Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Закон сохранения и превращения энергии
Закон сохранения и превращения энергии в механике В 1748 году М.В. Ломоносов впервые сформулировал закон сохранения и превращения энергии. Спустя сто лет Р. Майер и Г. Гельмгольц дали количественную формулировку закона сохранения и превращения энергии, который состоит в следующем: в замкнутой системе энергия может переходить из одних видов в другие и передаваться от одного тела к другому, но ее общее количество остается неизменным. Найдем условие, которому должна удовлетворять система тел для того, чтобы ее полная механическая энергия не изменялась с течением времени. Если - скорость i –ой материальной точки системы массой mi, то ее кинетическая энергия может быть представлена в виде: Изменение этой энергии за малый промежуток времени dt, связанное с изменением скорости на ( - ускорение i -ой материальной точки), равно dWki =Wki(t2)-Wki(t1), где
С учетом того, что - величина второго порядка малости, можно получить:
где - приращение радиуса-вектора материальной точки. По второму закону Ньютона где и - результирующие консервативных и неконсервативных сил, соответственно, действующих на i- ую материальную точку. Поэтому
Кинетическая энергия всей системы равна сумме кинетических энергий всех материальных точек, образующих эту систему, а ее изменение за малый промежуток времени dt: или Первая сумма в правой части последнего выражения представляет собой суммарную работу , совершаемую всеми консервативными силами за промежуток времени dt. Согласно уравнению (3.2.6,б), работа равна убыли потенциальной энергии системы за время dt, то есть Вторая сумма в вышеприведенном выражении представляет собой работу, совершаемую всеми неконсервативными силами: Таким образом,
или
где W = Wк + Wп - полная механическая энергия системы (3.2.10). Консервативной системой называют систему тел (материальных точек), внутренние силы взаимодействия между которыми – консервативны, а все внешние силы – стационарны (стационарные силы – силы, которые могут изменяться с течением времени только вследствие изменения положения системы отсчета) и консервативны. Для консервативной системы работа неконсервативных сил равна нулю и, как следствие, W = Wк + Wп = const, то есть полная механическая энергия консервативной системы не изменяется с течением времени – закон сохранения механической энергии. Вышеуказанный закон справедлив, в частности, для замкнутой консервативной системы, то есть системы, на которую внешние силы вообще не действуют, а все внутренние силы – консервативны.
Рассмотрим применение закона сохранения механической энергии при расчете абсолютно упругого прямого удара двух тел (рис. 3.7.).
Абсолютно упругим ударом называют такой удар, в результате которого не происходит превращения механической энергии системы соударяющихся тел в другие виды энергии. Пусть два абсолютно упругих шара массами m1 и m2 до удара движутся поступательно со скоростями и , направленными в одну и ту же сторону вдоль линии их центров, причем > . Задача: Необходимо определить скорости шаров после соударения: и . В процессе удара систему соударяющихся тел можно считать замкнутой. При абсолютно упругом ударе система консервативна. В этом случае для решения задачи можно использовать законы сохранения механической энергии и импульса. Перед ударом и после него тела не деформированы, то есть потенциальную энергию системы в этих двух состояниях можно считать одинаковой и равной нулю. Следовательно,
и
При прямом центральном ударе векторы скоростей шаров до и после удара направлены вдоль одной прямой – линии удара. Поэтому (3.3.4,а) можно переписать в виде:
где v 1, v 2, u 1 и u 2 – проекции векторов и на ось координат, параллельную линии удара. После несложных преобразований уравнений (3.3.3) и (3.3.4,б) можно получить:
Следует помнить, что в (3.3.5) скорости v 1 и v 2 могут иметь как одинаковые, так и противоположные знаки, в зависимости от направления векторов и Рассмотрим некоторые частные случаи: 1) массы шаров одинаковы (m1 = m2 = m). При этом u 1 = v 2, u 2 = v 1, то есть при ударе шары обмениваются скоростями; 2) масса второго шара во много раз больше массы первого (m2» m1). В этом случае u 1 @ 2 v 2 - v 1; u 2 = v 2. Если при этом второй шар до удара был неподвижен, то u 1 = - v 1 u 2 = 0, то есть первый шар отскакивает от неподвижного второго шара и движется в обратную сторону со скоростью
Равновесие системы
На основе закона сохранения механической энергии замкнутой консервативной системы можно рассмотреть вопрос о равновесии системы. Говорят, что система тел находится в равновесии, если она может быть выведена из этого состояния только в результате внешнего воздействия. Например, система Земля – тело находится в равновесии, если тело неподвижно лежит на дне ямы или на горизонтальной вершине горы. Состояние равновесия называется устойчивым,если малое внешнее воздействие на систему вызывает малое изменение ее состояния (пример – тело лежит на дне ямы). При этом в системе возникают внутренние силы, стремящиеся возвратить систему в прежнее состояние. Состояние равновесия называется неустойчивым (лабильным), если даже при сколь угодно малом внешнем воздействии система выводится из этого состояния (пример - тело находится у края пропасти, и при малом воздействии падает вниз, и не возвращается в первоначальное состояние неустойчивого равновесия). Рассмотрим замкнутую систему Земля и шар, находящийся на различных участках горной цепи A, B, C, D (на различных высотах y) (рис. 3.8). Легко видеть, что положение B шара соответствует неустойчивому (лабильному) равновесию, а C, D – устойчивому. Для того чтобы, например, выкатить шар из ямы D, необходимо совершить работу внешних сил, которая равна разности потенциальной энергии шара в положениях B и D: A = WпB – WпD. Чем глубже яма D (или C) (рис. 3.8), тем большую работу А против силы тяжести необходимо произвести для поднятия шара из этой “потенциальной ямы”- положения устойчивого равновесия. Таким образом, в состоянии устойчивого равновесия замкнутая система обладает минимумом (локальным или абсолютным) потенциальной энергии. В состоянии неустойчивого равновесия – максимумом потенциальной энергии. Наиболее устойчивому состоянию системы соответствует абсолютный минимум ее потенциальной энергии, то есть наименьшее из всех возможных значений ее потенциальной энергии (положение D (рис. 3.8)).
Положение D соответствует абсолютному минимуму энергии – это положение стабильного равновесия. Если шар в состоянии C (рис. 3.8) приобретет энергию (над ним совершат работу внешние силы) A = WпB – WпС., то он перейдет в состояние D – стабильного равновесия. Поэтому состояние системы в положении С называют метастабильным равновесием. Энергия системы в положении А (рис. 3.8) при бесконечно малом отклонении шара от своего положения не меняется – это положение безразличного равновесия. Связь потенциальной энергии с потенциальными силами позволяет задавать воздействие потенциальных сил на тело зависимостью потенциальной энергии от координат, например для одномерного случая Е n = f (x). Кривые, соответствующие этой зависимости называются потенциальными кривыми (рис.3.9). В случае устойчивого равновесия можно указать некоторую ограниченную область пространства (рис.3.9. (1), область сd), в которой потенциальная энергия меньше, чем вне ее. Эта область получила название потенциальной ямы.
|
||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-12-30; просмотров: 338; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.117.142.128 (0.01 с.) |