24315

Законы сохранения

Лекция

Физика

Система взаимодействующих между собой тел, на которую не действуют внешние силы, называется замкнутой (изолированной). В замкнутых системах останется постоянным три физические величины

Русский

2014-10-12

311 KB

2 чел.

ЛЕКЦИЯ  № 6

Гл. 3. Законы сохранения

Система взаимодействующих между собой тел, на которую не действуют внешние силы, называется замкнутой (изолированной).

В замкнутых системах останется постоянным три физические величины: энергия W, импульс  и момент импульса . Соответственно в таких системах выполняются три закона сохранения.

Математически любой закон сохранения можно записать в виде:

  (6-1)

Рассмотрим подробнее каждый из законов.

1. Механическая работа, мощность

Если на тело действует сила, линия действия которой проходит через центр инерции (центр масс) тела, и при этом тело перемещается в пространстве, то говорят, что эта сила совершает механическую работу.

Элементарной механической работой при поступательном движении  называется скалярная физическая величина, равная скалярному произведению вектора силы  на вектор элементарного перемещения  центра инерции.

      (6-2)

= Дж.    

при ;

при  (например, для силы );

при  (например, для силы ).

Если линия действия силы не проходит через центр инерции (центр масс) АТТ, то эта сила будет создавать вращающий момент, который заставит тело участвовать во вращательном движении. Тогда говорят, что момент этой силы совершает механическую работу.

Элементарной механической работой при вращательном движении  называется скалярная физическая величина, равная скалярному произведению вектора момента силы  на вектор элементарного углового перемещения .

     (6-3)

= Дж.   .

При вращении АТТ вокруг неподвижной оси:  .

Для вычисления полной работы при конечных перемещениях нужно вычислить интегралы

       (6-4)

Если    

или     ,

тогда         (6-4а)

Работа, совершаемая силой или моментом силы за единицу времени, называется мощностью:

       (6-5)

= Вт.     скаляр

2. Потенциальная энергия

В общем случае работа зависит от формы перемещения.

Однако существуют силы, работа которых не зависит от формы перемещения, а определяется лишь начальным и конечным положениями тела.

Изменяя направление перемещения на 180, работа изменяет знак на противоположный:

Силы, работа которых не зависит от формы перемещения, а определяется только начальным и конечным положениями тела, и при этом работа таких сил на замкнутой траектории равна нулю, называются консервативными или потенциальными.

В противном случае – неконсервативными (непотенциальными, диссипативными).

Так как , то под интегралом стоит полный дифференциал некоторой функции, которая характеризует энергетический запас тела в данном положении в силовом (потенциальном) поле. Такую энергетическую функцию назвали потенциальной энергией.

        (6-6)

Потенциальная энергия тела Wp – это энергия взаимодействия тела с другими телами консервативными силами (энергия тела в каком-либо силовом потенциальном поле) или энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой за счет консервативных сил.

В качестве примера рассмотрим ряд силовых полей: поле силы тяжести, гравитационное поле, поле упругих сил и др. Потенциальны ли они?

, тогда

,

,  

Из полученных результатов следует, что работа консервативной силы может быть совершена за счет убыли потенциальной энергии тела.

       (6-7)

Т. о. сила тяжести, сила упругости, гравитационная сила - консервативные силы. Значит, при действии этих сил можно вводить потенциальную энергию:

         (6-8)

        (6-9)

        (6-10)

Из (6-6) следует связь между консервативной силой и потенциальной энергией:

.      (6-11)

3. Кинетическая энергия

Для отдельной частицы АТТ можно записать:

.

Домножим это выражение (обе части) скалярно на вектор перемещения :

.     (*)

Но   элементарная работа силы.

Тогда, сила, совершающая работу, приводит к изменению энергии тела, связанной с движением.

Кинетическая энергия тела Wk – это энергия движущегося тела. Для частицы или АТТ, участвующего в поступательном движении

.   = Дж.  (6-12)

При вращательном движении АТТ

.     (**)

Но   элементарная работа момента силы.

Тогда, момент силы, совершая работу, приведет к изменению энергии тела, связанной с вращательным движением.

