которые являются центральными), работа которых не зависит от формы траектории, а зависит только от начального и конечного положения движущейся точки. Такие силы называются консервативными, а их работа по замкнутому контуру равна нулю
Формула 3.3.1
Если работа силы зависит от формы траектории, которую описывает точка приложения силы, то такие силы называются неконсервативными, а их работа по замкнутому контуру не равна нулю
Формула 3.3.2
Среди неконсервативных сил выделяют диссипативные и гироскопические силы.
1) Диссипативные силы. К ним относятся, в частности, силы трения и силы сопротивления среды. Полная работа этих сил является отрицательной.
Формула 3.3.3
При наличии сил трения и сопротивления энергия механической системы уменьшается, переходя во внутреннюю энергию тел, что приводит к их нагреванию. Такой процесс называют диссипацией энергии, а силы называют диссипативными. Таким образом, сила называется диссипативной, если работа, совершаемая этой силой, зависит от траектории движения тела.
2) Гироскопические силы. Эти силы зависят от скорости движения материальной точки и действуют перпендикулярно к этой скорости. Работа таких сил всегда равна нулю, однако от консервативных сил они отличаются тем, что определяются не только положением точки, но и ее скоростью. Примером такой силы является сила Лоренца. Сила Лоренца − это сила, действующая на заряженную частицу q, движущуюся со скоростью υ, в магнитном поле индукции B
Формула 3.3.3
Важнейшей составной частью механической энергии является потенциальная энергия, которая определяется как часть общей механической энергии системы, зависящей от взаимного расположения материальных точек системы и их положения во внешнем силовом поле. Из определения следует, что потенциальная энергия системы не должна зависеть от того, каким образом данная конфигурация частиц системы возникла. Это значит, что понятие потенциальной энергии имеет смысл лишь в том случае, когда на материальные точки системы действуют только консервативные силы. Изменение потенциальной энергии системы должно определяться только работой консервативных сил. Другими словами, работа консервативных сил при переходе из состояния 1 в состояние 2 равна убыли потенциальной энергии
Формула 3.4.1
Таким образом, силовое поле консервативных сил является потенциальным полем.
Полем сил называют область пространства, в каждой точке которого на помещенную туда частицу действует сила, закономерно меняющаяся от точки к точке. Примером может служить поле силы тяжести Земли или поле сил сопротивления в потоке жидкости (газа). Если сила в каждой точке силового поля не зависит от времени, то такое поле называют стационарным. Ясно, что силовое поле, стационарное в одной системе отсчета, в другой системе может оказаться и нестационарным. В стационарном силовом поле сила зависит только от положения частицы.
Стационарное силовое поле, в котором работа силы поля на пути между двумя любыми точками не зависит от формы пути, а зависит только от положения этих точек, называется потенциальным, а силы, как уже было сказано выше − консервативными. Если это условие не выполняется, то силовое поле не является потенциальным. Силовое поле представляет собой особую форму существования материи, посредством которой осуществляются гравитационное, электромагнитное, ядерное и другие взаимодействия.
Взаимодействие в консервативной системе может быть описано с помощью потенциальной энергии либо с помощью сил взаимодействия точек системы. Поэтому между потенциальной энергией и силой, действующей на материальную точку, должна существовать определенная взаимосвязь. Потенциальная энергия системы является функцией координат П(x,y,z). Пусть силы, действующие на систему, выполнили элементарную работу
Формула 3.4.2
С другой стороны, используя уравнение (3.4.1)
Формула 3.4.3
Сравнивая выражения (3.4.2) и (3.4.3), получим выражения для проекций сил поля
Формула 3.4.4
Для вектора силы получаем следующее выражение
Формула 3.4.5
Смысл градиента станет нагляднее и яснее, если ввести понятие эквипотенциальной поверхности − поверхности, во всех точках которой потенциальная энергия П имеет одно и то же значение. Каждому значению П соответствует своя эквипотенциальная поверхность. Из формул (3.4.4) следует, что проекция вектора на любое направление, касательное к эквипотенциальной поверхности в данной точке, равна нулю. Это значит, что вектор нормален эквипотенциальной поверхности в данной точке. Далее, возьмем перемещение в сторону уменьшения П, тогда П < 0, и, согласно (3.4.4), проекция вектора силы меньше нуля, т. е. вектор направлен в сторону уменьшения П. Так как вектор F противоположен по направлению вектору grad П, то приходим к выводу, что градиент П − это вектор, направленный по нормали к эквипотенциальной поверхности в сторону возрастания потенциальной энергии П.
Рассмотрим более подробно понятие поля сил. Опыт показывает, что в случае гравитационных взаимодействий сила, действующая на тело (А) массой m со стороны окружающих тел (В), пропорциональна массе. Эта сила может быть представлена в виде произведения двух величии:
Формула 3.5.1
где G − некоторый вектор (для гравитационных сил вблизи поверхности Земли он совпадает с вектором ускорения свободного падения), зависящий как от положения тела (А) массой m, так и от свойств окружающих тел (В).
