-->
|
|
|
Ãëàâà 5. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè § 46. Ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ. Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ â ïîëå òÿãîòåíèÿ ÷¸ì âûðàæàåòñÿ ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå òåë? Êàê äîêàçàòü íàëè÷èå âçàèìîäåéñòâèÿ Çåìëè è, íàïðèìåð, ó÷åáíèêà ôèçèêè?  § 43 ìû ðàññìîòðåëè ðàáîòó ñèëû òÿæåñòè è âûÿñíèëè, ÷òî ñèëà òÿæåñòè — êîíñåðâàòèâíàÿ ñèëà. Òåïåðü íàéä¸ì âûðàæåíèå äëÿ ðàáîòû ñèëû òÿãîòåíèÿ è äîêàæåì, ÷òî ðàáîòà ýòîé ñèëû íå çàâèñèò îò ôîðìû òðàåêòîðèè, ò. å. ÷òî ñèëà òÿãîòåíèÿ òàêæå êîíñåðâàòèâíàÿ ñèëà. Íàïîìíèì, ÷òî ðàáîòà êîíñåðâàòèâíîé ñèëû ïî çàìêíóòîìó êîíòóðó ðàâíà íóëþ. Ïóñòü òåëî ìàññîé m íàõîäèòñÿ â ïîëå òÿãîòåíèÿ Çåìëè. Î÷åâèäíî, ÷òî ðàçìåðû ýòîãî òåëà ìàëû ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàçìåðàìè Çåìëè, ïîýòîìó åãî ìîæíî ñ÷èòàòü ìàòåðèàëüíîé òî÷êîé. Íà òåëî äåéñòâóåò ñèëà òÿãîòåíèÿ
ãäå G — ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ, Ì — ìàññà Çåìëè, r — ðàññòîÿíèå, íà êîòîðîì íàõîäèòñÿ òåëî îò öåíòðà Çåìëè. Ïóñòü òåëî ïåðåìåùàåòñÿ èç ïîëîæåíèÿ À â ïîëîæåíèå  ïî ðàçíûì òðàåêòîðèÿì: 1) ïî ïðÿìîé ÀÂ; 2) ïî êðèâîé ÀÀ'Â'Â; 3) ïî êðèâîé ÀÑ (ðèñ. 5.15) 1. Ðàññìîòðèì ïåðâûé ñëó÷àé. Ñèëà òÿãîòåíèÿ, äåéñòâóþùàÿ íà òåëî, íåïðåðûâíî óìåíüøàåòñÿ, ïîýòîìó ðàññìîòðèì ðàáîòó ýòîé ñèëû íà ìàëîì ïåðåìåùåíèè Δri = ri + 1 — ri. Ñðåäíåå çíà÷åíèå ñèëû òÿãîòåíèÿ ðàâíî:
×åì ìåíüøå Δri, òåì áîëåå ñïðàâåäëèâî íàïèñàííîå âûðàæåíèå r2ñpi = riri + 1.
Òîãäà ðàáîòó ñèëû Fñpi, íà ìàëîì ïåðåìåùåíèè Δri, ìîæíî çàïèñàòü â âèäå
Ñóììàðíàÿ ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà èç òî÷êè À â òî÷êó  ðàâíà:
2. Ïðè äâèæåíèè òåëà ïî òðàåêòîðèè ÀÀ'Â' (ñì. ðèñ. 5.15) î÷åâèäíî, ÷òî ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ íà ó÷àñòêàõ ÀÀ' è Â' ðàâíà íóëþ, òàê êàê ñèëà òÿãîòåíèÿ íàïðàâëåíà ê òî÷êå Î è ïåðïåíäèêóëÿðíà ëþáîìó ìàëîìó ïåðåìåùåíèþ ïî äóãå îêðóæíîñòè. Ñëåäîâàòåëüíî, ðàáîòà áóäåò òàêæå îïðåäåëÿòüñÿ âûðàæåíèåì (5.31). 3. Îïðåäåëèì ðàáîòó ñèëû òÿãîòåíèÿ ïðè äâèæåíèè òåëà îò òî÷êè À ê òî÷êå  ïî òðàåêòîðèè ÀÑ (ñì. ðèñ. 5.15). Ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ íà ìàëîì ïåðåìåùåíèè Δsi ðàâíà ΔÀi = FñðiΔsicosαi,.. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî Δsicosαi = - Δri, è ñóììàðíàÿ ðàáîòà îïÿòü æå áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ ïî ôîðìóëå (5.31). Èòàê, ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî À1 = À2 = À3, ò. å. ÷òî ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ íå çàâèñèò îò ôîðìû òðàåêòîðèè. Î÷åâèäíî, ÷òî ðàáîòà ñèëû òÿãîòåíèÿ ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà ïî çàìêíóòîé òðàåêòîðèè ÀÀ'Â'ÂÀ ðàâíà íóëþ.
