Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ_пособие

.pdf
Скачиваний:
40
Добавлен:
19.03.2016
Размер:
1.2 Mб
Скачать

Из (3.1) видно, что работа под действием силы не совершается в двух случаях:

1)точка приложения силы неподвижна ( dr 0 );

2)α π2 , то есть F V .

 

 

F

 

 

 

М

α

 

v

 

 

FS

 

 

 

 

2

1

 

dr

 

 

 

 

Рис.3.1. К определению понятия «работа силы»

Работа – величина аддитивная, это означает, что работа силы на участке траектории 1-2 равна алгебраической сумме элементар-

ных работ на всех бесконечно малых участках пути. Эта сумма сво-

дится к интегралу

α

S2

S2

A

Fcosαds FSds .

S1

S1

Если зависимость FS

от пути s вдоль траектории 1-2 пред-

ставить графически (рис.3.2), работа A определяется на графике как площадь заштрихованной фигуры.

Единица работы – джоуль (Дж): 1 Дж – работа, совершаемая телом под действием силы 1 Н на пути 1 м (1 Дж = 1 Н·м).

Чтобы охарактеризовать скорость совершения работы, вводят понятие мощности:

N A . dt

33

Fs

 

 

 

 

dA

 

 

 

A

 

 

S1

dS

S2

S

 

Рис.3.2. Работа на участке траектории ( S1 ,S2 )

 

 

 

 

За время dt сила F совершает работу

Fdr , и мощность,

развиваемая телом под действием этой силы в данный момент времени

Fdr N dt Fv .

Мощность – величина скалярная; единица мощности – ватт (Вт): 1 Вт – мощность, при которой за время 1 с совершается работа

1 Дж (1 Вт =1 Дж/с).

3.2. Консервативные и диссипативные силы

Кроме контактных взаимодействий, возникающих между соприкасающимися телами, наблюдаются взаимодействия между телами, удаленными друг от друга. Такие взаимодействия осуществляют-

ся посредством физических полей.

34

Стационарное поле, в котором работа, совершаемая над частицей силами поля, зависит лишь от начального и конечного положений частицы и не зависит от пути, по которому она двигалась, называют потенциальным. Силы, действующие в потенциальных полях, называют консервативными. Работа консервативной силы на замкнутом пути равна нулю. Примеры консервативных сил – сила тяжести, сила упругости.

Если же работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называет-

ся неконсервативной (или диссипативной). Типичные неконсерватив-

ные силы – силы трения.

3.3. Кинетическая и потенциальная энергия

Кинетическая энергия T механической системы – это энер-

гия механического движения этой системы.

Работа A силы F на пути, который тело прошло за время

возрастания скорости от 0 до V , идет на увеличение кинетической

энергии dT тела, т.е.

A dT .

Но A Fdr m ddtV dr mVdV mVdV dT ,

откуда

V

 

T mVdV mV2 .

0

2

 

Таким образом, тело массы m , движущееся со скоростью V , обладает кинетической энергией

mV2

T 2 .

35

Кинетическая энергия – величина аддитивная. Так, энергия системы из n материальных точек равна сумме кинетических энергий этих материальных точек

n

2

 

T

miVi

.

2

i 1

 

Потенциальная энергия – механическая энергия системы тел, определяемая их взаимным расположением и характером сил взаимодействия между ними.

Тело, находясь в потенциальном поле сил, обладает потенциальной энергией П. Работа консервативных сил при элементарном изменении конфигурации системы равна приращению потенциальной энергии, взятому с обратным знаком, так как работа совершается за

счет убыли потенциальной энергии системы:

A dП .

Но A Fdr , тогда Fdr dП и потенциальную энергию системы можно найти как

П Fdr C ,

где

Fx

где

C - постоянная интегрирования, то есть потенциальная энергия

может быть определена с точностью до некоторой произвольной постоянной. Поэтому потенциальную энергию тела в ка- ком-то положении полагают равной нулю, а энергию в других положениях отсчитывают относительно этого нулевого уровня (за нулевой уровень можно принять, например, уровень пола, уровень моря и т.д.).

Для консервативных сил

 

П

,

Fy

П ,

Fz

 

П

или F gradП ,(3.2)

 

x

 

 

y

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

gradП

П

 

П

П

 

 

 

 

 

x

i

y

j

z

k.

(3.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

36

Вектор, определяемый выражением (3.3), называется градиен-

том скаляра П.

Таким образом, выражение (3.2) показывает, что консервативная сила равна градиенту потенциальной энергии, взятому с обратным знаком.

Потенциальная энергия тела массой m , поднятого на высо-

ту h над поверхностью Земли, равна

П mgh ,

где высота h отсчитывается от уровня, для которого П0 0.

Потенциальная энергия упругодеформированного тела (пру-

жины)

П

kx2

2

Полная механическая энергия E

ской и потенциальной энергий системы:

.

системы – сумма кинетиче-

ET П .

3.4.Закон сохранения энергии

Рассмотрим систему из n материальных точек массами mi ,

движущихся со скоростями Vi ( Vi << c ). Пусть F i и Fi - равнодействующие внутренних и внешних консервативных сил, действую-

щих на i -ю точку, а f i - равнодействующая внешних неконсерва-

тивных сил, действующих на i -ю точку. Уравнения второго закона Ньютона для этих точек:

37

m1 dV1 F 1 F1 f 1 dt

m2 dV2 F 2 F2 f 2 dt

............................................

mn dVn F n Fn f n . dt

За интервал dt точки совершают перемещения dri . Умножим каждое уравнение на соответствующее перемещение и учиты-

вая, что dri Vidt , получим

 

 

F1

dr1

f 1dr1

 

m1 V1dV1 F 1

 

 

F2

dr2

f 2dr2

 

m2 V2dV2 F 2

 

..................................................................

