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

40013. Анализ целей и стратегий предприятия 232.5 KB
  Стратегия существования продукции. Проведение SWOTанализа в промышленном маркетинге связаны с прогнозированием и получением информации касающейся условий совершения покупки и характеристик покупаемой продукции. Маркетинговые исследования потребительских рынков охватывают широкие области особенно для производителей продукции с широким и сложным ассортиментом. Если руководство предприятия оценив текущее положение приходит к выводу о достаточности ресурсов для дальнейшего развития то встает проблема выбора наилучшего способа с большей...
40014. Современные информационные системы менеджмента и маркетинга в Российской Федерации 30.5 KB
  б Примерное содержание разрабатываемого материала: название информационной системы; назначение сфера применения информационной системы; состав и структура информационной системы; год выхода на рынок IPтехнологий Российской Федерации; разработчик информационной системы; решаемые информационной системой задачи; возможности информационной системы; достоинства информационной системы перед аналогами; недостатки информационной системы по сравнению с другими; занимаемый информационной системой сегмент рынка; перспективы...
40015. Оценка текущего состояния предприятия 311.5 KB
  Общие сведения о продукции предприятия. Расчет структуры выпуска продукции предприятия. Анализ выпуска товарной продукции. Факторный анализ выпуска товарной продукции.
40016. Анализ финансовых результатов деятельности предприятия 626 KB
  Выводы по финансовому состоянию ориентируют предприятие на выбор определенной стратегии: рост удержание положения или сворачивание производства.1 – Расчет основных показателей и их нормативные значения Показатели Формулы расчета Нормативные значение Показатели ликвидности предприятия Коэффициент покрытия коэффициент текущей ликвидности – показывает не обеспеченность обязательств предприятия оборотными средствами стр.290 баланса – стр.220 баланса – стр.
40017. Анализ маркетинговой среды предприятия 150.5 KB
  Анализ финансовых результатов от реализации продукции. Высоким темпам роста российской автомобильной промышленности будет способствовать сочетание развитого внутреннего рынка и значительного экспортного потенциала продукции с высокой добавленной стоимостью. Предполагаются следующие тенденции развития автомобильной промышленности: рост товарной продукции; рост инвестиций; рост экспорта автомобильной продукции; сохранение достаточно высокого уровня рентабельности производства; стабильный рост средней заработной платы; глобализация...
40018. Анализ издержек и безубыточности производства 132 KB
  Во второй строке определяется сумма затрат согласно условию 1 при неизменных структуре выпуска продукции сумме переменных затрат и сумме постоянных затрат затраты базового периода приводятся к объему выпуска отчетного фактического периода: ЗТтпУсл1 = ∑08 bуср08 IА УПЗ∑08. – абсолютных...
40019. База данных для учета информации об участниках гаражного кооператива 8.77 MB
  Аccess достаточно хорошо совместим с MS SQL Server и другими форматами баз данных. Аccess изначально представлялся как настольная база данных и в этой сфере ему трудно найти равного соперника. ccess позволяет разработать профессиональную базу данных в более короткие сроки и за меньшие деньги и вполне удовлетворить запросы заказчика. Кроме того такое решение обладает большей гибкостью настраиваемостью в него легко можно внести дополнения и изменения быстрее и дешевле чем в промышленные базы данных на основе Orcle и C.
40020. База данных «Магазин музыкальных дисков» 669 KB
  Описание исходных данных и предметной области.Разработка базы данных на базе СУБД CCESS 9 2.Обработка данных с помощью ТП EXCEL 3. Представление имеющихся в данных тенденций соотношений в виде диаграммгистограмм круговых диаграмм графиков 19 Заключение 31 Список использованных источников 32 Введение Базы данных БД составляют в настоящее время основу программного обеспечения информационных процессов входящих практически во все сферы человеческой деятельности.
40021. База данных «Бюро проката автомобилей» 2.13 MB
  Описание исходных данных и предметной области. Является основным связующим звеном всех данных других таблиц она отражает какой автомобиль был взят в аренду на какой срок какой был оставлен залог. Ниже приведена Схема данных Бюро проката автомобилей: 1. Microsoft ccess Microsoft ccess создана на основе реляционной модели базы данных и предназначена для создания быстрых эффективных баз данных применяемых в быту и бизнесе.