Обратите внимание, что у работы и энергии одинаковые единицы измерения. Это означает, что работа может переходить в энергию. Например, для того, чтобы тело поднять на некоторую высоту, тогда оно будет обладать потенциальной энергией , необходима сила, которая совершит эту работу. Работа силы по поднятию перейдет в потенциальную энергию.
Правило определения работы по графику зависимости F(r): работа численно равна площади фигуры под графиком зависимости силы от перемещения.
Угол между вектором силы и перемещением
1) Верно определяем направление силы, которая выполняет работу; 2) Изображаем вектор перемещения; 3) Переносим вектора в одну точку, получаем искомый угол.
На рисунке на тело действуют сила тяжести (mg), реакция опоры (N), сила трения (Fтр) и сила натяжения веревки F, под воздействием которой тело совершает перемещение r.
Работа силы тяжести
Работа реакции опоры
Работа силы трения
Работа силы натяжения веревки
Работа равнодействующей силы
Работу равнодействующей силы можно найти двумя способами: 1 способ - как сумму работ (с учетом знаков "+" или "-") всех действующих на тело сил, в нашем примере
2 способ - в первую очередь найти равнодействующую силу, затем непосредственно ее работу, см. рисунок
Работа силы упругости
Для нахождения работы, совершенной силой упругости, необходимо учесть, что эта сила изменяется, так как зависит от удлинения пружины. Из закона Гука следует, что при увеличении абсолютного удлинения, сила увеличивается.
Для расчета работы силы упругости при переходе пружины (тела) из недеформированного состояния в деформированное используют формулу
Мощность
Скалярная величина, которая характеризует быстроту выполнения работы (можно провести аналогию с ускорением , которое характеризует быстроту изменения скорости). Определяется по формуле
Коэффициент полезного действия
КПД - это отношение полезной работы, совершенной машиной, ко всей затраченной работе (подведенной энергии) за то же время
Коэффициент полезного действия выражается в процентах. Чем ближе это число к 100%, тем выше производительность машины. Не может быть КПД больше 100, так как невозможно выполнить больше работы, затратив меньше энергии.
КПД наклонной плоскости - это отношение работы силы тяжести, к затраченной работе по перемещению вдоль наклонной плоскости.
Главное запомнить
1) Формулы и единицы измерения;
2) Работу выполняет сила;
3) Уметь определять угол между векторами силы и перемещения
Если работа силы при перемещении тела по замкнутому пути равна нулю, то такие силы называют консервативными или потенциальными . Работа силы трения при перемещении тела по замкнутому пути никогда не равна нулю. Сила трения в отличие от силы тяжести или силы упругости является неконсервативной или непотенциальной .
Есть условия, при которых нельзя использовать формулу 
Если сила является переменной, если траектория движения является кривой линией. В этом случае путь разбивается на малые участки, для которых эти условия выполняются, и подсчитать элементарные работы на каждом из этих участков. Полная работа в этом случае равна алгебраической сумме элементарных работ:
Значение работы некоторой силы зависит от выбора системы отсчета.
Допустим, что тело массы передвигают по горизонтальной поверхности стола из точки в точку В (рис. 5.26). При этом на тело со стороны стола действует сила трения. Коэффициент трения равен Один раз тело перемещается по траектории другой - по траектории Длина равна а длина Рассчитаем работу, которую совершит сила трения при этих движениях.
Как известно, сила трения Сила нормального давления так как поверхность стола горизонтальна. Поэтому сила трения в обоих движениях будет постоянна по модулю, равна и направлена во всех точках траектории в сторону, противоположную скорости.
Постоянство модуля силы трения позволяет написать выражение для работы силы трения сразу для всего расстояния, пройденного телом. При движении по траектории совершается работа
при движении по траектории
Знак минус появился потому, что угол между направлением силы и направлением перемещения равен 180°. Расстояние не равно поэтому работа не равна При переходе из точки А в точку В по разным траекториям сила трения совершает разную работу.
Таким образом, в отличие от сил всемирного тяготения и упругости, работа силы трения зависит от формы траектории, по которой двигалось тело.
Зная только начальное и конечное положения тела и не имея сведений о траектории движения, мы уже не можем заранее сказать, какая работа будет совершена силой трения. В этом состоит одно из существенных отличий силы трения от сил всемирного тяготения и упругости.
