по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Потенциальная энергия, ее определение, виды и формулы

Определение потенциальной энергии

Энергия, говоря простым языком, это возможность что-либо сделать, возможность совершить работу. То есть, если какое-либо тело может совершить какую-либо работу, то про это тело можно сказать, что оно обладает энергией. По сути, энергия — это мера различных форм движения и взаимодействия материи, а её изменение происходит при совершении некоторой работы. Таким образом, совершённая работа всегда равна изменению какой-либо энергии. А значит, рассматривая вопрос о совершённой телом работе, мы неизбежно приходим к изменению какого-либо вида энергии. Вспомним также и тот факт, что работа совершается только в том случае, когда тело под действием некоторой силы движется, и при этом сама работа определяется как скалярное произведение вектора этой силы и вектора перемещения, то есть А = F*s*cosa, где а — угол между вектором силы и вектором перемещения. Это нам пригодится в дальнейшем для вывода формул различных видов энергии.

Энергию, связанную с взаимодействием тел, называют ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИЕЙ. Иначе говоря, если тело за счёт взаимодействия с другим телом может совершить некоторую работу, то оно будет обладать потенциальной энергией, и при совершении работы будет происходить изменение этой энергии. Обозначают механическую потенциальную энергию чаще всего — Еп.

Виды потенциальной энергии

Существуют различные виды потенциальной энергии. К примеру, любое тело на Земле находится в гравитационном взаимодействии с Землёй, а значит обладает потенциальной энергией гравитационного взаимодействия. И ещё пример — витки растянутой или сжатой пружины находятся в упругом взаимодействии друг с другом, а значит сжатая или растянутая пружина будет обладать потенциальной энергией упругого взаимодействия.

Далее мы рассмотрим только виды механической потенциальной энергии и формулы, по которым их можно рассчитать. Но в дальнейшем вы узнаете и о других видах потенциальной энергии — к примеру, о потенциальной энергии электрического взаимодействия заряженных тел, о потенциальной энергии взаимодействия электрона с атомным ядром.

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Формулы потенциальной энергии

Перед тем как приступить к выводу формул потенциальной энергии, ещё раз вспомним, что совершённая телом или над телом работа равна изменению его энергии. При этом, если само тело совершает работу, то его энергия уменьшается, а если над телом совершают работу, то его энергия увеличивается. К примеру, если спортсмен поднимает штангу, то он сообщает ей потенциальную энергию гравитационного взаимодействия, а если он отпускает штангу и она падает, то потенциальная энергия гравитационного взаимодействия штанги с Землёй уменьшается. Также, если вы открываете дверь, растягивая пружину, то вы сообщаете пружине потенциальную энергию упругого взаимодействия, но если потом дверь закрывается, благодаря сжатию пружины в начальное состояние, то и энергия упругой деформации пружины уменьшается до нуля.

А) Чтобы вывести формулу потенциальной энергии гравитационного взаимодействия, рассмотрим, какую работу совершает тело, двигаясь под действием силы тяжести:

А = F*s = mg*s = mg*(h1 — h2) = mgh1 — mgh2 = Eп1 — Еп2, то есть, мы получили, что потенциальная энергия гравитационного взаимодействия тела с Землёй может быть вычислена по формуле: Еп = mgh.

Здесь важно отметить, что поверхность Земли принимается за начало отсчёта высоты, то есть для тела, находящегося на поверхности Земли Еп = 0, для тела, поднятого над Землёй Еп > 0, а для тела, находящегося в яме глубиной h, Еп 2 /2 = 0 — kх 2 /2 = Еп1 — Еп2.

В итоге, мы получили формулу потенциальной энергии упругой деформации: Еп = kx 2 /2.

Методические советы учителям

1) Обязательно обратите внимание учащихся на связь энергии и работы.

2) Не давайте учащимся формулы потенциальной энергии без вывода.

3) Обратите внимание учащихся на то, что оба вида потенциальной энергии зависят от выбора начальной точки, то есть от системы координат.

4) При выводе формул потенциальной энергии обязательно поясните учащимся почему отсутствует cosa в формуле работы.

5) Отметьте, что и работа силы тяжести, и работа силы упругости не зависят от формы траектории и, следовательно равны нулю на замкнутой траектории — это общее и важное свойство всех потенциальных сил.

