-->
|
|
|
Ãëàâà 5. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè § 45. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè â ìåõàíèêåÊàê èçìåíÿþòñÿ ïîòåíöèàëüíàÿ, êèíåòè÷åñêàÿ è ïîëíàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèè òåëà ïðè åãî ñâîáîäíîì ïàäåíèè âíèç? åñëè òåëî áðîøåíî ââåðõ? Îáðàòèìñÿ ê ïðîñòîé ñèñòåìå òåë, ñîñòîÿùåé èç çåìíîãî øàðà è ïîäíÿòîãî íàä ïîâåðõíîñòüþ Çåìëè òåëà, íàïðèìåð êàìíÿ. Êàìåíü ïàäàåò ïîä äåéñòâèåì ñèëû òÿæåñòè. Ñèëó ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà ó÷èòûâàòü íå áóäåì. Èçìåíåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè êàìíÿ ðàâíî ðàáîòå ñèë òÿæåñòè: ΔÅê = Aò (5.23) Èçìåíåíèå ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè ðàâíî ðàáîòå ñèëû òÿæåñòè, âçÿòîé ñ îáðàòíûì çíàêîì: ΔÅï = -Àò (5.24) Ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè, äåéñòâóþùåé ñî ñòîðîíû êàìíÿ íà çåìíîé øàð, ïðàêòè÷åñêè ðàâíà íóëþ. Èç-çà áîëüøîé ìàññû çåìíîãî øàðà åãî ïåðåìåùåíèåì è èçìåíåíèåì ñêîðîñòè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Èç ôîðìóë (5.23) è (5.24) ñëåäóåò, ÷òî ΔÅê = -ΔÅï. (5.25) Ðàâåíñòâî (5.25) îçíà÷àåò, ÷òî óâåëè÷åíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ñèñòåìû ðàâíî óáûëè å¸ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè (èëè íàîáîðîò). Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ΔÅê + ΔÅï = 0, èëè Δ (Åê + Åï) = 0. (5.26) Èçìåíåíèå ñóììû êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèé ñèñòåìû ðàâíî íóëþ. Ïîëíàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ Å ðàâíà ñóììå êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèé òåë, âõîäÿùèõ â ñèñòåìó: Å = Åê + Åï. (5.27) Òàê êàê èçìåíåíèå ïîëíîé ýíåðãèè ñèñòåìû â ðàññìàòðèâàåìîì ñëó÷àå ñîãëàñíî óðàâíåíèþ (5.26) ðàâíî íóëþ, òî ýíåðãèÿ îñòà¸òñÿ ïîñòîÿííîé: Å = Åê + Åï = const. (5.28)
Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè ÿâëÿåòñÿ ÷àñòíûì ñëó÷àåì îáùåãî çàêîíà ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè.
Ó÷èòûâàÿ, ÷òî â ðàññìàòðèâàåìîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå Åï = mgh è
èëè
Ýòî óðàâíåíèå ïîçâîëÿåò î÷åíü ïðîñòî íàéòè ñêîðîñòü υ2 êàìíÿ íà ëþáîé âûñîòå h2 íàä çåìë¸é, åñëè èçâåñòíà íà÷àëüíàÿ ñêîðîñòü êàìíÿ íà èñõîäíîé âûñîòå h1.
Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè (5.28) ëåãêî îáîáùàåòñÿ íà ñëó÷àé ëþáîãî ÷èñëà òåë è ëþáûõ êîíñåðâàòèâíûõ ñèë âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó íèìè. Ïîä Åê íóæíî ïîíèìàòü ñóììó êèíåòè÷åñêèõ ýíåðãèé âñåõ òåë, à ïîä Åï — ïîëíóþ ïîòåíöèàëüíóþ ýíåðãèþ ñèñòåìû. Äëÿ ñèñòåìû, ñîñòîÿùåé èç òåëà ìàññîé m è ãîðèçîíòàëüíî ðàñïîëîæåííîé ïðóæèíû (ñì. ðèñ. 5.13), çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè èìååò âèä
Óìåíüøåíèå ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè ñèñòåìû ïîä äåéñòâèåì ñèë òðåíèÿ. Ðàññìîòðèì âëèÿíèå ñèë òðåíèÿ íà èçìåíåíèå ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè ñèñòåìû. Åñëè â èçîëèðîâàííîé ñèñòåìå ñèëû òðåíèÿ ñîâåðøàþò ðàáîòó ïðè äâèæåíèè òåë îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà, òî å¸ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ íå ñîõðàíÿåòñÿ.  ýòîì ëåãêî óáåäèòüñÿ, òîëêíóâ êíèãó, ëåæàùóþ íà ñòîëå. Èç-çà äåéñòâèÿ ñèëû òðåíèÿ êíèãà ïî÷òè ñðàçó îñòàíàâëèâàåòñÿ. Ñîîáù¸ííàÿ åé ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ èñ÷åçàåò. Ñèëà òðåíèÿ ñîâåðøàåò îòðèöàòåëüíóþ ðàáîòó è óìåíüøàåò êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ. Íî ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ïðè ýòîì íå óâåëè÷èâàåòñÿ. Ïîýòîìó ïîëíàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ óáûâàåò. Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ íå ïðåâðàùàåòñÿ â ïîòåíöèàëüíóþ.
