Глава 13

РАБОТА И ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ (I)

§ 1. Работа падаю­щего тела

§ 2. Работа, выполняемая тяжестью

§ 3, Сложение энергий

§ 4. Поле тяготения больших тел

§ 1. Работа падающего тела

В гл. 4 мы разобрали вопрос о сохранении энергии. При этом законами Ньютона мы не пользовались. Интересно теперь посмотреть, как возникает сохранение энергии из-за того, что действуют эти законы. Для ясности мы начнем с самых простых примеров и постепенно будем их усложнять.

Простейший пример сохранения энергии — это тело, падающее вниз, т. е. тело, движущееся только в вертикальном направлении. Если оно меняет свою высоту под влиянием только тяже­сти, то из-за движения оно обладает кинети­ческой энергиейТ (или к. э.) Кроме того, у него есть потенциальная энергия mgh (сокра­щенно U, или п. э.). Их сумма постоянна:

или

Т+U=const. (13.1)

Мы хотим показать, что это утверждение пра­вильно. Что значит доказать его правильность? Второй закон Ньютона говорит, как движется тело, как со временем изменяется его скорость (а именно, что в падении она растет пропорци­онально времени, а высота падения меняется как квадрат времени). Если поэтому отмерять высоту от нулевой точки (где тело покоилось), то не будет ничего странного в том, что она окажется равной квадрату скорости, умножен­ному на какие-то постоянные. Однако все же рассмотрим это повнимательней.

Попробуем вычислитьпрямо из второго закона Ньютона, как обязана меняться кинетическая энергия; мы продифференцируем кинетическую энергию по времени и потом применим за­кон Ньютона. Дифференцируя ¹/₂ mv² по времени, получаем

потому что m считается постоянной. Но по второму закону Ньютона m(dv/dt)=F, так что

dT/dt=Fv. (13.3)

В общем случае получается F•v, но для нашего одномерного случая лучше оставить просто произведение силы на скорость.

Сила в нашем простом примере постоянна, равна —mg и направлена вниз (знак минус именно это и показывает), а ско­рость есть степень изменения положения по вертикали (высоты h) со временем. Поэтому степень изменения кинетической энер­гии равна —mg(dh/dt). Взгляните: что за чудо! Перед нами снова чья-то скорость изменения — скорость изменения со вре­менем величины mgh! Поэтому выходит, что с течением времени изменения в кинетической энергии и в величине mgh остаются равными и противоположными, так что их сумма остается не­изменной. Что и требовалось доказать.

Мы только что показали, пользуясь Вторым законом Нью­тона, что для постоянных сил энергия сохраняется, если только прибавлять потенциальную энергию mgh к кинетической ¹/₂mv². Исследуем этот вопрос дальше; посмотрим, можно ли его обобщить, можно ли еще продвинуться в его понимании. Действует ли этот закон только для свободно падающих тел или является более общим? Из того, что мы знаем о сохранении энергии, можно ожидать, что он будет верен для тела, движу­щегося из одной точки в другую по кривой без трения и под дей­ствием одной лишь тяжести (фиг. 13.1). Когда тело, начав дви­гаться с высоты Н, достигает высоты h, то опять должна быть верной та же формула, хотя бы скорость уже не была направле­на по вертикали. Нам надо понять, почему она все еще правильна. Проведем тот же анализ; отыщем скорость изменения кинетиче­ской энергии во времени. Опять будет получаться mv(dv/dt) — скорость изменения величины импульса, т. е. сила в направлении движения — касательная сила F_t . Итак,

Скорость—это скорость изменения расстояния вдоль кривойds/dt, а касательная сила F_t теперь оказывается меньше mg в отношении, равном отношению расстояния ds вдоль пути к вер­тикальному расстоянию dh. Иными словами,

так что

(ds выпадает). И опять, как прежде, мы получили величину — mg(dh/dt), равную скорости изменения mgh.

Чтобы точно уяснить себе, как вообще соблюдается сохра­нение энергии в механике, рассмотрим сейчас некоторые полез­ные понятия.

Во-первых, рассмотрим скорость изменения кинетической энергий в общем трехмерном случае. Кинетическая энергия, когда движение имеет три измерения, равна

T =1/2m (v²_x+v²_y+v²_z).

