3. Закон сохранения и превращения энергии

В связи с нарушением абсолютности закона сохранения массы при скоростях приближающихся к скорости света необходимо отметить что абсолютным и всеобщим оказывается объединенный закон сохранения массы и энергии который с определённой степенью точности отражает неуничтожимость материи и движения

Для того чтобы понять этот закон надо разобраться с такими поня­тиями физики как работа мощность и энергия

3.1. Работа мощность энергия

Важнейшим понятием которое пронизывает всю физику является энергия Как и силу её нельзя увидеть и нельзя к ней прикоснуться хотя её проявления очевидны

Чем бы не являлась энергия её проявления заставляют нас сказать что энергия ответственна за то что мы наблюдаем вокруг нас

Энергией называется скалярная физическая величина являющаяся об­щей мерой различных форм движения материи рассматриваемых в физике Энергия системы количественно характеризует последнюю в отношении возможных в ней превращений движения

Эти превращения происходят благодаря взаимодействию частей систе­мы как друг с другом так и с внешними телами (внешней средой)

С различными формами движения материи связывают различные формы энергии: механическую тепловую электромагнитную внутреннюю ядер­ную и другие

В одних явлениях форма движения материи не изменяется (например горячее тело нагревает холодное ) в других переходит в другую форму(в результате трения механическое движение переходит в тепло­вое)

Однако существенно что во всех случаях энергия отданная в той или иной форме) одним телом другому телу равна энергии полученной последним телом

Есть и другие определения энергии Энергия - это мера способности или возможности тел совершать работу

В физике работа является специфическим термином который нуждается в объяснении

Наиболее просто дать понятие механической работы Из законов Ньюто­на известно что изменение механического движения тела вызывается силами действующими на него со стороны других тел

Чтобы количественно охарактеризовать процесс обмена энергии между взаимодействующими телами в механике вводят понятие работы силы приложенной к рассматриваемому телу

Если тело движется прямолинейно и на него действует постоянная сила которая составляет некоторый угол с направлением перемещения то работа этой силы равна произведению проекции силы на направле­ние перемещения на перемещение точки приложения силы

В общем случае сила может измениться как по модулю так и по нап­равлению поэтому последним выражением пользоваться нельзя

Если однако рассмотреть элементарное перемещение то силу можно считать постоянной а движение точки её приложения прямолинейным Таким образом элементарной работой силы на элементарном перемещении называется скалярная величина :

A=F_sS, F_s=Fcos

т.о. A=FScos

Последнее выражение можно представить в виде:

Необходимо заметить что последние два выражения справедливы толь­ко лишь для потенциальных консервативных сил т е для таких сил работа которых зависит только от начальных и конечных положений точек их приложения но не зависит ни от вида траекторий этих то­чек ни от законов движения по этим траекториям(например силы тя­жести силы электромагнитного взаимодействия)

Траекторией называется линия описываемая движущейся материальной точкой

Элементарную работу не потенциальных сил(неконсервативных или дис­сипативных)нельзя представить в виде полного дифференциала ка­кой-либо функции координат

Поэтому элементарную работу таких сил необходимо обозначать в ви­де частного дифференциала

Диссипативными(не потенциальными хотя есть ещё и гироскопические тоже не потенциальные но у которых векторы силы и скорости пер­пендикулярны и следовательно они работы не производят)называются силы суммарная работа которых при любых перемещениях замкнутой системы всегда отрицательна

Т е работа таких сил зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую (например силы трения скольжения и силы соп­ротивления движению тел в жидкостях и газах)

Вернёмся к нашему рисунку

Работа силы на участке траектории от точки 1 до точки 2 равна ал­гебраической сумме элементарных работ на отдельных бесконечно ма­лых участках пути

Эта сумма приводится к интегралу:

Для вычисления этого интеграла надо знать зависимость силы от пу­ти вдоль траектории 1-2, F(S).

Представим эту зависимость графически:

Тогда искомая раббота А определяется на графике площадью заштри­хованной фигуры

Если например тело движется прямолинейно сила и угол постоянны то получим:

A=F_sS=FcosS

из формулы :(ранее приводимой)

следует что при угле меньшем 90 градусов работа силы положитель­на(в этом случае составляющая силы совподает по направлению с вектором скорости движения 0

Если угол больше 90 градусов то работа силы отрицательна

При угле в 90 градусов работа силы равна 0

Единицей измерения работы и энергии в системе СИ является Дж(Н*м=кг*м²/с²)

Чтобы охарактеризовать скорость совершения работы вводят понятие МОЩНОСТИ

Мощностью (мгновенной мощностью) называется скалярная физическая величина равная отношению элементарной работы к к малому проме­жутку времени в течении которого эта работа совершается

Если за время dt сила F совершает работу А=.... то мощность раз­виваемая этой силой в данный момент времени равна:

Т е мощность равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости с которой движется точка приложения этой силы

Средней мощностью в интервале времени от t до t+t называ­ется физическая величина равная отношению работы А совершенной за этот промежуток времени к его продолжительности

- средняя мощность.

tt₀+t

Единица мощности - Ватт

1Вт - мощность при которой за время 1с совершается работа в 1Дж

[Вт]=[кг*м²/с³]