Ñèëû òðåíèÿ (ñîïðîòèâëåíèÿ) íåêîíñåðâàòèâíû. Îòëè÷èå ñèë òðåíèÿ îò êîíñåðâàòèâíûõ ñèë ñòàíîâèòñÿ îñîáåííî íàãëÿäíûì, åñëè ðàññìîòðåòü ðàáîòó òåõ è äðóãèõ íà çàìêíóòîì ïóòè. Ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè, íàïðèìåð, íà çàìêíóòîì ïóòè âñåãäà ðàâíà íóëþ. Îíà ïîëîæèòåëüíà ïðè ïàäåíèè òåëà ñ âûñîòû h è îòðèöàòåëüíà ïðè ïîäú¸ìå íà òó æå âûñîòó. Ðàáîòà æå ñèëû ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà îòðèöàòåëüíà êàê ïðè ïîäú¸ìå òåëà ââåðõ, òàê è ïðè äâèæåíèè åãî âíèç. Ïîýòîìó íà çàìêíóòîì ïóòè îíà îáÿçàòåëüíî ìåíüøå íóëÿ.  ëþáîé ñèñòåìå, ñîñòîÿùåé èç áîëüøèõ ìàêðîñêîïè÷åñêèõ òåë, äåéñòâóþò ñèëû òðåíèÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, äàæå â èçîëèðîâàííîé ñèñòåìå äâèæóùèõñÿ òåë ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ îáÿçàòåëüíî óáûâàåò. Ïîñòåïåííî çàòóõàþò êîëåáàíèÿ ìàÿòíèêà, îñòàíàâëèâàåòñÿ ìàøèíà ñ âûêëþ÷åííûì äâèãàòåëåì è ò. ä. Íî óáûâàíèå ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè íå îçíà÷àåò, ÷òî ýòà ýíåðãèÿ èñ÷åçàåò áåññëåäíî.  äåéñòâèòåëüíîñòè ïðîèñõîäèò ïåðåõîä ýíåðãèè èç ìåõàíè÷åñêîé ôîðìû â äðóãèå. Îáû÷íî ïðè ðàáîòå ñèë òðåíèÿ ïðîèñõîäèò íàãðåâàíèå òåë, èëè, êàê ãîâîðÿò, óâåëè÷åíèå èõ âíóòðåííåé ýíåðãèè. Âî âñåõ ïðîöåññàõ, ïðîèñõîäÿùèõ â ïðèðîäå, êàê è â ñîçäàâàåìûõ ïðèáîðàõ, óñòðîéñòâàõ, âñåãäà âûïîëíÿåòñÿ çàêîí ñîõðàíåíèÿ è ïðåâðàùåíèÿ ýíåðãèè: ýíåðãèÿ íå èñ÷åçàåò è íå ïîÿâëÿåòñÿ âíîâü, îíà ìîæåò òîëüêî ïåðåéòè èç îäíîãî âèäà â äðóãîé.
Âîïðîñû ê ïàðàãðàôó 1. ×òî íàçûâàåòñÿ ïîëíîé ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèåé ñèñòåìû? 2. Ìîæåò ëè ñîõðàíÿòüñÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû, íà êîòîðóþ äåéñòâóþò âíåøíèå ñèëû? 3. Òåëî ïàäàåò ñ âûñîòû Í. Ïîñòðîéòå ãðàôèêè çàâèñèìîñòè ïîòåíöèàëüíîé, êèíåòè÷åñêîé è ïîëíîé ýíåðãèé ñèñòåìû «òåëî—Çåìëÿ» îò âûñîòû h. Âñå âûñîòû ñ÷èòàéòå îò ïîâåðõíîñòè Çåìëè. 4.  êàêèõ ñëó÷àÿõ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû ñîõðàíÿåòñÿ? 5. Ïî÷åìó ñèëà òðåíèÿ ÿâëÿåòñÿ íåêîíñåðâàòèâíîé? 6. Âî ÷òî ïåðåõîäèò ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ â ñèñòåìå, â êîòîðîé äåéñòâóþò ñèëû òðåíèÿ?
|
|
|