Такое представление силы открывает возможность иной физической интерпретации взаимодействия, связанной с понятием поля. В этом случае говорят, что система тел (В) окружающих тело массой m создает в окружающем пространстве поле, характеризуемое вектором G(r). Иначе можно сказать, что в каждой точке пространства система тел (В) является источником поля и создает такие условия, при которых тело массой m, помещенное в это поле, испытывает действие силы (3.5.1). Причем считают, что поле существует безотносительно к тому, есть ли в нем тело (А) или нет. При переходе к переменным полям выясняется, что понятие поля имеет глубокий физический смысл: поле есть физическая реальность.
Вектор G(r) называют напряженностью поля. Если поле образовано несколькими источниками, результирующее поле равно сумме полей, созданных каждым из них. Это утверждение является одним из важнейших свойств полей и напряженность G результирующего поля в произвольной точке
Формула 3.5.2
где Gi − напряженность поля соответствующего источника в этой же точке, N − число источников поля.
Формула (3.5.2) выражает так называемый принцип суперпозиции (или наложения) полей, который является отражением опытных фактов и дополняет законы механики.
Обратимся теперь к потенциальной энергии тела. Согласно формулам (3.4.1) и (3.5.1), можно записать
Формула 3.5.3
Поделим обе части этого уравнения на m
Формула 3.5.4
и обозначив П/m=φ, получим
Формула 3.5.5
или проинтегрировав
Формула 3.5.6
Введенная величина φ(r) называется потенциалом поля в точке с радиус-вектором r.
Формула (3.5.6) позволяет найти потенциал гравитационного поля. Для этого достаточно вычислить интеграл по произвольному пути между точками 1 и 2 и представить затем полученное выражение в виде убыли некоторой функции, которая и есть потенциал φ(r). Так, потенциал гравитационного ноля точечной массы m
Формула 3.5.7
Потенциал гравитационного поля является энергетической характеристикой поля. Потенциал поля тяготения − это скалярная величина, определяемая потенциальной энергией тела единичной массы в данной точке поля, или работой по перемещению единичной массы из данной точки поля в бесконечность.
В случае, когда поле создается многими источниками, то результирующий потенциал равен
Формула 3.5.8
где φ
Потенциал, как и потенциальная энергия, может быть определен только с точностью до прибавления некоторой произвольной постоянной, также совершенно несущественной. Поэтому ее обычно опускают, полагая равной нулю. Таким образом, поле можно описывать или в векторном виде G(r), или в скалярном φ(r). Оба способа эквивалентны.
Определим работу, совершаемую силами гравитационного поля Земли при перемещении в нем материальной точки массой m. При перемещении материальной точки на расстояние dS совершается работа
Формула 3.5.9
На некотором расстоянии r, согласно закону всемирного тяготения, на тело действует сила
Формула 3.5.10
Подставляя (3.5.10) в (3.5.9) и интегрируя в пределах от r1 до r2, получим
Формула 3.5.11
Знак «минус» появляется потому, что направления перемещения и силы противоположны. Из формулы (3.5.10) вытекает, что затраченная работа в поле тяготения не зависит от траектории перемещения, а определяется лишь начальным и конечным положением материальной точки. Следовательно, силы тяготения являются консервативными силами, а поле тяготения является потенциальным. Сравнивая (3.5.11) с (3.4.1) получим, что потенциальная энергия в поле тяготения Земли равна
Формула 3.5.11
Пусть на материальные точки системы действуют только консервативные силы. Тогда при переходе системы из одного состояния работа консервативных сил равна
Формула 3.6.1
Из (3.6.1) получаем, что
Формула 3.6.2
Величину E=K+П называют полной механической энергией системы.
Из соотношения (3.6.2) следует закон сохранения полной механической энергии: полная механическая энергия системы, на материальные точки которой действуют только консервативные силы, с течением времени не изменяется:
Формула 3.6.3
Если на систему действуют помимо консервативных сил еще и неконсервативные силы то
Формула 3.6.4
а работа консервативных сил равна
Формула 3.6.5
Тогда с учетом формулы (3.6.5), выражение (3.6.4) примет следующий вид
Формула 3.6.6
В этом случае изменение полной механической энергии системы равно работе неконсервативных сил.
Формула 3.6.7
Таким образом, в системе, в которой кроме консервативных сил, действуют также неконсервативные силы, полная механическая энергия системы не сохраняется, и закон сохранения механической энергии не выполняется. Но всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида взамен механической энергии, т. е. выполняется фундаментальный закон сохранения и превращения энергии. Энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой.
