-->
|
|
|
Ãëàâà 5. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè § 44. Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿÂñïîìíèòå, êàêàÿ ñâÿçü ñóùåñòâóåò ìåæäó ðàáîòîé ñèëû òÿæåñòè è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèåé. Ïî÷åìó ðàáîòà ñèëû óïðóãîñòè îïðåäåëÿåòñÿ å¸ ñðåäíèì çíà÷åíèåì? Ñîãëàñíî òåîðåìå îá èçìåíåíèè êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ðàáîòà ñèëû, äåéñòâóþùåé íà òåëî, ðàâíà èçìåíåíèþ åãî êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè:
Åñëè æå ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó òåëàìè ÿâëÿþòñÿ êîíñåðâàòèâíûìè, òî, èñïîëüçóÿ ÿâíûå âûðàæåíèÿ äëÿ ñèë, ìû ïîêàçàëè (ñì. § 43), ÷òî ðàáîòó òàêèõ ñèë ìîæíî òàêæå ïðåäñòàâèòü â âèäå ðàçíîñòè äâóõ çíà÷åíèé íåêîòîðîé âåëè÷èíû, çàâèñÿùåé îò âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ òåë (èëè ÷àñòåé îäíîãî òåëà):
Çäåñü âûñîòû h1 è h2 îïðåäåëÿþò âçàèìíîå ðàñïîëîæåíèå òåëà è ïîâåðõíîñòè Çåìëè, à óäëèíåíèÿ õ1 è õ2 — âçàèìíîå ðàñïîëîæåíèå ÷àñòåé òåëà, íàïðèìåð âèòêîâ äåôîðìèðîâàííîé ïðóæèíû. Èç ôîðìóë (5.18) è (5.19) ñëåäóåò, ÷òî
Ââåäÿ ïîíÿòèå ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè, ìû ïîëó÷àåì âîçìîæíîñòü âûðàçèòü ðàáîòó ëþáûõ êîíñåðâàòèâíûõ ñèë ÷åðåç èçìåíåíèå ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè. Ïîä èçìåíåíèåì âåëè÷èíû ïîíèìàþò ðàçíîñòü ìåæäó å¸ êîíå÷íûì è íà÷àëüíûì çíà÷åíèÿìè, ïîýòîìó Åï = Åï2 - Åï1. Ñëåäîâàòåëüíî, îáà óðàâíåíèÿ (5.19) ìîæíî çàïèñàòü òàê: À = Åï1 — Åï2 = -(Åï2 — Åï1) = -ΔÅï, (5.22) îòêóäà ΔÅï = -À.
Íàïðèìåð, ïðè ïàäåíèè êàìíÿ íà Çåìëþ åãî ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ óáûâàåò (ΔÅï < 0), íî ñèëà òÿæåñòè ñîâåðøàåò ïîëîæèòåëüíóþ ðàáîòó (À > 0). Ñëåäîâàòåëüíî, À è ΔÅï èìåþò ïðîòèâîïîëîæíûå çíàêè â ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé (5.22). Íóëåâîé óðîâåíü ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè. Ñîãëàñíî óðàâíåíèþ (5.22) ðàáîòà êîíñåðâàòèâíûõ ñèë îïðåäåëÿåò íå ñàìó ïîòåíöèàëüíóþ ýíåðãèþ, à å¸ èçìåíåíèå. Ïîñêîëüêó ðàáîòà îïðåäåëÿåò ëèøü èçìåíåíèå ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè, òî òîëüêî èçìåíåíèå ýíåðãèè â ìåõàíèêå èìååò ôèçè÷åñêèé ñìûñë. Ïîýòîìó
Íè îäíî ÿâëåíèå â ïðèðîäå èëè òåõíèêå íå îïðåäåëÿåòñÿ çíà÷åíèåì ñàìîé ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè. Âàæíà ëèøü ðàçíîñòü çíà÷åíèé ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè â êîíå÷íîì è íà÷àëüíîì ñîñòîÿíèÿõ ñèñòåìû òåë. Âûáîð íóëåâîãî óðîâíÿ ïðîèçâîäèòñÿ ïî-ðàçíîìó è äèêòóåòñÿ óñëîâèÿìè äàííîé çàäà÷è. Îáû÷íî â êà÷åñòâå ñîñòîÿíèÿ ñ íóëåâîé ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèåé âûáèðàþò ñîñòîÿíèå ñèñòåìû ñ ìèíèìàëüíûì çíà÷åíèåì ýíåðãèè. Òîãäà ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ âñåãäà ïîëîæèòåëüíà èëè ðàâíà íóëþ. Èòàê, ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû «òåëî — Çåìëÿ» — âåëè÷èíà, çàâèñÿùàÿ îò ïîëîæåíèÿ òåëà îòíîñèòåëüíî Çåìëè, ðàâíàÿ ðàáîòå êîíñåðâàòèâíîé ñèëû ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà èç òî÷êè, ãäå îíî íàõîäèòñÿ, â òî÷êó, ñîîòâåòñòâóþùóþ íóëåâîìó óðîâíþ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè ñèñòåìû. Ó ïðóæèíû ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ìèíèìàëüíà â îòñóòñòâèå äåôîðìàöèè, à ó ñèñòåìû «êàìåíü — Çåìëÿ» — êîãäà êàìåíü ëåæèò íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Ïîýòîìó â ïåðâîì ñëó÷àå Íî ê äàííûì âûðàæåíèÿì ìîæíî äîáàâèòü ëþáóþ ïîñòîÿííóþ âåëè÷èíó Ñ. Ïðè ýòîì èçìåíåíèå ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè, îïðåäåëÿåìîå ðàáîòîé êîíñåðâàòèâíîé ñèëû, îñòàíåòñÿ ïðåæíèì.
Åñëè íå óäåðæèâàòü òåëî, òî îíî ïàäàåò íà çåìëþ (h = 0); åñëè îòïóñòèòü ðàñòÿíóòóþ èëè ñæàòóþ ïðóæèíó, òî îíà âåðí¸òñÿ â íåäåôîðìèðîâàííîå ñîñòîÿíèå (õ = 0). Âîïðîñû ê ïàðàãðàôó 1.  ÷¸ì ñîñòîèò ñõîäñòâî êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè òåëà ñ ïîòåíöèàëüíîé? 2.  ÷¸ì ñîñòîèò ðàçëè÷èå ìåæäó êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé è ïîòåíöèàëüíîé? 3. Ìîæåò ëè ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ áûòü îòðèöàòåëüíîé?
|
|
|