-->
|
|
|
Ãëàâà 5. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè § 43. Ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè è ñèëû óïðóãîñòè. Êîíñåðâàòèâíûå ñèëûÏî êàêîé ôîðìóëå ìîæíî âû÷èñëèòü ðàáîòó ñèëû? ×òî îáùåãî ìåæäó ðàáîòîé ñèëû òÿæåñòè è ñèëû óïðóãîñòè?
Ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè. Âû÷èñëèì ðàáîòó ñèëû òÿæåñòè ïðè ïàäåíèè òåëà (íàïðèìåð, êàìíÿ) âåðòèêàëüíî âíèç.  íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè òåëî íàõîäèëîñü íà âûñîòå hx íàä ïîâåðõíîñòüþ Çåìëè, à â êîíå÷íûé ìîìåíò âðåìåíè — íà âûñîòå h2 (ðèñ. 5.8). Ìîäóëü ïåðåìåùåíèÿ òåëà |Δ Íàïðàâëåíèÿ âåêòîðîâ ñèëû òÿæåñòè À = | Ïóñòü òåïåðü òåëî áðîñèëè âåðòèêàëüíî ââåðõ èç òî÷êè, ðàñïîëîæåííîé íà âûñîòå h1 íàä ïîâåðõíîñòüþ Çåìëè, è îíî äîñòèãëî âûñîòû h2 (ðèñ. 5.9). Âåêòîðû À = |
Åñëè æå òåëî ïåðåìåùàåòñÿ ïî ïðÿìîé òàê, ÷òî íàïðàâëåíèå ïåðåìåùåíèÿ ñîñòàâëÿåò óãîë à ñ íàïðàâëåíèåì ñèëû òÿæåñòè (ðèñ. 5.10), òî ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ðàâíà: À = | Èç ïðÿìîóãîëüíîãî òðåóãîëüíèêà BCD âèäíî, ÷òî |BC|cosα = BD = h1 — h2. Ñëåäîâàòåëüíî, À = mg(h1 - h2) = mgh1 - mgh2. (5.14) Ýòî âûðàæåíèå ñîâïàäàåò ñ âûðàæåíèåì (5.12). Ôîðìóëû (5.12), (5.13), (5.14) äàþò âîçìîæíîñòü ïîäìåòèòü âàæíóþ çàêîíîìåðíîñòü. Ïðè ïðÿìîëèíåéíîì äâèæåíèè òåëà ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè â êàæäîì ñëó÷àå ðàâíà ðàçíîñòè äâóõ çíà÷åíèé âåëè÷èíû, çàâèñÿùåé îò ïîëîæåíèé òåëà, îïðåäåëÿåìûõ âûñîòàìè h1 è h2 íàä ïîâåðõíîñòüþ Çåìëè.
Áîëåå òîãî, ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà ìàññîé ò èç îäíîãî ïîëîæåíèÿ â äðóãîå íå çàâèñèò îò ôîðìû òðàåêòîðèè, ïî êîòîðîé äâèæåòñÿ òåëî. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè òåëî ïåðåìåùàåòñÿ âäîëü êðèâîé ÂÑ (ðèñ. 5.11), òî, ïðåäñòàâèâ ýòó êðèâóþ â âèäå ñòóïåí÷àòîé ëèíèè, ñîñòîÿùåé èç âåðòèêàëüíûõ è ãîðèçîíòàëüíûõ ó÷àñòêîâ ìàëîé äëèíû, óâèäèì, ÷òî íà ãîðèçîíòàëüíûõ ó÷àñòêàõ ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ðàâíà íóëþ, òàê êàê ñèëà ïåðïåíäèêóëÿðíà ïåðåìåùåíèþ, à ñóììà ðàáîò íà âåðòèêàëüíûõ ó÷àñòêàõ ðàâíà ðàáîòå, êîòîðóþ ñîâåðøèëà áû ñèëà òÿæåñòè ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà ïî âåðòèêàëüíîìó îòðåçêó äëèíîé h1 - h2. Òàêèì îáðàçîì, ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ïðè ïåðåìåùåíèè âäîëü êðèâîé ÂÑ ðàâíà: À = mgh1 - mgh2.
Îïðåäåëèì ðàáîòó À ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà ïî çàìêíóòîìó êîíòóðó, íàïðèìåð ïî êîíòóðó BCDEB (ðèñ. 5.12). Ðàáîòà À1 ñèëû òÿæåñòè ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà èç òî÷êè  â òî÷êó D ïî òðàåêòîðèè BCD: À1 = mg(h2 - h1), ïî òðàåêòîðèè DEB: À2 = mg(h1 - h2). Òîãäà ñóììàðíàÿ ðàáîòà À = À1 + À2 = mg(h2 - h1) + mg(h1 - h2) = 0.