Источник

Содержание:

Потенциальная энергия:

Самым распространенным в природе является гравитационное взаимодействие, проявлением которого является сила тяжести. При определенных условиях эта сила может выполнять работу.

Допустим, тело массой т подвешено над полом на высоте по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Если нить перерезать, то тело начнет падать под действием силы тяжести.

По определению работа А = Fs cos по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела= mgs cosпо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела.

Если учесть, что по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телаa по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телато по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телаили по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Поскольку работа равна изменению энергии, то можно считать, что выражение mgh определяет потенциальную энергию тела в поле силы тяжести Земли на высоте Л. Движение под действием силы тяжести может происходить по разным траекториям. Выясним, будет ли это влиять на значение работы.

Дадим возможность телу свободно скользить без трения по наклонной плоскости под действием силы тяжести (рис. 2.70).

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Если учитывать, что А = mgscosпо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела, s=AB, то А = mgABcosпо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела.

Из треугольника ABC ABcos по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела= ВС и вместе с тем BD = по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела— h.

Следовательно, работа силы тяжести по перемещению тела по наклонной плоскости будет такой же, как и при его падении из точки В, расположенной на высоте по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела, в точку D, находящуюся на высоте Л.

Таким образом, работа силы тяжести определяется положением точек начала и конца движения и не зависит от формы траектории.

В тех случаях, когда работа силы не зависит от формы траектории, а определяется начальным и конечным положением тела, пользуются понятием потенциальной энергии.

Если записать формулу для работы силы тяжести в виде

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

т. е. работа определяется изменением величины mgh, которая называется потенциальной энергией тела в поле силы тяжести: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела с противоположным знаком. Это означает, что при падении тела, когда сила тяжести выполняет положительную работу, его потенциальная энергия уменьшается. И наоборот, при движении тела вверх, когда сила тяжести выполняет отрицательную работу, его потенциальная энергия увеличивается. Эта особенность характерна для всех случаев, когда работа силы не зависит от формы траектории.

Что такое потенциальная энергия

Поскольку любое тело и Земля притягивают друг друга, т. е. взаимодействуют, то потенциальная энергия тела, поднятого над Землей, будет зависеть от высоты подъёма h. Чем больше высота подъёма тела, тем больше его потенциальная энергия.

Опытами установлено, что потенциальная энергия тела зависит не только от высоты, на которую оно поднято, но и от массы тела. Если тела подняты на одинаковую высоту, то тело, у которого масса больше, будет иметь и ббльшую потенциальную энергию. Во время падения поднятого тела на поверхность Земли сила тяжести выполнила работу, соответствующую изменению потенциальной энергии тела со значения её на высоте И до значения на поверхности Земли. Если для удобства принять, что потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю, то потенциальная энергия поднятого тела будет равна выполненной во время падения работе:по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Итак, потенциальную энергию тела, поднятого на некоторую высоту, будем определять по формуле: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

где Еп — потенциальная энергия поднятого тела; m — масса тела; по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела= 9,81

h — высота, на которую поднято тело.

Большой запас потенциальной энергии у воды горных или равнинных рек, поднятых плотинами. Падая с высоты вниз, вода выполняет работу: приводит в движение турбины гидроэлектростанций. В Украине на Днепре построено несколько гидроэлектростанций, в которых используют энергию воды для получения электроэнергии. На рисунке 174 изображено сечение такой станции. Вода с более высокого уровня падает вниз и вращает колесо гидротурбины. Вал турбины соединён с генератором электрического тока.

Потенциальная энергия пружины зависит от её удлинения (изменения длины при сжатии или растяжении) и жёсткости (зависит от конструкции пружины и упругости материала, из которого она изготовлена). Чем больше удлинение (деформация) пружины, и чем больше её жёсткость, тем большую потенциальную энергию она приобретает при деформации. Такая зависимость свойственна любому упруго деформированному телу.

Потенциальную энергию упругодеформированного тела определяют по формуле: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

где по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела— потенциальная энергия упруго деформированного тела (пружины); по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела— жёсткость тела (единица жёсткости — 1 по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела— удлинение (деформация) тела (пружины).

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела
Но тела могут обладать энергией не только потому, что они находятся в определённом положении или деформируются, а и потому, что они находятся в движении.