 

 

Fn

drn

f ndrn .

 

mn VndVn F n

Сложив эти уравнения, получим

 

 

n

n

 

 

n

 

 

 

 

 

mi VidVi F i Fi dri f idri .

i 1

i 1

 

 

i 1

n

n

 

 

 

Здесь mi Vi dVi d mi Vi2 /2 dT – прираще-

i 1

i 1

 

 

 

ние кинетической энергии системы; n

F i Fi dri

i 1

- работа внутренних и внешних консервативных сил, взятая с обрат-

38

ным знаком, равная приращению потенциальной энергии системы; n

f i dri - работа внешних неконсервативных сил, действующих i 1

на систему. Итак, имеем

d T П A .

Изменение полной механической энергии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 равно работе внешних неконсервативных сил:

2

 

d T П A12 .

 

1

 

Если внешние неконсервативные силы

отсутствуют, то

A 0 d T П 0 , откуда

 

Т П Е const ,

(3.4)

т.е. полная механическая энергия системы сохраняется. Выражение

(3.4) представляет собой закон сохранения механической энергии: в

системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем.

Механические системы, где действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называются консервативными системами. В консервативных системах полная механическая энергия остается постоянной, могут происходить лишь превращения кинетической энергии в потенциальную и наоборот. В частности, этот закон справедлив и для замкнутых консервативных систем.

В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается за счет преобразования в другие (немеханические) виды энергии. Этот процесс называется диссипацией (или рассеянием) энергии. Строго говоря, все системы в природе являются диссипативными.

39

В системе, где действуют также неконсервативные силы, полная механическая энергия не сохраняется, и закон сохранения механической энергии несправедлив. Однако при «исчезновении» механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой.

Отметим, что закон сохранения энергии – фундаментальный закон природы, он справедлив как для систем макроскопических тел, так и для систем микротел.

3.5.Применение законов сохранения энергии и импульса

ксоударению абсолютно упругих и неупругих тел

Соударение (удар) – это столкновение двух или более тел, при котором взаимодействие длится очень короткое время. Ударные силы столь велики, что внешними силами можно пренебречь; это позволяет систему тел в процессе соударения рассматривать как замкнутую и применять к ней законы сохранения.

Удар называется центральным, если тела до удара движутся вдоль прямой, соединяющей их центры.

Абсолютно упругий удар – столкновение двух тел, в результате которого в обоих взаимодействующих телах не остается никаких деформаций (механическая энергия не переходит в другие, немеханические виды) и вся кинетическая энергия, которой тела обладали до удара, после удара снова превращается в кинетическую энергию. В этом случае выполняются закон сохранения импульса и закон сохранения кинетической энергии.

Рассмотрим центральный абсолютно упругий удар двух шаров. Обозначим скорости шаров массами m1 и m2 до удара v1 и

v2 , после удара – v1' и v'2 (рис.3.3). Законы сохранения импульса

и энергии при этом имеют вид:

m1v1 m2v2 m1v'1 m2v'2

40

 

 

 

m v

2

 

 

 

 

 

m

v

2

 

 

 

 

'2

 

m

'2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

m v 1

 

v 2

 

 

 

 

1

1

 

 

2

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

.

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решая эти уравнения, находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v'

 

m1 m2 v1 2m2v2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m1

m2

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v'

 

 

 

 

m2 m1

v2 2m1v1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m1 m2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

1

 

 

 

 

 

m2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

до

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

удара

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v1

 

 

 

v2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

1

 

 

 

 

 

 

m2

 

 

 

 

 

 

 

после

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

удара

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v'1

 

 

 

 

 

v'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Рис.3.3. Абсолютно упругий удар двух тел

 

Частные случаи:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) если

m m

2

 

, то

 

v' v

2

и

v'

v

(шары обмени-

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

1

 

ваются скоростями). Например, при столкновении первого шара с

неподвижным

вторым

( v2 0 )

первый шар останавливается

( v'

0 ), а

второй

движется со

скоростью первого ( v'

v

)

1

 

 

 

2

1

 

(рис.3.4).

41

2)

если

 

m2 >> m1

(столкновение шара со стен-

кой), v'

2v

2

v

,

v'

v

2

(скорость стенки не изменится).

1

 

1

 

2

 

 

При столкновении шара с неподвижной стенкой ( v2 0 ) получим

v1' v1 , то есть шар отскакивает с первоначальной скоростью, меняя направление на противоположное.

до

m1

m2

 

 

удара

v1

 

 

 

после

m1

m2

 

 

удара

v 1

 

Рис.3.4. Абсолютно упругий удар тел с равными массами

Абсолютно неупругий удар – столкновение двух тел, в ре-

зультате которого тела движутся вместе либо покоятся. Кинетическая энергия тел полностью или частично переходит в их внутреннюю энергию. В этом случае выполняется закон сохранения импульса. Закон сохранения механической энергии не выполняется, выполняется закон сохранения суммарной энергии – механической и внутренней.

Рассмотрим центральный абсолютно неупругий удар двух шаров массами m1 и m2 , имеющих до удара скорости v1 и v2 .

После удара они будут двигаться с общей скоростью v (рис.3.5), которую найдем из закона сохранения импульса:

m1v1 m2v2 m1 m2 v ,

v

m1v1 m2v2

.

 

 

 

m1 m2

42