Èòàê, ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè íå çàâèñèò îò ôîðìû òðàåêòîðèè òåëà; îíà îïðåäåëÿåòñÿ ëèøü íà÷àëüíûì è êîíå÷íûì ïîëîæåíèÿìè òåëà. Ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà ïî çàìêíóòîé òðàåêòîðèè ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ðàâíà íóëþ.
Ðàáîòà ñèëû óïðóãîñòè. Âû÷èñëèì ðàáîòó, êîòîðóþ ñîâåðøàåò ñèëà óïðóãîñòè ïðè ïåðåìåùåíèè íåêîòîðîãî ãðóçà. Íà ðèñóíêå 5.13, à ïîêàçàíà ïðóæèíà, ó êîòîðîé îäèí êîíåö çàêðåïë¸í íåïîäâèæíî, à ê äðóãîìó êîíöó ïðèêðåïë¸í øàð. Ñîâìåñòèì íà÷àëî êîîðäèíàò ñ öåíòðîì øàðà, òîãäà êîîðäèíàòà øàðà áóäåò ðàâíà óäëèíåíèþ ïðóæèíû. Åñëè ïðóæèíà ðàñòÿíóòà, òî îíà äåéñòâóåò íà øàð ñ ñèëîé |Δ
Ìû ðàññìàòðèâàåì ñëó÷àé, êîãäà íàïðàâëåíèÿ ñèëû óïðóãîñòè è ïåðåìåùåíèÿ òåëà ñîâïàäàþò. Äëÿ âû÷èñëåíèÿ ðàáîòû ïåðåìåííîé ñèëû óïðóãîñòè âîñïîëüçóåìñÿ ãðàôèêîì çàâèñèìîñòè ìîäóëÿ ñèëû óïðóãîñòè îò êîîðäèíàòû øàðà (ðèñ. 5.14).  § 40 ìû ïîêàçàëè, ÷òî ðàáîòà ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ïî ãðàôèêó çàâèñèìîñòè Fx îò õ è ÷òî ýòà ðàáîòà ÷èñëåííî ðàâíà ïëîùàäè çàøòðèõîâàííîé ôèãóðû (ñì. ðèñ. 5.3, á).  íàøåì ïðèìåðå ðàáîòà ñèëû óïðóãîñòè íà ïåðåìåùåíèè õ1 - õ2 òî÷êè å¸ ïðèëîæåíèÿ ÷èñëåííî ðàâíà ïëîùàäè òðàïåöèè BCDM. Ñëåäîâàòåëüíî,
Ñîãëàñíî çàêîíó Ãóêà çíà÷åíèÿ ñèë óïðóãîñòè F1 = kx1 è F2 = kx2. Ïîäñòàâëÿÿ ýòè âûðàæåíèÿ â óðàâíåíèå (5.16) è ó÷èòûâàÿ, ÷òî |Δ
Èëè îêîí÷àòåëüíî
Ðàáîòà ñèëû óïðóãîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè ïðóæèíû, ò. å. êîãäà íàïðàâëåíèå ñèëû ïðîòèâîïîëîæíî ïåðåìåùåíèþ òåëà:
Âî âñåõ ñëó÷àÿõ äâèæåíèÿ òåëà ïîä äåéñòâèåì ñèëû óïðóãîñòè ìû ïðèøëè áû ê òîé æå ôîðìóëå (5.17) äëÿ ðàáîòû, ò. å. ðàáîòà ñèëû óïðóãîñòè çàâèñèò ëèøü îò óäëèíåíèÿ èëè ñæàòèÿ ïðóæèíû â íà÷àëüíîì è êîíå÷íîì ñîñòîÿíèÿõ. Òàêèì îáðàçîì, ðàáîòà ñèëû óïðóãîñòè íå çàâèñèò îò ôîðìû òðàåêòîðèè è, òàê æå êàê è ñèëà òÿæåñòè, ñèëà óïðóãîñòè ÿâëÿåòñÿ êîíñåðâàòèâíîé.
Âîïðîñû ê ïàðàãðàôó 1. ×åìó ðàâíà ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè è ñèëû óïðóãîñòè ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà ïî çàìêíóòîé òðàåêòîðèè? 2. Êàêèå ñèëû íàçûâàþò êîíñåðâàòèâíûìè? Êàêîâî èõ îáùåå ñâîéñòâî?
|
|
|