Èçìåíåíèå ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè ðàâíî ðàáîòå ñèëû òÿãîòåíèÿ, âçÿòîé ñ îáðàòíûì çíàêîì: Åñëè âûáðàòü íóëåâîé óðîâåíü ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè íà áåñêîíå÷íîñòè, ò. å. Åï = 0 ïðè r → ∞, òî Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà ìàññîé m, íàõîäÿùåãîñÿ íà ðàññòîÿíèè r îò öåíòðà Çåìëè, ðàâíà:
Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè äëÿ òåëà ìàññîé m, äâèæóùåãîñÿ â ïîëå òÿãîòåíèÿ, èìååò âèä
ãäå υ1 — ñêîðîñòü òåëà íà ðàññòîÿíèè r1 îò öåíòðà Çåìëè, υ2 — ñêîðîñòü òåëà íà ðàññòîÿíèè r2 îò öåíòðà Çåìëè. Îïðåäåëèì, êàêóþ ìèíèìàëüíóþ ñêîðîñòü íàäî ñîîáùèòü òåëó âáëèçè ïîâåðõíîñòè Çåìëè, ÷òîáû îíî â îòñóòñòâèå ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà ìîãëî óäàëèòüñÿ îò íå¸ çà ïðåäåëû ñèë çåìíîãî ïðèòÿæåíèÿ.
Íà òåëî ñî ñòîðîíû Çåìëè äåéñòâóåò ñèëà òÿãîòåíèÿ, êîòîðàÿ çàâèñèò îò ðàññòîÿíèÿ öåíòðà ìàññ ýòîãî òåëà äî öåíòðà ìàññ Çåìëè. Ïîñêîëüêó íåêîíñåðâàòèâíûõ ñèë íåò, ïîëíàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ òåëà ñîõðàíÿåòñÿ. Âíóòðåííÿÿ ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà îñòà¸òñÿ ïîñòîÿííîé, òàê êàê îíî íå äåôîðìèðóåòñÿ. Ñîãëàñíî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè
Íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè òåëî îáëàäàåò è êèíåòè÷åñêîé, è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèåé:
ãäå υII — âòîðàÿ êîñìè÷åñêàÿ ñêîðîñòü, Ì3 è ß3 — ñîîòâåòñòâåííî ìàññà è ðàäèóñ Çåìëè.  áåñêîíå÷íî óäàëåííîé òî÷êå, ò. å. ïðè r → ∞, ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà ðàâíà íóëþ (Wï = 0), à òàê êàê íàñ èíòåðåñóåò ìèíèìàëüíàÿ ñêîðîñòü, òî è êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ òàêæå äîëæíà áûòü ðàâíà íóëþ: Wê = 0. Èç çàêîíà ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè ñëåäóåò:
îòñþäà
Ýòó ñêîðîñòü ìîæíî âûðàçèòü ÷åðåç óñêîðåíèå ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ âáëèçè ïîâåðõíîñòè Çåìëè (ïðè ðàñ÷¸òàõ, êàê ïðàâèëî, ýòèì âûðàæåíèåì ïîëüçîâàòüñÿ óäîáíåå). Ïîñêîëüêó Ñëåäîâàòåëüíî, èñêîìàÿ ñêîðîñòü
Òî÷íî òàêóþ æå ñêîðîñòü ïðèîáðåëî áû òåëî, óïàâøåå íà Çåìëþ ñ áåñêîíå÷íî áîëüøîé âûñîòû, åñëè áû íå áûëî ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà. Çàìåòèì, ÷òî âòîðàÿ êîñìè÷åñêàÿ ñêîðîñòü â
Âîïðîñû ê ïàðàãðàôó 1. ßâëÿåòñÿ ëè ñèëà òÿãîòåíèÿ êîíñåðâàòèâíîé? Ïî÷åìó? 2. Êàêèå ôèçè÷åñêèå âåëè÷èíû îñòàþòñÿ ïîñòîÿííûìè, à êàêèå èçìåíÿþòñÿ ïðè ðàñ÷¸òå âòîðîé êîñìè÷åñêîé ñêîðîñòè? 3. Èçìåíèòñÿ ëè çíà÷åíèå âòîðîé êîñìè÷åñêîé ñêîðîñòè, åñëè ðàêåòó çàïóñòèòü èç ãëóáîêîé øàõòû? 4. Êàê èçìåíèòñÿ âûðàæåíèå äëÿ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè òåëà â ïîëå òÿãîòåíèÿ, åñëè çà íóëåâîé óðîâåíü å¸ îòñ÷¸òà âçÿòü ïîâåðõíîñòü Çåìëè?
|
|
|