.   = Дж.       (6-13)

При плоском движении АТТ можно записать:

.      (6-14)

где  скорость центра инерции (центра масс) АТТ;

I – момент инерции АТТ относительно центра инерции (центра масс).

Из формул со (*) и (**) следует, что если над телом совершается работа, то это приводит к изменению кинетической энергии тела, т. е. можно записать:

.    (6-15)

Это утверждение называют теоремой об изменении кинетической энергии тела.

§4. Механическая энергия. Закон сохранения энергии

Механическая энергия тела W – это сумма кинетической и потенциальной энергии тела.

.       (6-16)

Из формулы (6-15) следует, что если система замкнутая и в ней между телами действуют только консервативные силы, работа которых может быть представлена формулой (6-7), тогда

.

откуда

.

Т.е. механическая энергия сохраняется.

Закон сохранения механической энергии: в замкнутой системе взаимодействующих тел, между которыми действуют только консервативные силы, суммарная механическая энергия тел до и после взаимодействия не изменяется (она может только переходить из  в  и наоборот):

     (6-17)

Демонстрация №5 «Маятник Максвелла»


Рассмотрим движение частицы с энергией
W1 в потенциальном поле, имеющем вид:

При х < х1 и х3 < х < х5  Wp > W1  эта область потенциального поля недоступна частице – это потенциальный барьер.

При х1 < х < х3  W1 > Wp  движение частиц разрешено, но ограничено потенциальным барьером – это потенциальная яма.

(х = х2  точка устойчивого равновесия).

Движение частицы в потенциальной яме называется финитным.

При х > х5  W1 > Wp  движение частиц не ограничено, такое движение называется инфинитным.

Если в системе действуют неконсервативные (непотенциальные) силы, например, сила трения

Aтр =

тогда механическая энергия не сохраняется.

Из (6-15) имеем:

.

.

тогда

Процесс перехода механической энергии в немеханическую (тепловую, внутреннюю) называется диссипацией энергии.

При этом неконсервативные (непотенциальные) силы часто называют диссипативными.

Общефизический закон сохранения полной энергии: в замкнутой системе взаимодействующих тел суммарная энергия тел до и после взаимодействия остается неизменной (она может переходить из  в  и наоборот, из механической энергии в немеханическую и наоборот):

.

где  потеря механической энергии на диссипацию.

Любой механизм, производящий работу, не всю совершенную им работу (затраченную энергию, мощность) переводит в полезные действия, поэтому любой механизм обладает коэффициентом полезного действия (КПД):

.      (6-18)

где Апол, Wпол, Рпол – полезная работа (энергия, мощность), произведенная механизмом;

Асов – совершенная (полная) работа, произведенная механизмом;

Wзат (Рзат) – энергия (мощность), затраченная для производства полезной работы.

