Элементарная работа силы

Элементарной работой силы на перемещении (рис. 3.22) называется скалярное произведение силы на элементарное перемещение точки ее приложения:

где a – угол между направлениями векторов и

Так как то можно записать еще одно выражение элементарной работы:

Отметим, что направление можно считать совпадающим с направлением скорости и dr=dS.

Для элементарной работы можно записать еще несколько выражений:

Из формул элементарной работы следует, что эта величина может быть положительной (угол a острый), отрицательной (угол a тупой) или равна нулю (угол a прямой).

Полная работа сил. Для определения полной работы силы на перемещении от точки M₀ до М разобьем это перемещение на n перемещений, каждое из которых в пределе переходит в элементарное. Тогда работа силы А:

где dA_k – работа на k-м элементарном перемещении.

Записанная сумма является интегральной и может быть заменена криволинейным интегралом, взятым вдоль кривой на перемещении M₀М. Тогда

или

где момент времени t=0 соответствует точке M₀, а момент времени t – точке М.

Из определения элементарной и полной работы следует:

1) работа равнодействующей силы на каком–либо перемещении равна алгебраической сумме работ составляющих сил на этом перемещении;

2) работа сил на полном перемещении равна сумме работ этой же силы на составляющих перемещениях, на которые любым образом разбито все перемещение.

Мощность силы. Мощностью силы называют работу за единицу времени:

или с учетом, что

Мощность силы – это величина, равная скалярному произведению силы на скорость точки ее приложения.

Таким образом, при постоянной мощности увеличение скорости ведет к уменьшению силы и наоборот. Единицей измерения мощности является Ватт: 1Вт=1 Дж/с.

Если сила приложена к телу, вращающемуся вокруг неподвижной оси, то ее мощность равна

Аналогично определяется и мощность пары сил.

3.3.4.3. Примеры вычисления работы силы

Рис. 3.23

Работа силы тяжести. Пусть точка М, на которую действует сила тяжести (рис. 3.23), переместилась из положения M₀(x₀,y₀,z₀) в положение M₁(x₁,y₁,z₁) (ось Oz направлена вертикально). Определим элементарную и полную работу силы на этом перемещении. Сила тяжести имеет проекции и ее элементарная работа равна

Рис. 3.24

Полная работа силы –

где h – высота, на которую опустилась точка.

Таким образом, работа силы тяжести положительная, когда точка опускается, и отрицательная, когда точка поднимается. Работа силы тяжести не зависит от формы траектории между точками M₀ и M₁.

Работа линейной силы упругости. Линейной силой упругости называют силу, действующую по закону Гука (рис. 3.24):

где – радиус-вектор, проведенный из точки равновесия, где сила равна нулю, до рассматриваемой точки М; с – постоянный коэффициент жесткости.

Работа силы на перемещении от точки M₀ до точки M₁ определим по формуле

Выполняя интегрирование, получаем

(3.27)

Рис. 3.25

По формуле (3.27) вычисляют работу линейной силы упругости пружин при перемещении по любому пути из точки M₀, в которой ее начальная деформация равна в точку M₁, где деформация соответственно равна В новых обозначениях формула (3.27) принимает вид

Работа силы, приложенной к вращающемуся твердому телу. При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси скорость точки М можно вычислить по формуле Эйлера, см. рис. 3.25:

Тогда элементарную работу силы определим по формуле

Используя свойство смешанного векторного произведения получим

Так как – момент силы относительно точки О. Учитывая, что – момент силы относительно оси вращения Oz и ωdt=dφ, окончательно получаем:

dA=M_zdφ.

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:

В частном случае, когда , работу определяют по формуле

где j – угол поворота тела, на котором вычисляют работу силы.

Рис. 3.26

Работа внутренних сил твердого тела. Докажем, что работа внутренних сил твердого тела равна нулю при любом его перемещении. Достаточно доказать, что сумма элементарных работ всех внутренних сил равна нулю. Рассмотрим две любые точки тела M₁ и M₂ (рис. 3.26). Так как внутренние силы есть силы взаимодействия точек тела, то:

Введем единичный вектор направленный по силе Тогда

Сумма элементарных работ сил и равна

Раскрывая скалярные произведения векторов в скобках, получаем

Так как в кинематике доказано, что проекции скоростей любых двух точек твердого тела на направление прямой линии, соединяющей эти точки, равны друг другу при любом движении твердого тела, то в полученном выражении в скобках стоит разность одинаковых величин, т.е. величина, равная нулю.

Твердое тело можно считать состоящим из пар взаимодействующих точек. Суммируя элементарные работы для всех пар точек, получаем

3.3.4.4. Теорема об изменении кинетической энергии точки

Для материальной точки массой m, движущейся под действием силы основной закон динамики можно представить в виде

Умножая обе части этого соотношения скалярно на дифференциал радиус-вектора точки имеем

или

Учитывая, что – элементарная работа силы,

имеем

(3.28)

Формула (3.28) выражает теорему об изменении кинетической энергии для точки в дифференциальной форме.

Дифференциал кинетической энергии точки равен элементарной работе силы, действующей на точку.

Если обе части равенства (3.28) проинтегрировать от точки M₀ до точки М (см. рис. 3.22), получаем теорему об изменении кинетической энергии точки в конечной форме:

Изменение кинетической энергии точки на каком–либо перемещении равно работе силы, действующей на точку на том же перемещении.

3.4.4.5. Теорема об изменении кинетической энергии системы

Для каждой точки системы можно выразить теорему об изменении кинетической энергии в форме:

Суммируя правые и левые части этих соотношений по всем точкам системы и вынося знак дифференциала за знак суммы, получаем:

или

(3.29)

где – кинетическая энергия системы; – элементарная работа внешних и внутренних сил соответственно.

Формула (3.29) выражает теорему об изменении кинетической энергии системы в дифференциальной форме.

Дифференциал от кинетической энергии системы равен сумме элементарных работ всех внешних и внутренних сил, действующих на систему.

Если обе части (3.29) проинтегрировать между двумя положениями системы – начальным и конечным, в которых кинетическая энергия равна T₀ и Т, то, изменяя порядок суммирования и интегрирования, имеем:

или

(3.30)

где – работа внешней силы для точки системы M_k при ее перемещении из начального положения в конечное положение M_k; – работа внутренней силы, действующей на точку M_k.

Формула (3.30) выражает теорему об изменении кинетической энергии системы в конечной или интегральной форме.

Изменение кинетической энергии системы при ее перемещении из одного положения в другое равно сумме работ всех внешних и внутренних сил, действующих на систему, на соответствующих перемещениях точек системы при том же перемещении системы.