6. Энергия. Механическая работа и мощность. Энергия

Е щё одна важнейшая характеристика состояния материи - энергия. Энергия (др.-греч. ἐνέργεια — «действие, деятельность, сила, мощь») — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в которое система будет являться замкнутой. Это утверждение носит название закона сохранения энергии. Понятие введено Аристотелем в трактате «Физика». Существует несколько видов энергии: механическая, внутренняя, энергия электромагнитного взаимодействия, ядерная энергия и т.д. Один вид энергии может преобразовываться в другой, например энергия электрического тока может преобразовываться в энергию движения в электродвигателе. Сама по себе энергия определяет состояние системы тел и нам особо ничего не даёт, а вот изменение энергии даёт нам работу.

Работа является мерой изменения энергии. Работа

Обиходное представление о работе это перемещение тел под действием силы. Перемещение грузов, вскапывание земли, забивание гвоздей и т.д. В физике под работой понимается скалярное произведение вектора силы и вектора перемещения.

) или

Скалярное произведение двух векторов равно произведению модулей векторов на косинус угла между ними.

В общем случае - для постоянной силы.

Пусть человек равномерно поднимает груз на высоту Н, при равномерном движении равнодействующая всех сил равна нулю. На груз действуют сила тяжести со стороны Земли и сила тяги со стороны человека. Запишем II закон Ньютона для, поднимаемого тела. . В проекциях на ось ОY получим: F_тяги-F_т=0, или F_тяги=F_т, умножим обе части формулы на высоту Н, получим F_тягихН=F_тхН, Н- это путь F_тягихS=F_тхS. Работа одной силы (ускоряющей) равна работе другой силы (тормозящей). При равномерном движении сумма работ всех сил равна нулю. Работа измеряется в джоулях (Дж).

И так, при равномерном движении работа одних сил равна работе других сил.

А₁=А₂

П ри равномерном движении автомобиля работа двигателя (работа силы тяги) равна работе сил трения и сопротивления.

Работу можно вычислить графически, если на оси ОУ откладывать значения силы, а на оси ОХ перемещение, то площадь фигуры под графиком будет числено равна

А = FS, если сила является переменной, то работа всё равно численно равна площади под графиком зависимости силы от перемещения.

Пример: Какую работу совершает сила тяжести, действующая на дождевую каплю массой 20мг, при её падении с высоты 2км?

Дано: m =20x10-6кг Н = 2х103 м А = ?		Работу найдём по формуле А=Fscosα. Угол α между вектором силы и вектором перемещения равен нулю. Отсюда A=FS Сила тяжести равна FТ=mG или FT=mg. Перемещение это Н А=mgН, А=2х10-7х9,8х2х103=40х10-4Дж
Ответ: Сила тяжести совершает работу по перемещению капельки равную 4х10-3Дж.

Пример: Какую работу совершает человек при подъёме груза массой 2кг на высоту 1м с ускорением 3м/с?

Дано: m = 2 кг H = 1 м а = 3 м/с2 А =?		Запишем закон II Ньютона. . В проекциях FТЯГИ-FT=ma, откуда FТЯГИ=m(a+g). Работу найдём по формуле А=FТЯГИScos. =0 (угол между перемещением и силой тяги) S=H, отсюда А=m(a+g)S A=2x(3+9,8)x1=26 Дж
Ответ: Человек совершает работу в 26 Дж.

Работа, произведённая в единицу времени называется мощностью. Обозначается N и измеряется в ваттах (Вт). . Если представить работу как силу умноженную на перемещение, то получим . Из этой формулы следует, что при постоянной мощности двигателя автомобиля для увеличения силы тяги, например на подъёме, необходимо уменьшить скорость с помощью переключения на пониженную передачу и наоборот.