7.1. Энергия. Работа.

В качестве единой количественной меры различных форм движения материи и соответствующих им взаимодействий в физики вводится скалярная величина (энергия). Движение - неотъемлемое свойство материи. Поэтому любое тело, любая система тел и полей обладают энергией. Для различных форм движения и соответствующих им взаимодействий в физике вводят различные виды энергии – механическую, внутреннюю, электромагнитную, ядерную и т.д. Энергия - мера способности тела совершить работу. Движущиеся тела обладают кинетической энергией. Поскольку существуют два основных вида движения - поступательное и вращательное, то кинетическая энергия представлена двумя формулами - для каждого вида движения. Потенциальная энергия - энергия взаимодействия. Полная механическая энергия является суммой кинетической и потенциальной. Для оценки процесса обмена энергией между телами, в механике вводится понятие работы. Работой A, совершаемой постоянной силой F называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла α между векторами силы F и перемещения s.

A = (F.s) = F.s(cos). (7.1).

Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна

(0 ≤ ά < 90^o), так и отрицательна (90⁰ < ά ≤ 180^o). В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж).Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 H на перемещении 1 м в направлении действия силы.

Рис. 40. Работа силы F: A = Fs cos α = Fss.

Если проекция F_x силы F на направление перемещения s не остается постоянной, работу следует вычислять для малых перемещений Δs_i и суммировать результаты: A = ∑ΔA_i = ∑F_siΔs_i. (7.2).

Элементарной работой силы называется скалярная величина:

dA = (F.dr) = F(cos).ds. (7.3).

A = F(cos)ds. (7.4).

Необходимо только знать функцию силы F вдоль траектории. Работа всех внешних сил, действующих на материальную точку, равна приращению кинетической энергии этой точки:

A = W₂ - W₁ = (mv₂²)/2 - (mv₁²)/2. (7.5).

Рис. 41. Графическое определение работы. ΔAi = FsiΔsi.

Графически работа определяется по площади криволинейной фигуры под графиком F_s(x). Если к телу приложено несколько сил, то общая работа всех сил равна алгебраической сумме работ, совершаемых отдельными силами и равна работе равнодействующей приложенных сил.

Работа силы, совершаемая в единицу времени или скорость совершения работы, называется мощностью.

N = dA/dt = F.dr/dt = F.v. (7.6).

Мощность N это физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа:

N = A/t. В Международной системе СИ единица мощности называется ватт (Вт). Ватт равен мощности силы, совершающей работу в 1 Дж за время 1 с.