Это свойство силы трения может быть выражено и по-другому. Допустим, что тело было перемещено из по траектории а затем было возвращено обратно в по траектории . В результате этих двух движений образуется замкнутая траектория На всех участках этой траектории работа силы трения будет отрицательна. Полная работа, совершенная за все время этого движения, равна
работа силы трения на замкнутой траектории не равна нулю.
Отметим еще одну особенность силы трения. При перемещении тела из была совершена работа против силы трения. Если в точке В тело освободить от внешних воздействий, то сила трения не вызовет никакого обратного движения тела. Она не сможет вернуть ту работу, которая была совершена на преодоление ее действия. В результате работы силы трения происходит только уничтожение, разрушение механического движения тела и превращение этого движения в тепловое, хаотическое движение атомов и молекул. Работа силы трения показывает величину того запаса механического движения, который необратимо превращается во время действия силы трения в другую форму движения - в тепловое движение.
Таким образом, сила трения обладает рядом таких свойств, которые ставят ее в особое положение. В отличие от сил тяжести и упругости сила трения по модулю и направлению зависит от скорости относительного движения тел; работа силы трения зависит от формы траектории, по которой движутся тела; работа силы трения необратимо превращает механическое движение тел в тепловое движение атомов и молекул.
Все это при решении практических задач заставляет рассматривать действие сил упругости и трения отдельно. Вследствие этого силу трения часто в расчетах рассматривают как внешнюю по отношению к любой механической системе тел.
При относительном движении одного тела по поверхности другого возникают силы трения, то есть тела взаимодействуют друг с другом. Однако этот вид взаимодействия принципиально отличается от рассмотренных ранее. Наиболее существенным отличием является тот факт, что сила взаимодействия определяется не взаимным расположением тел, а их относительной скоростью. Следовательно, работа этих сил зависит не только от начального и конечного положения тел, но и от формы траектории, от скорости перемещения. Иными словами, силы трения не являются потенциальными.
Рассмотрим подробнее работу различных видов трения.
Самой простой случай − трение покоя. Достаточно сказать, что при отсутствии перемещения работа равна нулю, поэтому трение покоя работы не совершает.
При движении одного тела по поверхности другого возникает сила сухого трения. По закону Кулона-Амонтона, величина силы трения постоянна и направлена в сторону, противоположную скорости движения. Следовательно, в любой момент времени, в любой точке траектории векторы скорости и силы трения направлены в противоположные стороны, угол между ними равен 180°
(вспомните cos180° = −1
). Таким образом, работа силы трения равна произведению силы трения на длину траектории S
:
A mp = −F mp S
. (1)
Между двумя точками можно проложить сколько угодно траекторий, длины которых могут изменяться в широких пределах, при движении по каждой из этих траекторий сила трения будет совершать различную работу.
Использование понятия работы оказывается полезным и при наличии сил трения. Рассмотрим простой пример. Пусть на горизонтальной поверхности находится брусок, которому толчком сообщили скорость v o
. Найдем, какой путь пройдет брусок до остановки при наличии сухого трения, коэффициент которого равен μ
. Так как при остановке кинетическая энергия обращается в нуль, то изменение кинетической энергии тела равно:
По теореме о кинетической энергии, изменение последней равно работе внешних сил. Единственной силой, совершающей работу, является сила трения, которая равна в данном случае:
А = −μmgS
.
Приравнивая эти выражения, легко находим путь до остановки:
S = v o 2 /(2μg)
.
Для того чтобы рассматриваемый брусок двигался по горизонтальной поверхности с постоянной скоростью, к нему необходимо прикладывать постоянную, горизонтально направленную силу F
равную по модулю силе трения. Эта внешняя сила будет совершать положительную работу А
, равную по модулю работе силы трения. Кинетическая энергия бруска при таком движении возрастать не будет. Заметим, что противоречия с теоремой о кинетической энергии в этом утверждении нет − так, суммарная внешняя сила, действующая на брусок, равна нулю. Тем не менее необходимо твердо уяснить, что работа всякой силы есть мера перехода энергии из одной формы в другую, поэтому следует определить, какие изменения с системой (бруском и поверхностью) произошли в результате совершенной работы. Ответ известен: произошло нагревание как поверхности, так и бруска. Иными словами, работа внешней силы пошла на увеличение внутренней, тепловой энергии. Аналогично, при торможении начальная кинетическая энергия бруска перешла во внутреннюю энергию. В любом случае работа силы трения приводит к увеличению тепловой энергии.
