Механическая энергия и работа силы. Мощность

Работа и энергия. Законы сохранения.

Сила тяжести и вес.

На любое тело, расположенное вблизи Земли, действует сила тяготения F, под влиянием которой, согласно второму закону Ньютона, тело начнет двигаться с ускорением свободного падения g. Таким образом, в системе отсчета, связанной с Землей, на всякое тело массой т действует сила

Р =mg,

называемая силой тяжести.

В физике применяется также понятие веса тела. Весом тела называют силу, с которой тело вследствие тяготения к Земле действует на опору (или подвес), удерживающую тело от свободного падения. Вес тела проявляется только в том случае, если тело движется с ускорением, отличным от g, т. е. когда на тело кроме силы тяжести действуют другие силы. Состояние тела, при котором оно движется только под действием силы тяжести, называется состоянием невесомости.

Таким образом, сила тяжести действует всегда, а вес появляется только в том случае, когда на тело кроме силы тяжести действуют еще другие силы, вследствие чего тело движется с ускорением а, отличным от g. Если тело движется в поле тяго­тения Земли с ускорением а g, то к этому телу приложена дополнительная сила N, удовлетворяющая условию

N+Р = ma.

Тогда вес тела Р' = - N = Р - mа = mg - та. = т (g - а), т. е. если тело покоится или движется прямолинейно и равномерно, то а = 0 и Р' = mg. Если тело свободно движется в поле тяготения по любой траектории и в любом направлении, то а = g и Р' = О, т. е. тело будет невесомым. Например, невесомыми являются тела, находящиеся в космических кораблях, свободно движущихся в космосе.

Энергия - универсальная количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. С различными формами движения материи связывают различные формы энергии: механическую, тепловую, электромагнитную, ядерную и др.

Изменение механического движения тела вызывается силами, действующими на него со стороны других тел. Чтобы количественно характеризовать процесс обмена энергией между взаимодействующими телами, в механике рассматривают работу силы, приложенной к данному телу.

Если тело движется прямолинейно и на него действует постоянная сила F, составляющая некоторый угол с направлением перемещения, то работа этой силы равна произведению проекции силы F, на направление перемещения, умноженной на перемещение точки приложения силы:

А = F,s = Fs cos (1.1)

В общем случае сила может изменяться как по модулю, так и по направлению. Чтобы найти работу переменной силы, пройденный путь разбивают на большое число достаточно малых элементов, чтобы их можно было считать прямолинейными, а действующую силу в любой точке данного элемента - постоянной. Тогда элементарная работа (рис. 1.1) определится формулой:

,

а работа переменной силы на всем пути MN будет равна сумме элементарных работ:

(1.2)

Рис.1.1

Рис.1.2

Для вычисления этого интеграла надо знать зависимость F _s от s вдоль траектории MN. Если эта зависимость представлена графически (рис. 1.2), то искомая работа А определяется заштрихованной на графике площадью. Если, например, тело движется прямолинейно, сила F = const и = const, то получим

где S - пройденный телом путь.

Единица работы — джоуль (Дж):1Дж - работа, совершаемая силой в 1Н на пути в 1м (1Дж = 1Н×м).

Чтобы охарактеризовать скорость совершения работы, вводят понятие мощности. Мощность N есть физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени t, за который она совершена:

(1.3)

Если тело движется с постоянной скоростью v под действием силы F, то мощность может быть выражена формулой

,

т. е. равна произведению проекции силы на направление перемещения на скорость тела.

В случае переменной мощности (за малые одинаковые промежутки времени t совершается неодинаковая работа) вводится понятие мгновенной мощности:

. (1.4)

Если мгновенная мощность (1.4) не постоянна, то формула (1.3) определяет среднюю мощность <N>.

Единица мощности - ватт (Вт): 1Вт — мощность, при которой за время 1с совершается работа в 1Дж (1Вт = 1Дж/с).

Дата добавления: 2013-12-13