Определение потенциальной энергии

В повседневной жизни можно обнаружить множество различных тел, при перемещении которых может выполняться работа. Так, выпавший из рук шарик начнет падать под действием силы притяжения, которая будет выполнять работу по перемещению шарика.

Сжатая пружина может поднять на определенную высоту груз. В этом случае сила упругости выполняет работу по перемещению груза.

Что такое энергия

Можно привести еще много разных примеров из природы, из повседневной жизни, из техники, в которых речь идет о телах, находящихся в таком состоянии, что при определенных условиях может выполняться работа при их перемещении. О таких телах говорят, что они обладают энергией. При различных условиях результат выполнения работы может быть разным. Поэтому и энергия может иметь различные значения и может быть рассчитана.

Единицы энергии

Поскольку речь идет о возможности выполнения работы, то энергию целесообразно измерять в таких же единицах, что и работу. Поэтому единицей энергии есть 1 Дж.

Виды механической энергии

В физике выделяют два вида механической энергии: потенциальную и кинетическую. Если тело неподвижно, но па него действует определенная сила, то говорят, что оно обладает потенциальной энергией.

Потенциальной энергией обладает тело, поднятое над поверх-136 ностью Земли, сжатая пружина, сжатый газ, речная вода в водоеме и другие тела.

Как рассчитывают потенциальную энергию

Рассчитывают потенциальную энергию с учетом природы сил, действующих на эти тела. Проще всего рассчитать потенциальную энергию тела, поднятого над поверхностью Земли, поскольку сила, действующая на него, остается практически постоянной на протяжении всего времени его движения под действием этой силы.

Пусть тело массой по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей теланаходится на высоте по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей теланад землей. Если оно упадет на поверхность, то будет выполнена работа

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Следовательно, о таком теле можно сказать, что оно обладает потенциальной энергией

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Потенциальная энергия тела, поднятого над поверхностью Земли, пропорциональна массе тела и его высоте над поверхностью Земли.

При расчете потенциальной энергии важно помнить, что высота по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телаявляется путем, который тело преодолеет в вертикальном направлении. Таким образом, всегда следует указывать, относительно какой поверхности определяется потенциальная энергия. Например, тело массой 2 кг, поднятое над столом на высоту 1,5 м, будет обладать потенциальной энергией, равной примерно 30 Дж, а потенциальная энергия этого тела, рассчитанная для высоты 3 м над полом, будет 60 Дж.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела

Расчет работы силы упругости усложняется тем, что в ходе выполнения работы значение силы изменяется. Поскольку изменение силы упругости происходит линейно, то при расчетах работы используют среднее значение силы:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

где по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела— значения силы упругости в начале и в конце процесса.

Учитывая, что по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела(по закону Гука), то

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела
В случае, когда по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела= 0, т. е. сила упругости действует вдоль прямой, по которой происходит перемещение, получим выражение для расчета работы силы упругости:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела
где по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела— удлинение, характеризующее начальную и конечную деформации соответственно.

Для потенциальной энергии тела в поле силы тяжести можно записать:
по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела
Потенциальная энергия упруго деформированного тела зависит от его деформации.

Работа силы упругости равна изменению потенциальной энергии упруго деформированного тела, взятой с противоположным знаком.

Как и в случае работы силы тяжести, работа силы упругости зависит не от формы траектории, а только от начальной и конечной деформации тела.

Механическая работа и кинетическая энергия

Чтобы шли механические часы, их нужно завести — закрутить пружину; раскручиваясь, пружина совершит работу. Поднявшись на вершину горы, лыжник создаст «запас работы» и в результате сможет скатиться вниз; при этом работу совершит сила тяжести. Самый простой способ разбить окно в горящем доме — бросить в окно камень. Если скорость движения камня достаточна, он разобьет окно — совершит работу. О теле или системе тел, которые могут совершить работу, говорят, что они обладают энергией.

Когда сила совершает механическую работу

Основная задача механики — определение механического состояния тела (координат тела и скорости его движения) в любой момент времени. Механическое состояние тела не изменяется само по себе — необходимо взаимодействие, то есть наличие силы. Когда тело перемещается (изменяет свое механическое состояние) под действием силы, говорят, что данная сила совершает механическую работу.

