Терема о потенциальной энергии

Под потенциальной энергией W_p взаимодействующих тел или частей одного тела понимают СФВ, характеризующую их способность совершать работу за счет изменения взаимного расположения тел или частей одного тела. Потенциальная энергия в одинаковой степени характеризует все взаимодействующие тела или их части. При этом между ними действуют консервативныесилы, работа этих сил не зависит от траектории движения тел, но определяется их начальными и конечными положениями.

При наличии только консервативных сил потенциальную энергию взаимодействия системы, состоящей из Nтел (м.т.), можно представить в виде потенциальных энергий попарного их взаимодействия друг с другом и с внешними телами (с номерами от (N+1) до (N+L)):

, (1.70)

где - потенциальная энергия взаимодействия тел с номерамиi и к. Коэффициент (1/2) в первом слагаемом связан с тем, что потенциальная энергия взаимодействия тел iи к встречается в формуле (1.70) два раза (например, и ). В сумме исключаются слагаемые, для которых значения i и kсовпадают. Для замкнутой системы второго слагаемого, описывающего взаимодействие тел системы с внешними телами, в формуле (1.70) не будет.

Потенциальные взаимодействия принято обычно описывать введением силового поля, а именно, считается, что одно тело взаимодействует в месте своего расположения с силовым полем, созданным другими телами. Такой подход удобно использовать в том случае, когда движение одного тела (например, первого) слабо влияет на движение другого тела (второго). Тогда можно считать, что первое тело находится в потенциальном поле, созданном вторым телом, и потенциальную энергию их взаимодействия приписать первому телу. Так, например, говорят о потенциальной энергии тела в поле тяготения Земли, о потенциальной энергии заряда в электрическом поле и т.д. При этом движение тела (заряда) слабо влияет на силовое поле, в котором оно движется. Вспомним, что обычно говорят: тело падает на Землю, а не Земля падает на тело. Этим самым отмечают тот факт, что движение тела практически не изменяет положение Земли.

Примерами консервативных сил в механике являются силы тяготения и упругости, а неконсервативных сил - силы трения, сопротивления, тяги, силы химических реакций, возникающих при разрыве снаряда, при выстреле и т.д.

Название «консервативные» силы связано с тем, что полная механическая энергия W_M системы тел, взаимодействующих между собой посредством только консервативных сил, сохраняется.

Выведем формулы для потенциальных энергий взаимодействия тел, между которыми действуют силы тяготения и силы упругости.

1. Потенциальная энергия тела в поле тяготения Земли. Между телом (м.т.) массы m и Землей (однородный шар радиуса R_З) массы M_З действует сила тяготения:

,

где G – гравитационная постоянная, а r – расстояние от центра Земли до тела (рис.1.24,а).

Рис.1.24

Рассчитаем работу А₁₂ силы тяготения при переходе тела из точки 1 в точку 2 (они находятся соответственно на расстояниях r₁ и r₂ от центра Земли):

. (1.71)

Из формулы (1.71) следует, что работа силы тяготения определяется убылью величин, зависящих только от начального и конечного положения тела и Земли. Значит, силы тяготения являются консервативными силами,а сами эти величиныпредставляют собой потенциальные энергии гравитационного взаимодействия тела и Земли:

const . (1.72)

Потенциальная энергия W_p определяется с точностью до постоянной величины; ее нулевой уровень отсчета W_p выбирается произвольно для удобства решения конкретных задач. Можно этот выбор провести следующим образом: считать, что при

. (1.73)

Как уже отмечалось выше, формулу (1.72) можно так же рассматривать как потенциальную энергию тела в гравитационном поле, созданном Землей. В этом случае нулевой уровень отсчета W_p удобно выбирать на поверхности Земли (h=0, W_p =0)

, (1.74)

где g₀= GM_З/R_З²=9,81 м/с² - ускорение свободного падения на уровне океана

(h = 0, r = R₃); h - высота тела над поверхностью Земли.