PAGE   \* MERGEFORMAT8


а          
      2

1                      б

0 х1 х2  х3   х4     х5              х

Wp

W1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84478. ЦИФРОВАЯ ПЕЧАТЬ. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПОЛИГРАФИИ 302.18 KB
  По мере развития цифровых устройств скорость качество формат они получили название Цифровые Печатные Машины ЦПМ. Первые устройства офсетные печатные машины которые стали рассматриваться как ЦПМ были основаны на технологии Direct Imging прямое экспонирование. Для ясности понимания разделим ЦПМ на две группы: по признаку наличия или отсутствия какой бы то ни было формной поверхности. Виды струйных принтеров планшетные fltbed широкоформатные wide super wide рулонная Основные производители струйных принтеров: HP Scitex ...
84479. МАСЛЯНЫЕ ОФСЕТНЫЕ КРАСКИ 73.73 KB
  Критерии оценки качества краски В мире насчитывается несколько десятков фирмпроизводителей офсетных красок большая часть которых неизвестна российским полиграфистам. При выборе краски необходимо руководствоваться основными факторами ее оценки: яркость и чистота пигмента первоначальное схватывание краски на оттиске время хранения в кипсейках и не засыхания на валах обеспечивается правильным балансом связующих компонентов скорость окончательного закрепления Пигментация Печатная краска представляет собой коллоидную систему...
84480. ДЕФЕКТЫ В РАБОТЕ С ОФСЕТНЫМИ МАСЛЯНЫМИ КРАСКАМИ И СПОСОБЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ 46.41 KB
  Дефект Возможная причина Рекомендации Деформация стопы Неправильное хранение бумаги. Чистить сопло подающее порошок Тонкая бумага Не делать высокую стопу Избыток воды в основном на краях бумаги Уменьшить или отрегулировать равномерность подачи воды Двоение Деформация основы до печати Заменить основу. Проконсультироваться с поставщиком Деформация бумаги вследствие серьезного изменения в гидрометрии Проверить разницу температур в помещении для складирования и в печатном цехе Офсетная резина недостаточно натянута Натянуть офсетную резину...
84481. КРАСКИ УФ-ОТВЕРЖДЕНИЯ 284.88 KB
  Состав красок УФотверждения Рассмотрим отличия в составе традиционной краски и краски УФотверждения. Традиционные краски Краски УФотверждения смола связующее олигомер растительные масла мономер минеральные масла пигмент разбавитель добавки пигмент фотоинициатор добавки стабилизатор сиккатив антисиккатив Компоненты краски влияют на физикохимические и технические характеристики УФкраски. Добавки в УФкраски играют ту же роль что и в традиционных красках. Соответственно вся энергия концентрируется на небольшом...
84482. ГИБРИДНЫЕ КРАСКИ 72.5 KB
  Гибридные краски часто рассматриваются как промежуточный продукт объединяющий в себе свойства обычных масляных и УФотверждаемых красок. Данная технология дает хороший результат но остается ряд проблем: необходимо качественное удаление противоотмарывающего порошка; межслоевая адгезия между краской и УФлаком может варьироваться изза различного содержания воска в краске различные субстраты и различная химия краски могут давать не всегда ожидаемый ре зультат; необходимость целого ряда дополнительных операций и дополнительных...
84483. ОСОБЕННОСТИ ПОДБОРА ЦВЕТА - ПРАКТИКА СМЕШЕНИЯ КРАСОК 41.79 KB
  Поэтому все большее количество типографий используют в своей работе смесевые краски. Смесевые краски позволяют добиться равномерной плашки без использования растра. Еще не так давно типографии смешивали краски сами используя опыт печатников. Современные типографии в основном заказывают необходимые для печати смесевые краски в фирмах специализирующихся на их изготовлении.
84484. ОФСЕТНАЯ ЛИСТОВАЯ ПЕЧАТЬ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗОПРОПИЛОВОГО СПИРТА 43.74 KB
  Уже более 30 лет успешно применяется технология офсетной печати без использования изопропилового спирта в США где эта технология зародилась и распространилась благодаря поддержке государства и высоких требований к экологической безопасности. Вслед за Соединенными Штатами от спирта стали отказываться типографии и в Европе. На данный момент печать без использования изопропилового спирта распространена и в Европе что наглядно видно на любой европейской выставке.
84485. Поняття про рефлекс. Будова рефлекторної дуги та її ланок 43.38 KB
  Рефлекторна дуга шлях по якому передається інформація при здійсненні рефлексу. Тобто рефлекторна дуга морфологічний субстрат рефлексу. Схема найпростішої елементарної рефлекторної дуги на прикладі шкірномязового рефлексу має такий вигляд: Із схеми видно що рефлекторна дуга має такі відділи: 1. Нервовий центр структури у межах ЦНС що беруть участь у здійсненні рефлексу.
84486. Рецептори, їх класифікація та збудження 45.25 KB
  Рецептори спеціалізовані структури що забезпечують: а сприйняття інформації про дію подразника; б первинний аналіз цієї інформації сила якість час дії новизна подразника. За наявністю спеціалізованої сенсорної клітини: первинні інформація про дію подразника сприймається безпосередньо нервовим закінченням; вторинні інформації про дію подразника сприймається спеціалізованою сенсорною рецепторною клітиною а далі передається на нервове закінчення. За наявністю чи відсутністю допоміжних структур: вільні нервові закінчення ...