4 Работа, мощность, энергия

Изменение механического движения тела вызывается силами, действующими на него со стороны других тел. Чтобы количественно характеризовать процесс обмена энергией между взаимодействующими телами, в механике вводится понятие работы силы.

Механическая работа - это скалярная величина, равная скалярному произведению вектора силы на вектор перемещения точки

Работа переменной силы на пути S

(3.6)

В частном случае постоянной силы, действующей под неизменным углом  к перемещению,

(3.7)

В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Работа может быть положительной (α›π/2) и отрицательной (α‹π/2). Работа силы, перпендикулярной перемещению (например, силы притяжения Земли к Солнцу), равна нулю.

Мощностью называется величина, определяемая работой, совершаемой

в единицу времени:

(3.8)

В случае постоянной мощности

N = А/t, (3.9)

где А  работа, совершаемая за время t. В системе СИ мощность измеряется в ваттах (Вт).

Энергия – это единая количественная мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи. Под движением в широком смысле слова понимают любое изменение материи. Различным формам движения соответствуют разные формы энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная и т.д. Внутренней (тепловой) энергией называется сумма кинетической энергии теплового движения атомов и молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Электромагнитное поле является носителем электромагнитной энергии. Частным видом электромагнитной энергии является энергия электрического тока, широко используемая человеком. Ядерная энергия связана с взаимодействием протонов и нейтронов в ядре и может высвобождаться, например, при реакциях деления тяжелых ядер или при синтезе легких.

Механическая энергия – энергия тел при их механическом движении. Она характеризует способность тела совершать механическую работу. Механическая энергия подразделяется на кинетическую (Т_.) и потенциальную (П_.). Полная механическая энергия тела Е_м складывается из кинетической и потенциальной энергии

Е_м = Т+П (3.10)

Кинетическая энергия - это энергия, которой обладает движущееся тело. Кинетическая энергия тела, движущегося поступательно со скоростью v

(3.11)

Кинетическая энергия системы материальных точек равна сумме кинетических энергией отдельных точек системы.

Кинетическая энергия тела с моментом инерции I, вращающегося вокруг неподвижной оси с угловой скоростью ω, определяется по формуле:

(3.12)

В общем случае тело может участвовать как в поступательном, так и во вращательном движении (колесо велосипеда). Тогда кинетическая энергия этого тела складывается из кинетической энергии поступательного движения (3.11) и кинетической энергии вращения (3.12).

Потенциальная энергия - часть механической энергии системы, связанная с взаимным расположением частей системы и определяемая характером сил, действующих между ними. Для каждого вида взаимодействия существует своя формула потенциальной энергии. Потенциальной энергией обладает тело, поднятое над поверхностью Земли (П = mgh), деформированная пружина ( ) и т.д.

Среди возможных состояний системы особое значение имеет состояние устойчивого равновесия – состояние, которое не изменяется при малом внешнем воздействии на систему. В состоянии устойчивого равновесия потенциальная энергия системы минимальна, многие явления природы объясняются стремлением потенциальной энергии к минимуму. Так, шарообразность массивных небесных тел (звезд, планет) объясняется тем, что этой формой достигается минимум потенциальной гравитационной энергии взаимодействия частиц этих тел.