43

Физические основы механики

Лекция 4

1. Законы сохранения в механике

1.1. Значение энергии

Всякое изменение материи является движением, простейшими формами которого являются поступательное и вращательное движения. Мерой поступательного движения является импульс. Однако эта динамическая характеристика, введенная Ньютоном, хотя и имеет фундаментальное значение, но не может служить универсальной мерой для всех форм движения материи, например, для вращательного, теплового и т. д. Пусть однородный шар

Рис. 1

равномерно вращается вокруг неподвижной оси, совпадающей с осью симметрии, проходящей через центр инерции (рис. 1). Поскольку при вращении шара, любые его две диаметрально противоположные материальные точки имеют линейные скорости, равные по величине, но противоположные по направлению, т. е. v_i = v_k, . При этом суммарный импульс всего шара равен нулю. Однако тело может вращаться с любой угловой скоростью. Импульс тела ни как не характеризует вращательное движение. В этом случае мерой вращательного движения шара является момент импульса. Известно, что для осуществления равномерного вращательного движения тел вокруг некоторой оси необходимо непрерывно воздействовать внешней силой, которая расходуется на преодоление трения в местах закрепления оси вращения. Однако при трении выделяется тепло, а момент импульса остаётся постоянным и никак не учитывает количество выделившегося тепла. Поскольку физика изучает различные формы движения материи (механические, тепловые, электрические, магнитные и т. д.), то усилия учёных разных стран были направлены на то, чтобы найти универсальную меру, учитывающую любое изменение материи.Единой мерой различных форм движения материи является физическая величина – энергия. В работах Ломоносова, Майера, Гельмгольца, Джоуля и других ученых был окончательно сформулирован всеобщий закон сохранения и превращения материи – закон сохранения энергии, который гласит: энергия не исчезает и не уничтожается, а переходит из одного вида в другой, в равных количествах.Закон сохранения энергии проверен многочисленными экспериментами и его достоверность не вызывает никаких сомнений. Анализ опытных фактов показывает, что энергия механического движения, например, при трении переходит в теплоту. Вообще механическое движение или любое другое не исчезает бесследно, а переходит в другие виды движения материи.

Энергия является количественной мерой любого движения материи, а при движении изменяется состояние системы материальных объектов. Всякая система характеризуется рядом физических величин, называемых параметрами состояния. Например, положение м.т. в пространстве характеризуется координатами и их относительными скоростями. При всяком изменении состояния системы изменяются параметры состояния.

Следовательно, энергия есть функция состояния системы.

Из динамики известно, что всякое изменение механического движения тела всегда происходит в результате его взаимодействия с другими телами. Это взаимодействие количественно характеризуется силой. Следовательно, сила является причиной изменения механической энергии.

Мерой энергии, переданной от одного тела к другому, является физическая величина, называемая работой.

Общий вывод: энергия есть количественная мера любых форм движения материи. Работа – мера количества энергии, переданной при механическом взаимодействии от одного материального объекта к другому или превращение механического движения в другие формы.