Консервативные и неконсервативные силы

Механическая работа

Работа - это скалярная величина, которая характеризует действие силы на некотором перемещении её точки приложения и определяется по формуле: А = FS

Рассмотрим лишь самые простые случаи. Пусть тело, к которому приложена какая-то постоянная сила F, перемещается вдоль прямой линии на расстояние S. Тогда:

1) если направление движения тела совпадает с направлением приложенной силы, то данная сила совершает положительную работу, равную произведению силы на пройденный путь: А = FS

2) если направление движения тела противоположно направлению силы, то данная сила совершает отрицательную работу, равную произведению силы на путь, взятому со знаком "минус": А = -FS

3) если скорость тела перпендикулярна направлению силы, то эта сила никакой работы не совершает: А = 0

Формула А = FS показывает, что, чем больше сила и путь, пройденный в направлении действия силы, тем больше работа, совершаемая данной силой.

Для совершения работы необходимо выполнение трех условий: а) к телу должна быть приложена какая-то сила; б) тело должно двигаться; в) направление движения не должно быть перпендикулярным по отношению к направлению действия силы. Если хотя бы одно из этих условий не будет выполнено, то работа будет равна нулю.

Если тело, к которому приложена сила, продолжает оставаться в покое, то механическая работа при этом не совершается. Но немеханическая работа может совершаться и в этом случае. Именно поэтому, например, устает человек, который просто держит на весу какой-либо груз. Работа, совершаемая человеком, обусловлена процессами, происходящими в его организме. Тщательные наблюдения показывают, что груз в руках человека на самом деле не остается в полном покое, а совершает небольшие колебания, периодически поднимаясь и опускаясь. Мышцы человека при этом то расслабляются, то сокращаются, затрачивая на каждый микроскопический подъем груза вырабатываемую организмом энергию.

Примером немеханической работы является и простое запоминание человеком какой-либо информации. Этот процесс связан с жизнедеятельностью клеток мозга и потому изучается в курсе биологии человека.

Единицей работы в СИ является джоуль (1 Дж). 1 Дж - это работа, которую совершает сила в 1 Н на пути 1 м в направлении действия силы. Эта единица названа в честь английского ученого Дж. Джоуля (1818-1889): 1 Дж = 1 Н•м.

Часто применяются килоджоули и миллиджоули: 1 кДж= 1000 Дж, 1 мДж = 0,001 Дж.

Консервативные и неконсервативные силы

Консервативными называются силы, работа которых не зависит от траектории, а определяется только начальной и конечной конфигурацией системы. Можно ввести другое определение консервативных сил: работа консервативных сил по замкнутому контуру равна нулю. Сила тяжести и сила упругости – консервативные силы.

Если работа силы зависит от траектории, то такие силы называются неконсервативными. Как правило, эти силы зависят от вектора скорости (от его модуля или направления). Работа таких сил может приводить к выделению тепла (диссипации энергии). Неконсервативными являются силы трения и сопротивления.

Работа разных сил при перемещении одного и того же тела различна. Заметим, что перемещение может зависеть от выбора системы отсчета, следовательно, работа в разных системах отсчета так же может отличаться.

В случае переменных сил или криволинейного движения работу можно определять по площади под графиком зависимости проекции силы от перемещения.

Мощность

Скалярная величина, которая характеризует быстроту совершения работы. Определяется по формуле:

В случае переменных сил и скоростей удобно пользоваться мгновенной мощностью, которая определяется как отношение малой работы к малому интервалу времени, за который она совершалась.

, где V- мгновенная скорость тела.