Работа и мощность при вращательном движении

Изменение кинетической энергии механической системы равно алгебраической сумме работ всех внешних и внутренних сил, действующих на эту систему

dT = dAвнеш + dAвнутр. (1.55)

При вращении твердого тела относительно неподвижной оси элементарная работа всех внешних сил, действующих на твердое тело, равна приращению только кинетической энергии, так как его потенциальная энергия при этом не меняется. Следовательно

.

С учетом того, что I_z dw = M_z dt, получим

dA = M_z w dt = M_z dj. (1.56)

Полная работа внешних сил при повороте твердого тела на некий угол j равна:

. (1.57)

В случае, если M_z=const, то последнее выражение упрощается:

A = M_z j. (1.58)

Таким образом, работа внешних сил при вращательном движении твердого тела вокруг неподвижной оси определяется действием момента M_z этих сил относительно данной оси.

При вращательном движении твердого тела относительно неподвижной оси мощность определяется выражением

. (1.59)

Примеры решения задач на работу и мощность

Пример 1. Потенциальная энергия частицы имеет вид

, где а – константа. Найти: а) силу , действую- щую на частицу; б) работу А, совершаемую над частицей силами поля при её перемещении из точки М (1,1,1,) в точку N (2,2,3).

Решение

Используя выражение, связывающее потенциальную энергию частицы с силой, действующей на неё, получим

.

Работа сил потенциального поля равна убыли потенциальной энергии

.

По известным координатам точек M и N находим

, , .

 

Пример 2. Частица совершает перемещение в плоско- сти ХУ из точки с координатами (1,2) м в точку с координатами (2,3) м под действием силы Н. Определить работу данной силы.

Решение

Элементарная работа, совершаемая силой при перемещении , равна скалярному произведению этих векторов

.

Работа при перемещении частицы из точки 1 в точку 2 определится интегрированием

.

Подставляя числовые значения, получим

.

Пример 3. Тело массой m =1,0 кг падает с высоты h =20 м. Пренебрегая сопротивлением воздуха найти среднюю мощность, развиваемую силой тяжести на пути h, и мгновен- ную мощность на высоте h/ 2.

Решение

Средняя мощность N_{ср ,} развиваемая силой тяжести на пути h, определяется выражением

Запишем выражение координаты y(t) тела от времени при свободном падении с высоты h с нулевой начальной скоростью:

,

где g – ускорение свободного падения.

Полное время t падения тела с высоты h определим из этого выражения при условии y = 0: , откуда

Среднее значение скорости равно

,

тогда

.

Мгновенная мощность, развиваемая силой тяжести на высоте h/ 2, равна

Расстояние, пройденное телом за промежуток времени t₁, равно

,

откуда

Мгновенная скорость υ₁ тела на высоте h /2, равна

Тогда

 

Выполняя вычисления, получим

 

Пример 4. Маховиквращается по закону, выражаемому уравнением , где А = 2 рад, В = 32 рад/с, С = -4 рад/с². Найти среднюю мощность , развиваемую силами, действующими на маховик при его вращении, до остановки, если момент инерции I = 100 кг·м^2.

Решение

Средняя мощность по определению

, (1)

где t- время торможения до полной остановки, А- работа, совершаемая за это время.

Работа при вращательном движении

.

С учётом основного уравнения динамики вращательного движения M=Iε, получим

, (2)

где - угловое ускорение, - углы поворота при t = 0 и в момент остановки.

Время торможения до остановки найдём из условия .

,

откуда

С учётом значений t, найдём

После интегрирования (2) получим абсолютное значение работы сил торможения

(3)

Подставляя (3) в (1) найдём

 

 

Законы сохранения

 

Любое тело (или совокупность тел) представляет собой, по существу, систему материальных точек. Состояние системы характеризуется одновременным заданием координат и скоро- стей всех ее частиц.При движении системы ее состояние изменяется со временем. Существуют, однако, такие функции координат и скоростей, образующих систему частиц, которые способны сохраняться во времени. К ним относятся энергия, импульс и момент импульса.

В соответствии с этим имеют место три закона сохране- ния – закон сохранения энергии, закон сохранения импульса и закон сохранения момента импульса, которые выполняются в замкнутых системах.

Система называется замкнутой, если она не обменивается с другими телами, не входящими в эту систему, соответ- ственно энергией, импульсом, моментом импульса. Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса можно получить исходя из основных уравнений динамики, однако, следует иметь в виду, что эти законы обладают гораздо большей общностью, чем законы Ньютона, и должны рас- сматриваться как самостоятельные фундаментальные принци- пы физики, относящиеся к основным законам природы.

Законы сохранения являются эффективным инструмен- том исследования. С помощью законов сохранения можно без решения уравнения движения получить ряд важнейших данных о протекании механических процессов.

 

Закон сохранения импульса

 

Импульс системы равен векторной сумме импульсов ее отдельных частиц, т.е.

, (1.60) где - импульс i -й частицы.

Изменение импульса системы, согласно законам динамики, равно результирующему вектору импульса внешних сил:

. (1.61)

В соответствии с этим уравнением, импульс системы может изменяться под действием только импульса внешних сил. Импульсы внутренних сил не могут изменить импульс системы. Отсюда непосредственно вытекает условие замкнутости системы и закон сохранения импульса: импульс замкнутой механической системы остается постоянным:

. (1.62)