Работа переменной силы, мощность. Потенциальные и непотенциальные поля. Консервативные и диссипативные силы. Потенциальная энергия

Кинетическая энергия твердого тела, совершающая одновременно поступательное и вращательное движение

Кинетическая энергия материальной точки и абсолютно твердого тела.

Расчет момента инерции тел простой формы. Теорема Штейнера.

Основной закон динамики твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси OZ

или

где – угловое ускорение тела.

Моментом инерции механической системы относительно неподвижной оси а называется физическая величина J_a, равная сумме произведений масс m всех n материальных точек системы на квадраты их расстояний r до оси

Момент инерции тела J относительно произвольной оси равен сумме момента инерции этого тела J_c относительно оси, проходящей через центр масс тела параллельно рассматриваемой оси, и произведения массы тела m на квадрат расстояния d между осями(теорема Гюйгенса-Штейнера)

Доказательство:

с – центр масс

I_c, m, d I=?

Моменты инерции тел простой формы

Тело	Положение оси а	Момент инерции
Полый тонкостенный цилиндр радиуса R и массы m	Ось цилиндра
Сплошной цилиндр (диск) радиуса R и массы m	Ось цилиндра
Шар радиуса R и массы m	Ось проходит через центр шара
Тонкостенная сфера радиуса R и массы m	Ось проходит через центр сферы
Прямой тонкий стержень длины l и массы m	Ось перпендикулярна к стержню и проходит через его середину
Тот же стержень	Ось перпендикулярна к стержню и проходит через его конец

Кинетическая энергия, энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. К. э. Е_кин материальной точки измеряется половиной произведения массы m этой точки на квадрат её скорости V, т. е.

или

Вращательное движение

При вращении вокруг неподвижной оси

1) если точка О совпадает с центром масс

2)

3) Плоское движение

Элементарной работой силы F на малом перемещении d r называется скалярная величина

где r и соответственно радиус-вектор и скорость точки приложения силы, а dt – малый промежуток времени, за который сила F совершает работу А.

Другой вид элементарной работы силы F

где ds = | d r| - элементарная длина пути точки приложения силы F за рассматриваемый малый промежуток времени dt,  - угол между векторами F и d r, а F _ = F cos  - проекция силы на направление перемещения d r.

Сила, нормальная к траектории перемещения точки, работы не совершает.

Если на систему действуют несколько сил, то элементарная работа, совершаемая ими за малое время dt, равна алгебраической сумме работ, совершаемых за это же время dt каждой из сил порознь,

Из второго закона Ньютона следует

а из закона движения центра масс

Работа А, совершаемая силой F на конечном участке траектории L точки ее приложения, равна алгебраической сумме элементарных работ на всех малых частях этого участка

где s – длина дуги, отсчитываемая вдоль траектории от начала рассматриваемого участка, F _ - проекция силы на направление перемещения d r точки ее приложения.

Потенциальными (консервативными) силами называются такие силы, работа которых зависит только от начальных и конечных положений точек их приложения и не зависит ни от вида траекторий этих точек, ни от законов их движения по траекториям.

Консервативные силы – гравитационные, электростатические.

Потенциальные силы создают стационарное поле, в котором работа силы зависит только от начального и конечного положений перемещаемой точки

Работа потенциальной силы при перемещении точки по замкнутой траектории L равна нулю

Если внешние тела, создающие рассматриваемое поле, могут двигаться относительно инерциальной системы, то это поле не будет стационарным. Но нестационарное поле потенциально, если работа, совершаемая силой F при мгновенном переносе точки ее приложения вдоль любой траектории L, равна нулю

К непотенциальным относятся диссипативные и гироскопические силы. Диссипативными силами называются силы, суммарная работа которых при любых перемещениях замкнутой системы всегда отрицательна (например, силы трения). Гироскопическими силами называются силы, зависящие от скорости материальной точки, на которую они действуют, и направленные перпендикулярно к этой скорости (например, сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся в нем заряженную частицу). Работа гироскопических сил всегда равна нулю.

Мощностью (мгновенной мощностью) называется скалярная величина N, равная отношению элементарной работы А к малому промежутку времени dt, в течение которого эта работа совершается.



Средней мощностью называется величина<N>, равная отношению работы А, совершаемой за промежуток времени  t, к продолжительности этого промежутка

Потенциальной энергией называется часть энергии механической системы, зависящая только от ее конфигурации. Убыль потенциальной энергии при перемещении системы из одного произвольного положения в другое произвольное положение измеряется работой, которую совершают при этом все стационарные потенциальные силы (внешние и внутренние), действующие на систему

где W_п (1) и W_п (2) – значения потенциальной энергии системы в начальном и конечном положениях.

При малом изменении конфигурации системы

Для нестационарных потенциальных сил

Потенциальная энергия материальной точки W_п связана с силовой функцией соответствующего потенциального поля соотношением

или

где С – постоянная интегрирования.

Дата добавления: 2015-04-24