При движении в вязкой среде на тело действует сила сопротивления, зависящая от скорости и направленная в сторону, противоположную вектору скорости, поэтому работа этих сил всегда отрицательна, причем зависит от траектории движения тела. Следовательно, силы вязкого трения не являются потенциальными. Преобразования энергии, происходящие при наличии вязкого трения, аналогичны рассмотренным ранее, правда, их расчет усложняется зависимостью сил от скорости. Не потенциальные силы, приводящие к увеличению внутренней энергии, называются диссипативными 1 . Примерами таких сил являются силы трения.
где - путь, пройденный телом за время действия силы.
После подстановки числовых значений получим.
Пример 3. Шарик массой =100 г упал с высоты =2,5 м на горизонтальную плиту и отскочил от нее вследствие упругого удара без потери скорости. Определить среднюю скорость
Решение. По второму закону Ньютона произведение средней силы на время ее действия равно изменению импульса тела, вызванного этой силой, т.е.
где и - скорости тела до и после действия силы; - время, в течение которого действовала сила.
Из (1) получим
Если учесть, что скорость численно равна скорости и противоположна ей по направлению, то формула (2) примет вид:
Так как шарик упал с высоты, то его скорость при ударе
С учетом этого получим
Подставив сюда числовые значения, найдем
Знак «минус» показывает, что сила направлена противоположно скорости падения шарика.
Пример 4. Для подъема воды из колодца глубиной =20 м установили насос мощностью =3,7 кВт. Определить массу и объем воды, поднятой за время =7 ч, если к.п.д. насоса =80%.
Решение. Известно, что мощность насоса с учетом к.п.д. определяется формулой
где - работа, совершенная за время; - коэффициент полезного действия.
Работа, совершенная при подъеме груза без ускорения на высоту, равна потенциальной энергии, которой обладает груз на этой высоте, т.е.
где - ускорение свободного падения.
Подставив выражение работы по (2) в (1), получим
Выразим числовые значения величин, входящих в формулу (3), в единицах СИ: =3,7 кВт = 3,7 103 Вт; =7 ч = 2,52 104 с; =80%=0,8; =20 м.
кг кг м2 с2/(с3 м м), кг=кг
Вычислим
кг=3,80 105 кг=380 т.
Чтобы определить объем воды, надо ее массу разделить на плотность
Пример 5. Искусственный спутник Земли движется по круговой орбите на высоте =700 км. Определить скорость его движения. Радиус Земли =6,37 106 м, масса ее =5,98 1024 кг.
Решение. На спутник, как и на всякое тело, движущееся по круговой орбите, действует центростремительная сила
где - масса спутника; V- скорость его движения; - радиус кривизны траектории.
Если пренебречь сопротивлением среды и силами тяготения со стороны всех небесных тел, то можно считать, что единственной силой является сила притяжения между спутником и Землей. Эта сила и играет роль центростремительной силы.
Согласно закону всемирного тяготения
где - гравитационная постоянная.
Приравняв правые части (1) и (2), получим
Отсюда скорость спутника
Выпишем числовые значения величин в СИ: = 6,67*10-11 м3/(кг с2); =5,98 1024 кг; = 6,37 106 м; = 700 км = 7 105 м.
Проверим единицы правой и левой частей расчетной формулы (3), чтобы убедиться, что эти единицы совпадают. Для этого подставляем в формулу вместо величин их размерность в Международной системе:
Вычислим
Пример 6. Маховик в виде сплошного диска массой т = 80 кг с радиусом = 50 см начал вращаться равноускоренно под действием вращающего момента = 20 Н м. Определить: 1) угловое ускорение; 2) кинетическую энергию, приобретенную маховиком за время = 10 с от начала вращения.
Решение. 1. Из основного уравнения динамики вращательного движения,
где - момент инерции маховика; - угловое ускорение, получим
Известно, что момент инерции диска определяется формулой
Подставив выражение для из (2) в (1), получим
Выразим величины в единицах СИ: = 20 Н м; т = 80 кг; = 50 см = 0,5 м.
