--> Ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè è ñèëû óïðóãîñòè. Êîíñåðâàòèâíûå ñèëû. Ôèçèêà 10 êëàññ. Ìÿêèøåâ
ìîé ÞÒÓÁ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!
ìîé ÒÅËÅÃÐÀÌ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!

 


Ñîäåðæàíèå

 

Ãëàâíàÿ >> Ôèçèêà 10 êëàññ. Ìÿêèøåâ

Ãëàâà 5. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè

 


§ 43. Ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè è ñèëû óïðóãîñòè. Êîíñåðâàòèâíûå ñèëû

    Ïî êàêîé ôîðìóëå ìîæíî âû÷èñëèòü ðàáîòó ñèëû?

    ×òî îáùåãî ìåæäó ðàáîòîé ñèëû òÿæåñòè è ñèëû óïðóãîñòè?

 íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè òåëî íàõîäèëîñü íà âûñîòå íàä ïîâåðõíîñòüþ Çåìëè

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| = h1 - h2.

Íàïðàâëåíèÿ âåêòîðîâ ñèëû òÿæåñòè T è ïåðåìåùåíèÿ Δ ñîâïàäàþò. Ñîãëàñíî îïðåäåëåíèþ ðàáîòû (ñì. ôîðìóëó (5.2)) èìååì

À = |Ò| |Δ|cos0° = mg(h1 - h2) = mgh1 - mgh2.                     (5.12)

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 Ò è Δ íàïðàâëåíû â ïðîòèâîïîëîæíûå ñòîðîíû, à ìîäóëü ïåðåìåùåíèÿ |Δ| = h2 - h1. Ðàáîòó ñèëû òÿæåñòè çàïèøåì òàê:

À = |Ò| |Δ|cos180° = -mg(h2 - h1) = mgh1 - mgh2.                     (5.13)

Ïðåäïîëîæèòå, ÷òî òåëî ïåðåìåùàåòñÿ ìåæäó òî÷êàìè 1 è 2 (ñì. ðèñ. 5.10) ïî ëîìàíîé ëèíèè. Ïîêàæèòå, ÷òî ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè è â ýòîì ñëó÷àå îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì (5.13).

ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ðàâíà

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 = |Ò| |Δ|cosα = mg|BC|cosα.

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.

åñëè òåëî ïåðåìåùàåòñÿ âäîëü êðèâîé

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.

Âàæíî
Ìû ïîêàçàëè, ÷òî ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè íå çàâèñèò îò ôîðìû òðàåêòîðèè, à çàâèñèò òîëüêî îò ïîëîæåíèé íà÷àëüíîé è êîíå÷íîé òî÷åê òðàåêòîðèè.

Îïðåäåëèì ðàáîòó À ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà ïî çàìêíóòîìó êîíòóðó

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.

Âàæíî
Ïðè äâèæåíèè òåëà ïî çàìêíóòîé òðàåêòîðèè ðàáîòà ñèëû òÿæåñòè ðàâíà íóëþ.

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.

Çàïîìíè
Ñèëû, ðàáîòà êîòîðûõ íå çàâèñèò îò ôîðìû òðàåêòîðèè òî÷êè ïðèëîæåíèÿ ñèëû è ïî çàìêíóòîé òðàåêòîðèè ðàâíà íóëþ, íàçûâàþò êîíñåðâàòèâíûìè ñèëàìè.

Ðàáîòà ñèëû óïðóãîñòè

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 1 (ðèñ. 5.13, á), íàïðàâëåííîé ê ïîëîæåíèþ ðàâíîâåñèÿ øàðà, â êîòîðîì ïðóæèíà íå äåôîðìèðîâàíà. Íà÷àëüíîå óäëèíåíèå ïðóæèíû ðàâíî õ1. Âû÷èñëèì ðàáîòó ñèëû óïðóãîñòè ïðè ïåðåìåùåíèè øàðà èç òî÷êè ñ êîîðäèíàòîé õ1 â òî÷êó ñ êîîðäèíàòîé õ2. Èç ðèñóíêà 5.13, â âèäíî, ÷òî ìîäóëü ïåðåìåùåíèÿ ðàâåí:

|Δ| = õ1 - õ2.                       (5.15)

Äëÿ âû÷èñëåíèÿ ðàáîòû ïåðåìåííîé ñèëû óïðóãîñòè âîñïîëüçóåìñÿ ãðàôèêîì çàâèñèìîñòè ìîäóëÿ ñèëû óïðóãîñòè îò êîîðäèíàòû øàðà

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,

ðàáîòà ñèëû óïðóãîñòè

Ñîãëàñíî çàêîíó Ãóêà çíà÷åíèÿ ñèë óïðóãîñòè F1 = kx1 è F2 = kx2. Ïîäñòàâëÿÿ ýòè âûðàæåíèÿ â óðàâíåíèå (5.16) è ó÷èòûâàÿ, ÷òî |Δ| = õ1 - õ2, ïîëó÷àåì

çíà÷åíèÿ ñèë óïðóãîñòè

Èëè îêîí÷àòåëüíî

Ðàáîòà ñèëû óïðóãîñòè ïðè ðàñòÿæåíèè ïðóæèíû, ò. å. êîãäà íàïðàâëåíèå ñèëû ïðîòèâîïîëîæíî ïåðåìåùåíèþ òåëà:

Âàæíî
Åñëè íà÷àëüíîå è êîíå÷íîå ñîñòîÿíèÿ ïðóæèíû ñîâïàäàþò, òî ñóììàðíàÿ ðàáîòà ñèëû óïðóãîñòè ïðè äåôîðìàöèè ïðóæèíû ðàâíà íóëþ.

Ïîïðîáóéòå äîêàçàòü ñàìîñòîÿòåëüíî, ÷òî ñèëà òÿãîòåíèÿ òàêæå êîíñåðâàòèâíà.

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.

Êëþ÷åâûå ñëîâà äëÿ ïîèñêà èíôîðìàöèè ïî òåìå ïàðàãðàôà.
Ðàáîòà ñèë òÿæåñòè, óïðóãîñòè. Êîíñåðâàòèâíûå ñèëû

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?

 

 

Ðåéòèíã@Mail.ru



Ñîäåðæàíèå

!-- Step 2 - Decide on the place where you want to place the video -->
. Âàæíî, ÷òîáû ñêðèïò áûë ïîñëå áëîêà. Íàïðèìåð, ìîæíî ðàçìåñòèòü ïåðåä òåãîì -->