Примеры вычисления работы силы

Работа силы в общем случае зависит от характера движения точки приложения силы. Следовательно, для вычисления работы надо знать движение этой точки. Но в природе имеются силы и примеры движения, для которых работу можно вычислить сравнительно просто, зная начальное и конечное положение точки.

Работа силы тяжести.Силу тяжести Примеры вычисления работы силы - student2.ru материальной точки массой Примеры вычисления работы силы - student2.ru вблизи поверхности Земли можно считать постоянной, равной Примеры вычисления работы силы - student2.ru , направленной по вертикали вниз. Если взять оси координат Примеры вычисления работы силы - student2.ru , где ось Примеры вычисления работы силы - student2.ru направлена по вертикали вверх, то

Примеры вычисления работы силы - student2.ru , (188)

где Примеры вычисления работы силы - student2.ru – высота опускания точки.

При подъеме точки высота Примеры вычисления работы силы - student2.ru является отрицательной. Следовательно, в общем случае работа силы тяжести Примеры вычисления работы силы - student2.ru равна

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (189)

Если имеем систему Примеры вычисления работы силы - student2.ru материальных точек, то для каждой точки с массой Примеры вычисления работы силы - student2.ru будем иметь работу ее силы тяжести

Примеры вычисления работы силы - student2.ru ,

где Примеры вычисления работы силы - student2.ru – начальная и конечная координаты точки.

Работа всех сил тяжести системы материальных точек

Примеры вычисления работы силы - student2.ru , (190)

где Примеры вычисления работы силы - student2.ru – масса системы точек; Примеры вычисления работы силы - student2.ru и Примеры вычисления работы силы - student2.ru – начальная и конечная координаты центра масс системы точек. Вводя обозначение для изменения высоты центра масс Примеры вычисления работы силы - student2.ru , имеем

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (190')

Работа линейной силы упругости. Линейной силой упругости (или линейной восстанавливающей силой) называют силу, действующую по закону Гука:

Примеры вычисления работы силы - student2.ru ,

где Примеры вычисления работы силы - student2.ru – расстояние от точки равновесия, где сила равна нулю, до рассматриваемой точки Примеры вычисления работы силы - student2.ru ; Примеры вычисления работы силы - student2.ru – постоянный коэффициент жесткости.

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (191)

По этой формуле вычисляют работу линейной силы упругости пружины при перемещении по любому пути из точки Примеры вычисления работы силы - student2.ru , в которой ее удлинение (начальная деформация) равно Примеры вычисления работы силы - student2.ru , в точку Примеры вычисления работы силы - student2.ru , где деформация соответственно равна Примеры вычисления работы силы - student2.ru . В новых обозначениях (191) принимает вид

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (191')

Работа силы, приложенной к твердому телу. Получим формулы для вычисления элементарной и полной работы силы, приложенной в какой-либо точке твердого тела, которое совершает то или иное движение. Сначала рассмотрим поступательное и вращательное движения тела, а затем общий случай движения твердого тела.

При поступательном движении твердого тела все точки тела имеют одинаковые по модулю и направлению скорости. Следовательно, если сила Примеры вычисления работы силы - student2.ru приложена к точке Примеры вычисления работы силы - student2.ru , то, так как Примеры вычисления работы силы - student2.ru ,

Примеры вычисления работы силы - student2.ru , (192)

где Примеры вычисления работы силы - student2.ru – радиус-вектор произвольной точки твердого тела. На каком-либо перемещении полная работа

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (193)

При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси скорость точки Примеры вычисления работы силы - student2.ru можно вычислить по векторной формуле Эйлера:

Примеры вычисления работы силы - student2.ru ,

тогда элементарную работу силы Примеры вычисления работы силы - student2.ru определим по формуле

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (194)

Таким образом, элементарная работа силы, приложенной к какой-либо точке тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, равна произведению момента силы относительно оси вращения на дифференциал угла поворота тела.

Полная работа

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (195)

В частном случае, если момент силы относительно оси вращения является постоянным, т. е. Примеры вычисления работы силы - student2.ru , работу определяют по формуле

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (196)

Используя определение мощности силы

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (197)

Мощность силы, приложенной к вращающемуся вокруг неподвижной оси твердому телу, равна произведению угловой скорости тела на момент силы относительно оси вращения тела.

Для свободного тела в общем случае движения скорость точки Примеры вычисления работы силы - student2.ru , в которой приложена сила Примеры вычисления работы силы - student2.ru ,

Примеры вычисления работы силы - student2.ru ,

следовательно,

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (198)

Таким образом, элементарная работа силы, приложенной в какой-либо точке твердого тела, в общем случае движения складывается из элементарной работы на элементарном поступательном перемещении вместе с какой-либо точкой тела и на элементарном вращательном перемещении вокруг этой точки.

В случае вращения твердого тела вокруг неподвижной точки, выбрав эту точку за полюс Примеры вычисления работы силы - student2.ru , для элементарной работы имеем

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (199)

Поворот на угол Примеры вычисления работы силы - student2.ru следует рассматривать в каждый момент времени вокруг своей мгновенной оси вращения.

Работа внутренних сил твердого тела. Для твердого тела сумма работ внутренних сил равна нулю при любом его перемещении.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия точки и системы. Кинетической энергией материальной точки называют половину произведения массы точки на квадрат ее скорости, т.е. Примеры вычисления работы силы - student2.ru или Примеры вычисления работы силы - student2.ru , так как скалярный квадрат любого вектора равен квадрату модуля этого вектора. Кинетическая энергия является скалярной положительной величиной.

Кинетической энергией системы Примеры вычисления работы силы - student2.ru называют сумму кинетических энергий всех точек механической системы, т. е.

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (200)

Кинетическая энергия как точки, так и сие темы не зависит от направления скоростей точек. Кинетическая энергия может быть равна нулю для системы только при условии, если все точки системы находятся в покое.

Вычисление кинетической энергии системы (теорема Кёнига): Кинетическая энергия системы в абсолютном движении складывается из кинетической энергии центра масс, если в нем сосредоточить всю массу системы, и кинетической энергии системы относительно центра масс:

Примеры вычисления работы силы - student2.ru , (201)

где Примеры вычисления работы силы - student2.ru .

Величина Примеры вычисления работы силы - student2.ru – кинетическая энергия относительного движения системы относительно системы координат, движущейся поступательно вместе с ее центром масс, или кинетическая энергией системы относительно центра масс.

Кинетическая энергия твердого тела. При поступательном движении твердого тела

Примеры вычисления работы силы - student2.ru , (202)

так как при поступательном движении твердого тела скорости всех точек тела одинаковы, т. е. Примеры вычисления работы силы - student2.ru , где Примеры вычисления работы силы - student2.ru – общая скорость для всех точек тела.

Таким образом, кинетическая энергия твердого тела при поступательном движении вычисляется так же, как и для одной точки, у которой масса равна массе всего тела.

При вращении тела вокруг неподвижной оси

Примеры вычисления работы силы - student2.ru , (203)

где Примеры вычисления работы силы - student2.ru – момент инерции тела относительно оси вращения Примеры вычисления работы силы - student2.ru .

Следовательно, кинетическая энергия тела при вращательном движении вокруг неподвижной оси равна половине произведения момента инерции тела относительно оси вращения на квадрат угловой скорости тела.

При плоском движении твердого тела

Примеры вычисления работы силы - student2.ru . (204)

Таким образом, при плоском движении тела кинетическая энергия складывается из кинетической энергии поступательного движения тела вместе с центром масс и кинетической энергии от вращения вокруг оси, проходящей через центр масс и перпендикулярной плоскости движения.

Наши рекомендации