Механическая работа (работа силы) A — физическая величина, характеризующая изменение механического состояния тела и равная произведению модуля силы F, модуля перемещения s и косинуса угла a между вектором силы и вектором перемещения:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Единица работы в СИ — джоуль: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

1 Дж равен механической работе, которую совершает сила 1 Н, перемещая тело на 1 м в направлении действия этой силы.

Работа силы — величина скалярная, однако она может быть положительной, отрицательной, равной нулю — в зависимости от того, куда направлена сила относительно направления движения тела (см. таблицу).

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Геометрический смысл работы силы

Рассмотрим силу, действующую под некоторым углом α к направлению движения тела. Найдем проекцию этой силы на направление перемещения тела, для чего ось ОХ направим в сторону движения тела (рис. 15.1, а). Из рисунка видим, что по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела, следовательно, по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела.

Построим график по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела— зависимости проекции силы от модуля перемещения. Если сила, действующая на тело, постоянна, график этой зависимости представляет собой отрезок прямой, параллельной оси перемещения (рис. 15.1, б). Из рисунка видим, что произведение по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телаи s соответствует площади S прямоугольника под графиком.

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телапо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Рис. 15.1. Если направление оси ОХ совпадает с направлением движения тела, то работа A силы численно равна площади S фигуры под графиком зависимости по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

В этом состоит геометрический смысл работы силы: работа силы численно равна площади фигуры под графиком зависимости проекции силы от модуля перемещения. Это утверждение распространяется и на случаи, когда сила переменная (рис. 15.1, в, г).

Когда тело имеет кинетическую энергию

Рассмотрим тело массой m, которое под действием равнодействующей силы по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телаувеличивает скорость своего движения от v0 до v. Пусть равнодействующая по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телане изменяется со временем и направлена в сторону движения тела. Определим работу этой силы.

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Величину по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей теланазывают кинетической энергией тела по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела.

Кинетическая энергия — физическая величина, которая характеризует механическое состояние движущегося тела и равна половине произведения массы m тела на квадрат скорости v его движения:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Теорема о кинетической энергии: работа равнодействующей всех сил, которые действуют на тело, равна изменению кинетической энергии тела:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Если в начальный момент времени тело неподвижно ( по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела= 0), то естьпо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела= 0, то теорема о кинетической энергии сводится к равенству:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Кинетическая энергия тела, движущегося со скоростью v, равна работе, которую совершает сила, чтобы придать неподвижному телу данную скорость.

Мощность

До сих пор мы говорили о работе силы. Но любая сила характеризует действие определенного тела (или поля). Поэтому работу силы часто называют работой тела (работой поля), со стороны которого действует эта сила. На практике большое значение имеет не только выполненная работа, но и время, за которое эта работа была выполнена. Поэтому для характеристики механизмов, предназначенных для совершения работы, используют понятие мощности.

Мощность P (или N) — физическая величина, характеризующая скорость выполнения работы и равная отношению работы А к интервалу времени t, за который эта работа выполнена:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Единица мощности в СИ — ватт:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

(Названа в честь Джеймса Ватта (1736–1819). Как единицу мощности он ввел лошадиную силу, которую иногда используют и сейчас: 1 л. с. = 746 Вт.)

Мощность, которую развивает транспортное средство, удобно определять через силу тяги и скорость движения. Если тело движется равномерно, а направление силы тяги совпадает с направлением перемещения, тяговую мощность двигателя можно вычислить по формуле:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Обратите внимание! Данная формула справедлива для любого движения: мощность, которую развивает двигатель в данный момент времени, равна произведению модуля силы тяги двигателя на модуль его мгновенной скорости: P = Fv (рис. 15.3).

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Рис. 15.3. Когда для движения автомобиля требуется большая сила тяги, водитель переходит на меньшую скорость или нажимает на газ, увеличивая таким образом мощность двигателя

Чтобы определить механическую работу и мощность, нужно знать силу, действующую на тело, перемещение тела и время его движения. Поэтому обычно решение задач на определение работы и мощности сводится к решению задач по кинематике и динамике.

Пример №1

Автомобиль массой 2 т движется равномерно со скоростью 20 м/с по горизонтальному участку дороги. Какие силы действуют на автомобиль? Найдите работу каждой силы и тяговую мощность двигателя автомобиля, если коэффициент сопротивления движению равен 0,01, а время движения — 50 с.