Проверим единицы правой и левой частей расчетной формулы (3):
1/c2 = кг х м2/(с2х кг х м2) = 1/с2
Вычислим
2. Кинетическая энергия вращающегося тела выражается формулой:
где - угловая скорость тела.
При равноускоренном вращении угловая скорость связана с угловым ускорением соотношением
где - угловая скорость в момент времени; - начальная угловая скорость.
Так как по условию задачи =0, то из (5) следует
Подставив выражение для из (6), из (2) в (4), получим
Проверим единицы правой и левой частей формулы (7):
Вычислим
Пример 7. Уравнение колеблющейся точки имеет вид.(смещение в сантиметрах, время в секундах). Определить: 1) амплитуду колебания, круговую частоту, период и начальную фазу; 2) смещение точки в момент времени с; 3) максимальную скорость и максимальное ускорение.
Решение. 1. Напишем уравнение гармонического колебательного движения в общем виде
где х - смещение колеблющейся точки; А - амплитуда колебания; -круговая частота; - время колебания; - начальная фаза.
Сравнивая заданное уравнение с уравнением (1), выпишем: А=3 см,
Период колебания определяется из соотношения
Подставляя в (2) значение, получим
2. Для определения смещения подставим в заданное уравнение значение времени:
3. Скорость колебательного движения найдем, взяв первую производную от смещения колеблющейся точки:
(Максимальное значение скорость будет иметь при =1:
Ускорение есть первая производная от скорости по времени:
Максимальное значение ускорения
Знак «минус» показывает, что ускорение направлено в сторону, противоположную смещению.
Нам осталось рассмотреть работу третьей механической силы - силы трения скольжения. В земных условиях сила трения в той пли иной мере проявляется при всех движениях тел.
От силы тяжести и силы упругости сила трения скольжения отличается тем, что она от координат не зависит и возникает всегда при относительном движении соприкасающихся тел.
Рассмотрим работу силы трения при движении тела относительно неподвижной поверхности, с которой оно соприкасается. В этсм случае сила трения направлена против движения тела. Ясно, что по отношению к направлению перемещения такого тела сила трения не может быть направлена под каким-нибудь другим углем, кроме угла 180°. Поэтому работа силы трения отрицательна. Вычислять работу силы трения нужно по формуле
где - сила трения, - длина пути, на протяжении которого действует сила трения
Когда на тело действует сила тяжести или сила упругости, может двигаться и в направлении силы, и против направления силы. В первом случае работа силы положительна, во втором - отрицательна. При движении тела «туда и обратно» полная работа равна нулю.
О работе силы трения этого сказать нельзя. Работа силы трения отрицательна и при движении «туда», движении обратно». Поэтому работа силы трения после возвращения тела в исходную точку (при движении по замкнутому пути) неравна нулю.
Задача. Вычислите работу силы трения при торможении поезда массой 1200 т до полной остановки, если скорость поезда в момент выключения двигателя была 72 км/ч. Решение. Воспользуемся формулой
Здесь - масса поезда, равная кг, - конечная скорость поезда, равная нулю, и - его начальная скорость, равная 72 км/ч = 20 м/сек. Подставив эти значения, получим:
Упражнение 51
1. На тело действует сила трения. Может ли работа этой силы равняться нулю?
2. Если тело, на которое действует сила трения, пройдя некоторую траекторию, вернется в исходную точку, будет ли работа сипы трения равна нулю?
3. Как изменяется кинетическая энергия тела при работе силы трения?
4. Сани массой 60 кг, скатившись с горы, проехали по горизонтальному участку дороги 20 м. Найдите работу силы трения на этом участке, если коэффициент трения полозьев саней о снег 0,02.
5. К точильному камню радиусом 20 см прижимают затачиваемую деталь с силой 20 н. Определите, какая работа совершается двигателем за 2 мин, если точильный камень делает 180 об мин, а коэффициент трения детали о камень равен 0,3.
6. Шофер автомобиля выключает двигатель и начинает тормозить в 20 м от светофора. Считая силу трения равной 4 000 к, найдите, при какой наибольшей скорости автомобиля он успеет остановиться перед светофором, если масса автомобиля равна 1,6 т?