Дифференцируя ее по времени, получаем три устрашающих члена:

Но ведь m(dv_x/dt) — это сила F_x, действующая на тело в на­правлении х. Значит, в правой части формулы (13.4) стоит F_xv_x+F_yv_y+F_zv_z. Призвав на помощь векторный анализ, вспоминаем, что это F•v. Итак,

dT/dt=F•v (13.5)

А можно это вывести и быстрей: если а и b — два вектора, зави­сящих от времени, то производная от a•b равна

Подставим сюдаа=b=v:

Так как понятие кинетической энергии и вообще энергии очень важно, то различным величинам в этих уравнениях при­своены разные имена: ^l/_zmv² называется, как известно, кинети­ческой энергией; F•v называется мощностью: сила, действующая на тело, умноженная («скалярно») на скорость тела,— это мощность, сообщаемая телу этой силой. Получается великолеп­ная теорема: скорость изменения кинетической энергии тела рав­на мощности, затраченной силами, действующими на тело. Но для изучения сохранения энергии анализ следует продол­жить. Давайте оценим изменение кинетической энергии за очень короткое время dt. Умножив обе части уравнения (13.7) на dt, найдем, что изменение кинетической энергии равно силе, скалярно умноженной на дифференциал пройденного расстояния

dT=F•ds. (13.8)

Аинтегрируя, получаем

(13.9)

Что это значит? Это значит, что, как бы и по какой бы кривой траектории ни двигалось тело под действием силы, все равно изменение в к. э. при переходе от одной точки кривой к другой равно интегралу от компоненты силы вдоль кривой, умножен­ной на дифференциал смещенияds (интегрирование от первой точки до второй). И у этого интеграла есть имя: его называют работой, совершенной силой над телом. Немедленно мы обнару­живаем, что мощность — это работа за секунду. И еще мы заме­чаем, что работу производит только составляющая силы вдоль направления движения. В нашем первом простом примере участ­вовали только вертикальные силы с одной-единственной состав­ляющей F_z, равной —mg. В этих обстоятельствах совершенно неважно, как тело движется, прямо вниз или по параболе, все равно от F•ds (которое можно написать как F_xdx+F_ydy+F_zdz) остается только F^dz = -mgdz, потому что прочие составляющие силы — нули. Значит, в этом случае

так что в потенциальную энергию входит только высота, с кото­рой тело падает.

Несколько слов о единицах. Так как сила измеряется в ньютонах, а для получения работы ее умножают на расстояние, то работу измеряют в единицах ньютон•метр, но большинство людей этого названия не любит, предпочитая название джоуль (дж). Это только другое слово, а единица та же. Итак, работу измеряют в джоулях. Мощность же — в джоулях в секунду; эту единицу называют ватт(вт). Если умножить ватты на вре­мя, то получим произведенную работу. Работу, которую местная энергосистема производит в наших квартирах (в техническом смысле), оценивается в ваттах, умноженных на время. Например, киловатт-час — это 1000 втX3600 сек, т. е. 3,6•10⁶ дж.

Приведем еще несколько примеров работы и сохранения энергии. Рассмотрим тело, которое вначале имеет кинетическую энергию и быстро двигается, скользя по полу с трением. Оно останавливается. В начале кинетическая энергия не равна нулю, а в конце она равна нулю', существует работа, произ­веденная силами, потому что раз есть трение, то есть и составляющая силы в направлении, противоположном на­правлению движения, и энергия постепенно теряется. Теперь рассмотрим массу на конце маятника, который ка­чается в вертикальной плоскости в поле тяжести без тре­ния. Здесь наблюдается нечто другое, потому что, когда масса опускается, сила направлена тоже вниз, а когда подымается, сила направлена в обратную сторону, так что у F•ds на спуске и на подъеме разные знаки. В соответствующих точках спуска и подъема значения F•ds равны по величине, но противополож­ны по знаку, так что в итоге интеграл есть чистый нуль. Поэтому кинетическая энергия в конце спуска в точности такая же, какой она была в начале подъема; это и есть принцип сохранения энер­гии. (Заметьте, что в присутствии сил трения сохранение энер­гии на первый взгляд не выполняется. Значит, нужно искать другую форму энергии. И действительно, оказывается, что когда два тела трутся друг о друга, то возникает тепло, мы же сейчас делаем вид, что об этом не знаем.)