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телапо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Решение:

Выполним пояснительный рисунок, на котором укажем силы, действующие на автомобиль: силу тяжести по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела, силу тяги по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела, силу сопротивления движению по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела, силу по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей теланормальной реакции опоры. По определению работы: A = Fscosα

Чтобы определить работу каждой силы, нужно найти::

1. Автомобиль движется равномерно, поэтому действующие на него силы скомпенсированы: — сила тяжести уравновешена силой нормальной реакции опоры: N = mg; — сила тяги уравновешена силой сопротивления движению: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

3. Сила тяжести и сила нормальной реакции опоры перпендикулярны направлению движения автомобиля (α = 90°, cosα = 0). Следовательно, работа этих сил равна нулю. Сила тяги направлена в сторону движения тела: α = 0, cosα = 1, поэтому:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Сила сопротивления противоположна движению: α = 180°, cosα = −1, поэтому:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

4. Тяговую мощность двигателя автомобиля определим по формуле по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телаПроверим единицы, найдем значения искомых величин:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телапо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Потенциальная энергия и закон сохранения механической энергии

Поднятый молот не обладает кинетической энергией, так как его скорость равна нулю. Но если молот отпустить, он совершит работу (расплющит металл). Натянутая тетива лука не имеет кинетической энергии, но, выпрямляясь, она придаст скорость стреле, а значит, совершит работу. И деформированное тело, и тело, поднятое над поверхностью Земли, способны совершить работу, то есть обладают энергией. Что это за энергия и как ее рассчитать?

Когда тело обладает потенциальной энергией

Механическая энергия E — физическая величина, характеризующая способность тела (системы тел) совершить работу.

Единица энергии (как и работы) в СИ — джоуль [E] = 1 Дж (J).

Любое движущееся тело может совершить работу, поскольку оно обладает кинетической энергией, или «живой силой», как ее называли раньше. Есть еще один вид механической энергии — ее называли «мертвая сила». Это — потенциальная энергия (от лат. potentia — сила, возможность), — энергия, которую имеет тело в результате взаимодействия с другими телами.

Потенциальная энергия — энергия, которой обладает тело вследствие взаимодействия с другими телами или вследствие взаимодействия частей тела.

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телапо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Рис. 16.1. И девочка в результате взаимодействия с Землей (а), и сжатая пружина в результате взаимодействия ее витков (б) обладают потенциальной энергией

Девочка на вершине горки (рис. 16.1, а) обладает потенциальной энергией, поскольку в результате взаимодействия с Землей может начать движение и сила тяжести совершит работу. Но как вычислить эту работу, ведь горка неровная и в течение всего времени движения угол между направлением силы тяжести и направлением перемещения будет изменяться?

Сжатая пружина (рис. 16.1, б) тоже обладает потенциальной энергией: при распрямлении пружины сила упругости совершит работу — подбросит брусок. Но как вычислить эту работу, ведь во время действия пружины на брусок сила упругости непрерывно уменьшается?

Оказывается, все не так сложно. И сила тяжести, и сила упругости имеют одно «замечательное» свойство — работа этих сил не зависит от формы траектории. Силы, работа которых не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным механическими состояниями тела (системы тел), называют потенциальными, или консервативными, силами (от лат. conservare — сохранять, охранять).

Потенциальная энергия поднятого тела

Докажем, что сила тяжести — консервативная сила. Для этого определим работу силы тяжести при движении тела из точки K в точку B по разным траекториям.

Случай 1. Пусть траектория движения тела — «ступенька» (рис. 16.2, а): сначала тело падает с некоторой высоты по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей теладо высоты h и сила тяжести совершает работу по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела, затем тело движется горизонтально и сила тяжести совершает работу по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела. Работа — величина аддитивная, поэтому общая работа по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела.

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела= 0, так как сила тяжести перпендикулярна перемещению тела. Итак: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела.

Случай 2. Пусть тело перемещается из точки K в точку В, скользя по наклонной плоскости (рис. 16.2, б). В этом случае работа силы тяжести равна:по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телапо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телапо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Рис. 16.2. При перемещении тела с высоты по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей теладо высоты h работа силы тяжести, независимо от траектории движения тела, определяется по формуле:по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Тот же результат получим и для случаев перемещения тела по произвольной траектории. Следовательно, работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела, то есть сила тяжести — консервативная сила. Величину mgh называют потенциальной энергией поднятого тела:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Потенциальная энергия поднятого тела зависит от высоты, на которой находится тело, то есть зависит от выбора нулевого уровня, — уровня, от которого будет отсчитываться высота. Нулевой уровень выбирают из соображений удобства. Так, находясь в комнате, за нулевой уровень целесообразно взять пол, определяя высоту горы — поверхность Мирового океана.

Обратите внимание! Изменение потенциальной энергии, а следовательно, и работа силы тяжести от выбора нулевого уровня не зависят.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела

Пусть имеется упруго деформированное тело — растянутая пружина. Определим работу, которую совершит сила упругости при уменьшении удлинения пружины от по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей теладо x (рис. 16.3). Воспользуемся для этого геометрическим смыслом механической работы (рис. 16.4):

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телапо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Таким образом, работа силы упругости определяется только начальным и конечным состояниями пружины, то есть сила упругости — консервативная сила. Величину по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей теланазывают потенциальной энергией упруго деформированного тела:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Работа силы упругости (как и силы тяжести) равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Данное выражение — математическая запись теоремы о потенциальной энергии: работа всех консервативных сил, действующих на тело, равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

Состояние с меньшей потенциальной энергией является энергетически выгодным; любая замкнутая система стремится перейти в такое состояние, в котором ее потенциальная энергия минимальна, — в этом заключается принцип минимума потенциальной энергии. Действительно, камень, выпущенный из руки, никогда не полетит вверх — он будет падать, стремясь достичь состояния с наименьшей потенциальной энергией. Недеформированная пружина никогда не станет сама растягиваться или сжиматься, а деформированная пружина стремится перейти в недеформированное состояние.

Закон сохранения полной механической энергии

Как правило, тело или система тел обладают и потенциальной, и кинетической энергиями. Сумму кинетических и потенциальных энергий тел системы называют полной механической энергией системы тел: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела(рис. 16.5).

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Рассмотрим замкнутую систему тел, взаимодействующих друг с другом только консервативными силами (силами тяготения или силами упругости). По теореме о потенциальной энергии работа A, совершаемая этими силами, равна: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела. С другой стороны, согласно теореме о кинетической энергии эта же работа равна: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела. Приравняв правые части равенств, получим закон сохранения и превращения полной механической энергии:

В замкнутой системе тел, взаимодействующих только консервативными силами, полная механическая энергия остается неизменной (сохраняется):

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Закон сохранения полной механической энергии предполагает превращение кинетической энергии в потенциальную и наоборот (рис. 16.6). Однако сохраняется ли при этом полная механическая энергия? Наш опыт подсказывает, что нет. И действительно, закон сохранения полной механической энергии справедлив только в случаях, когда в системе отсутствует трение. Однако в природе не существует движений, не сопровождающихся трением. Сила трения всегда направлена против движения тела, поэтому при движении она совершает отрицательную работу, при этом полная механическая энергия системы уменьшается:

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

где по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела— работа силы трения; E, по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела— полная механическая энергия системы в конце и в начале наблюдения соответственно.

Потери энергии наблюдаются и в случае неупругого удара. Так что, при наличии трения или при неупругой деформации энергия бесследно исчезает? Казалось бы, да. Однако измерения показывают, что в результате и трения, и неупругого удара температуры взаимодействующих тел увеличиваются, то есть увеличиваются внутренние энергии тел. Значит, кинетическая энергия не исчезает, а переходит во внутреннюю энергию.

Энергия никуда не исчезает и ниоткуда не появляется: она только переходит из одного вида в другой, передается от одного тела к другому.

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Алгоритм решения задач с применением закона сохранения механической энергии

Пример №2

Какую минимальную скорость нужно сообщить шарику, подвешенному на нити длиной 0,5 м, чтобы он смог совершить полный оборот в вертикальной плоскости? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Анализ физической проблемы

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телапо какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Решение:

На рисунке отметим положения шарика в самой нижней и самой верхней точках траектории; силы, действующие на шарик в верхней точке; направление ускорения. По закону сохранения механической энергии: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Согласно второму закону Ньютона: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела.

Поскольку по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Подставим выражение (2) в выражение (1): по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей телаПроверим единицу, найдем значение искомой величины: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

Ответ: по какой формуле можно рассчитать потенциальную энергию поднятого над землей тела

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *