Связь между силой и потенциальной энергией кратко

Обновлено: 05.07.2024

Потенциальная энергия — это энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела. –потенциальная энергия тела, – его масса, – ускорение свободного падения, – высота тела над некоторым нулевым уровнем. Потенциальное поле — поле, в котором работа, совершаемая силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений.

Каждой точке потенциального поля соответствует некоторое значение силы F, действующей на тело, и некоторое значение потенциальной энергии Еп. Значит, между силой F и Еп должна быть связь

Градиент–это вектор, показывающий направление наибыстрейшего изменения функции. Следовательно, вектор направлен в сторону наибыстрейшего уменьшения U.

Полная механическая энергия. Закон сохранения энергии. Условие равновесия механических систем.

Сумма кинетической и потенциальной энергий системы тел называется полной механической энергией системы:

E = Ep + Ek

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую.

Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Механическая система будет находиться в равновесии, если на неё не будет действовать сила. Это условие необходимое, но не достаточное, т. к. система может при этом находиться в равномерном и прямолинейном движении.

Мерой устойчивости тела в положении равновесия является наименьшее значение работы, совершаемой внешней силой для того, чтобы переместить тело в такое положение, откуда после действия силы оно уже не сможет вернуться в исходное состояние.

Из двух тел более устойчивым является тело, для выведения которого из положения равновесия требуется совершение большей работы.

Применение законов сохранения. Импульс силы. Удар абсолютно упругих и неупругих тел.

Импульсом тела называют векторную физическую величину, являющуюся количественной характеристикой поступательного движения тел. Импульс обозначается р. Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость: р = mv. Единица измерения импульса — кг • м/с.

Закон сохранения механической энергии и закон сохранения импульса позволяют находить решения механических задач в тех случаях, когда действующие силы неизвестны. Примером такого рода задач является ударное взаимодействие тел.

Соударение (удар) – это столкновение двух или более тел, при котором взаимодействие длится очень короткое время. Ударные силы столь велики, что внешними силами можно пренебречь; это позволяет систему тел в процессе соударения рассматривать как замкнутую и применять к ней законы сохранения.

Удар называется центральным, если тела до удара движутся вдоль прямой, соединяющей их центры.

Абсолютно упругий удар – столкновение двух тел, в результате которого в обоих взаимодействующих телах не остается никаких деформаций (механическая энергия не переходит в другие, немеханические виды) и вся кинетическая энергия, которой тела обладали до удара, после удара снова превращается в кинетическую энергию. В этом случае выполняются закон сохранения импульса и закон сохранения кинетической энергии.

Абсолютно неупругий удар – это столкновение двух тел, в результате котороготела объединяются и двигаются дальше, как единое целое. Выясним, как меняется кинетическая энергия шаров при центральном абсолютно неупругом ударе.

18*. Применение законов сохранения. Движение тел с переменной массой. Уравнение Циолковского.

Характерным проявлением выполнения закона сохранения импульса является движение тел с переменной массой и реактивное движение. Применив закон сохранения импульса для описания движения тел с переменной массой, К. Э. Циолковский сделал теоретические расчеты, послужившие основой для реализации запусков космических аппаратов.

Рассмотрим теперь системы, массы которых изменяются. Такие системы можно рассматривать как своего рода неупругое столкновение. В этом случае импульс системы

Полный импульс системы частиц равен произведению полной массы системы М на скорость её центра масс .
Если продифференцировать обе части равенства по времени, то при условии, что M постоянна, получим:

где – внешняя результирующая сила, приложенная к системе.

Рассмотрим движение тел с переменной массой на примере ракеты.

Реактивное движение основано на принципе отдачи. В ракете при сгорании топлива газы, нагретые до высокой температуры, выбрасываются из сопла с большой скоростью υг (рис. 3.4). Ракета и выбрасываемые газы взаимодействуют между собой по закону сохранения импульса: mрυр = mгυг .
На основании этого закона конечная скорость ракеты

где υг – относительная скорость выбрасываемых газов, M0 и M – начальная и конечная массы ракеты. Это соотношение в физике называют формулой Циолковского. Из него следует, что для достижения скорости υ, в 4 раза превышающей по модулю относительную скорость выбрасываемых газов, стартовая масса одноступенчатой ракеты должна примерно в 50 раз превышать ее конечную массу.

Формула Циалковского:

Пространство, в котором действуют консервативные силы, называется потенциальным полем. Каждой точке потенциального поля соответствует некоторое значение силы F, действующей на тело, и некоторое значение потенциальной энергии U. Значит, между силой F и U должна быть связь , с другой стороны, dA = –dU, следовательно Fdr=-dU, отсюда: Проекции вектора силы на оси координат:

Вектор силы можно записать через проекции: , F = –grad U, где .

Градиент – это вектор, показывающий направление наибыстрейшего изменения функции. Следовательно, сила равна градиенту потенциальной энергии, взятого с обратным знаком

24. Зако́н сохране́ния эне́ргии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени. Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии.

Примеры

Классическим примером этого утверждения являются пружинный или математический маятники с пренебрежимо малым затуханием.

25.

Условие равновесия механических систем

Механическая система будет находиться в равновесии, если на неё не будет действовать сила. Это условие необходимое, но не достаточное, так как система может при этом находиться в равномерном и прямолинейном движении. . Учитывая формулы

F = –grad U

имеем .
Следовательно, система будет находиться в состоянии равновесия, если .

Именно так находят положение точек экстремума.
Таким образом, достаточным условием равновесия является равенство минимуму значения U (это справедливо не только для механической системы, но, например, и для атома).

26. консервати́вные си́лы (потенциальные силы) — силы, работа которых не зависит от формы траектории (зависит только от начальной и конечной точки приложения сил). Отсюда следует определение: консервативные силы — такие силы, работа которых по любой замкнутой траектории равна 0. Силы, что не принадлежат к консервативным, называют неконсервативными: - силы трения, которые возникают при скольжении одного тела по поверхности другого - силы сопротивления, которых испытывает тело, двигаясь в жидкой или газообразной среде. К консервативным силам относят силы притяжения, силы упругости и силы электростатического взаимодействия; к неконсервативным соответственно - силы трения и силы сопротивления.

27. Работа постоянной силы равняется скалярному произведению силы на перемещение A = |F|·|S|·cosa = (F·S)
Работа переменной силы Пусть тело движется прямолинейно с равномерной силой под углом £ к направлению перемещения и проходит расстояние S/ Работой силы F называется скалярная физическая величина, равная скалярному произведению вектора силы на вектора перемещения. A=F·s·cos £. А=0, если F=0, S=0, £=90º. Если сила непостоянная (изменяется), то для нахождения работы следует разбивать траекторию на отдельные участки. Разбиение можно производить до тех пор, пока движение не станет прямолинейным, а сила постоянной │dr│=ds.. Работа, совершенная силой на данном участке определяется по представленной формуле dA=F· dS· cos £= = │F│·│dr│· cos £=(F;dr)=Ft·dS A=F·S· cos £=Ft·S . Таким образом работа переменной силы на участке траектории равна сумме элементарных работ на отдельных малых участках пути A=SdA=SFt·dS= =S(F·dr).
Мощность — физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.
P=(A2-A1)/(t2-t1)-средняя мощность
P=dA/dt -мгновенная мощность

28. Основной закон динамики вращения (II закон Ньютона для вращательного движения):
Момент вращающей силы, приложенной к телу, равен произведению момента инерции тела на угловое ускорение.

Момент инерции тела характеризует инерционные свойства тела при вращательном движении подобно массе, характеризующей инерционные свойства тела при поступательном движении. Момент инерции тела имеет множество значений, в зависимости от оси вращения.

Если вращающий момент M = const постоянен и момент инерции J = const, то основной закон вращения можно представить в виде

M Δt - импульс момента силы, Jω-момент импульса тела .

29. Момент инерции — скалярная физическая величина, мера инертности во вращательном движении вокруг оси, подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении. Характеризуется распределением масс в теле: момент инерции равен сумме произведений элементарных масс на квадрат их расстояний до базового множества (точки, прямой или плоскости).Единица измерения СИ: кг•м².

30. Момент силы— векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.

Момент силы относительноЕсли имеется материальная точка , к которой приложена сила , то момент силы относительно точки равен векторному произведению радиус-вектора , соединяющий точки и , на вектор силы : .

Вектор силы можно записать через проекции: , F = –grad U, где .

Примеры

25.

Условие равновесия механических систем

F = –grad U

имеем .
Следовательно, система будет находиться в состоянии равновесия, если .

M Δt - импульс момента силы, Jω-момент импульса тела .

Главная цель книги — познакомить студентов прежде всего с основными идеями и методами физики. Особое внимание обращено на разъяснение смысли физических законов и на сознательное применение их. Несмотря на сравнительно небольшой объем, книга представляет собой серьезное руководство, обеспечивающее подготовку, достаточную для успешного усвоения в дальнейшем теоретической физики и других физических дисциплин.

Предисловие к четвертому изданию

При подготовке к настоящему изданию книга была значительно переработана. Написаны заново (полностью или частично) параграфы 7, 17, 18, 22, 27, 33, 36, 37, 40, 43, 68, 88. Существенные добавления или изменения сделаны в параграфах 2, 11, 81, 89, 104, 113.

Ранее, при подготовке ко второму и третьему изданиям были написаны заново параграфы 14, 73, 75. Существенные изменения или добавления были внесены в параграфы 109, 114, 133, 143.

Таким образом, по сравнению с первым изданием облик первого тома заметно изменился. Эти изменения отражают методический опыт, накопленный автором последние десять лет преподавания обшей физики в Московском инженерно-физическом институте.

Ноябрь 1969 г. И. Савельев

Из предисловия к четвертому изданию

Предлагаемая вниманию читателей книга представляет собой первый том учебного пособия по курсу общей физики для втузов. Автор в течение ряда лет преподавал общую физику в Московском инженерно-физическом институте. Естественно поэтому, что пособие он писал имея в виду прежде всего студентов инженерно-физических специальностей втузов.

При написании книги автор стремился познакомить учащихся с основными идеями и методами физической науки, научить их физически мыслить. Поэтому книга не является по своему характеру энциклопедичной, содержание в основном посвящено тому, чтобы разъяснить смысл физических законов и научить сознательно применять их. Не осведомленности читателя по максимально широкому кругу вопросов, а глубоких знаний фундаментальным основам физической пауки — вот что стремился добиться автор.

Потенциальная энергия зависит от положения тела. В зависимости от того, куда мы будем (чуть-чуть) смещаться от данной точки, потенциальная энергия будет либо уменьшаться, либо увеличиваться. Вот здесь и живет связь между потенциальной энергией и силой. Сила показывает направление, в котором потенциальная энергия уменьшается быстрее всего, а величина силы определяется скоростью изменения. Другими словами, сила - градиент потенциальной энергии.

Чем больше потенциальная энергия - тем сильнее при возможности может стать кинетическая. Тем больше сила) По-моему все ясн))

Если говорить о потенциальной энергии в поле тяготения Земли то Еп=мдН тут Ф=мд - сила тяготения
В этом случае Еп=ФН, но данный подход применим не везде. Вот в случае как раз потенциальной энергии упруго сжатого тела - никакой прямой пропорцианольности не будет. Потому как сила там зависима от деформации, а значит меняется на всем перемещении.

ну блин наколбасили. кто то где то что то слышал. .
только от Миша Еременчук относительно верный ответ.

В общем случае дело обстоит так :
Поле может быть любым, например гравитаионное или электрическое или еще какое.. . Хоть растянутая пружина. А чем не поле? Ну да, искусственно созданное и одномерное, но поле!
Так вот, потенциальная энергия (обозначим U) - это полная работа против сил этого самого поля. Соответственно сила (F) - это производная от потенциальной энергии по перемещению со знаком -. Ну или без знака, если речь идет о скалярном значении поля.

Работа − это количественная характеристика процесса обмена энергией между взаимодействующими телами.

Если тело движется прямолинейно и на него действует постоянная сила, то работа этой силы равна скалярному произведению вектора силы на вектор перемещения:

где α − угол между направлением действия силы и направлением перемещения. Работа измеряется в [ Дж]. 1 Дж − это работа, совершаемая силой в 1 Н на пути в 1 м.

В случае переменной силы водится понятие элементарной работы dA , равной скалярному произведению вектора силы F и вектора элементарного перемещению dr

где F_s − проекция силы на касательную к траектории (рис. 3.1.1).

Работа, совершаемая силой на конечном участке пути 1 − 2, равна сумме элементарных работ на отдельных бесконечно малых участках пути (рис. 3.1.2). Она определяется интегралом, вычисленным вдоль участка 1−2 траектории:

Если изобразить график зависимости проекции силы на касательную к траектории от перемещения, то выражение (3.1.3) имеет смысл площади фигуры под кривой.

Для характеристики скорости работы существует мощность. Средняя мощность равна отношению работы к промежутку времени, в течение которого эта работа производится:

Мгновенная мощность , т. е. мощность в данный момент времени определяется как

т. е. равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется точка приложения этой силы.

За единицу мощности принимается мощность в 1 Вт, при которой в единицу времени 1 с совершается работа в 1 Дж.

3.2. Кинетическая энергия. Теорема об изменении кинетической энергии.

Рассмотрим понятие кинетической энергии тела. Пусть тело массой m движется поступательно под действием некоторой силы F=m(d υ /dt) (или результирующей нескольких сил). Найдем элементарную работу, которую совершает эта сила на элементарном перемещении d r = υ dt

Отсюда видно, что работа силы F идет на приращение некоторой величины (стоящей в скобках), которую называют кинетической энергией тела. Таким образом, кинетическая энергия − это энергия тела, обусловленная его механическим движением.

Для тела массой m двигающегося поступательно со скоростью υ кинетическая энергия определяется соотношением

Проинтегрировав выражение (3.2.1) от начальной до конечной скорости получим теорему об изменении кинетической энергии

т. е. приращение кинетической энергии тела на некотором перемещении равно работе результирующей всех сил, действующих на тело на том же перемещении.

3.3. Консервативные и неконсервативные силы.

Все силы в механике делятся на консервативные и неконсервативные силы .

В общем случае работа, определяемая выражением (3.1.3), зависит от траектории, которую описывает точка приложения силы. Однако существуют силы (тяготения, тяжести, упругости, электростатические и др., которые являются центральными), работа которых не зависит от формы траектории, а зависит только от начального и конечного положения движущейся точки. Такие силы называются консервативными, а их работа по замкнутому контуру равна нулю

Если работа силы зависит от формы траектории, которую описывает точка приложения силы, то такие силы называются неконсервативными, а их работа по замкнутому контуру не равна нулю

Среди неконсервативных сил выделяют диссипативные и гироскопические силы.

1) Диссипативные силы . К ним относятся, в частности, силы трения и силы сопротивления среды. Полная работа этих сил является отрицательной.

При наличии сил трения и сопротивления энергия механической системы уменьшается, переходя во внутреннюю энергию тел, что приводит к их нагреванию. Такой процесс называют диссипацией энергии, а силы называют диссипативными . Таким образом, сила называется диссипативной, если работа, совершаемая этой силой, зависит от траектории движения тела.

2) Гироскопические силы . Эти силы зависят от скорости движения материальной точки и действуют перпендикулярно к этой скорости. Работа таких сил всегда равна нулю, однако от консервативных сил они отличаются тем, что определяются не только положением точки, но и ее скоростью. Примером такой силы является сила Лоренца. Сила Лоренца − это сила, действующая на заряженную частицу q , движущуюся со скоростью υ , в магнитном поле индукции B

3.4. Потенциальная энергия. Связь между силой и энергией потенциального поля.

Важнейшей составной частью механической энергии является потенциальная энергия , которая определяется как часть общей механической энергии системы, зависящей от взаимного расположения материальных точек системы и их положения во внешнем силовом поле. Из определения следует, что потенциальная энергия системы не должна зависеть от того, каким образом данная конфигурация частиц системы возникла. Это значит, что понятие потенциальной энергии имеет смысл лишь в том случае, когда на материальные точки системы действуют только консервативные силы. Изменение потенциальной энергии системы должно определяться только работой консервативных сил. Другими словами, работа консервативных сил при переходе из состояния 1 в состояние 2 равна убыли потенциальной энергии

Таким образом, силовое поле консервативных сил является потенциальным полем.

Полем сил называют область пространства, в каждой точке которого на помещенную туда частицу действует сила, закономерно меняющаяся от точки к точке. Примером может служить поле силы тяжести Земли или поле сил сопротивления в потоке жидкости (газа). Если сила в каждой точке силового поля не зависит от времени, то такое поле называют стационарным . Ясно, что силовое поле, стационарное в одной системе отсчета, в другой системе может оказаться и нестационарным. В стационарном силовом поле сила зависит только от положения частицы.

Стационарное силовое поле, в котором работа силы поля на пути между двумя любыми точками не зависит от формы пути, а зависит только от положения этих точек, называется потенциальным , а силы, как уже было сказано выше − консервативными. Если это условие не выполняется, то силовое поле не является потенциальным. Силовое поле представляет собой особую форму существования материи, посредством которой осуществляются гравитационное, электромагнитное, ядерное и другие взаимодействия.

Взаимодействие в консервативной системе может быть описано с помощью потенциальной энергии либо с помощью сил взаимодействия точек системы. Поэтому между потенциальной энергией и силой, действующей на материальную точку, должна существовать определенная взаимосвязь. Потенциальная энергия системы является функцией координат П(x,y,z) . Пусть силы, действующие на систему, выполнили элементарную работу

С другой стороны, используя уравнение (3.4.1)

Сравнивая выражения (3.4.2) и (3.4.3), получим выражения для проекций сил поля

Для вектора силы получаем следующее выражение

Смысл градиента станет нагляднее и яснее, если ввести понятие эквипотенциальной поверхности − поверхности, во всех точках которой потенциальная энергия П имеет одно и то же значение. Каждому значению П соответствует своя эквипотенциальная поверхность. Из формул (3.4.4) следует, что проекция вектора на любое направление, касательное к эквипотенциальной поверхности в данной точке, равна нулю. Это значит, что вектор нормален эквипотенциальной поверхности в данной точке. Далее, возьмем перемещение в сторону уменьшения П, тогда П F противоположен по направлению вектору grad П, то приходим к выводу, что градиент П − это вектор, направленный по нормали к эквипотенциальной поверхности в сторону возрастания потенциальной энергии П.

3.5. Гравитационное поле. Работа в гравитационном поле.

Рассмотрим более подробно понятие поля сил. Опыт показывает, что в случае гравитационных взаимодействий сила, действующая на тело (А) массой m со стороны окружающих тел (В), пропорциональна массе. Эта сила может быть представлена в виде произведения двух величии:

где G − некоторый вектор (для гравитационных сил вблизи поверхности Земли он совпадает с вектором ускорения свободного падения), зависящий как от положения тела (А) массой m , так и от свойств окружающих тел (В).

Такое представление силы открывает возможность иной физической интерпретации взаимодействия, связанной с понятием поля. В этом случае говорят, что система тел (В) окружающих тело массой m создает в окружающем пространстве поле, характеризуемое вектором G ( r ) . Иначе можно сказать, что в каждой точке пространства система тел (В) является источником поля и создает такие условия, при которых тело массой m , помещенное в это поле, испытывает действие силы (3.5.1). Причем считают, что поле существует безотносительно к тому, есть ли в нем тело (А) или нет. При переходе к переменным полям выясняется, что понятие поля имеет глубокий физический смысл: поле есть физическая реальность.

Вектор G ( r ) называют напряженностью поля . Если поле образовано несколькими источниками, результирующее поле равно сумме полей, созданных каждым из них. Это утверждение является одним из важнейших свойств полей и напряженность G результирующего поля в произвольной точке

где G _i − напряженность поля соответствующего источника в этой же точке, N − число источников поля.

Формула (3.5.2) выражает так называемый принцип суперпозиции (или наложения) полей, который является отражением опытных фактов и дополняет законы механики.

Обратимся теперь к потенциальной энергии тела. Согласно формулам (3.4.1) и (3.5.1), можно записать

Поделим обе части этого уравнения на m

и обозначив П/m=φ , получим

Введенная величина φ( r ) называется потенциалом поля в точке с радиус-вектором r .

Формула (3.5.6) позволяет найти потенциал гравитационного поля. Для этого достаточно вычислить интеграл по произвольному пути между точками 1 и 2 и представить затем полученное выражение в виде убыли некоторой функции, которая и есть потенциал φ( r ) . Так, потенциал гравитационного ноля точечной массы m

Потенциал гравитационного поля является энергетической характеристикой поля. Потенциал поля тяготения − это скалярная величина, определяемая потенциальной энергией тела единичной массы в данной точке поля, или работой по перемещению единичной массы из данной точки поля в бесконечность.

В случае, когда поле создается многими источниками, то результирующий потенциал равен

где φ i − потенциал, создаваемый i − телом в данной точке поля; N − число источников поля.

Потенциал, как и потенциальная энергия, может быть определен только с точностью до прибавления некоторой произвольной постоянной, также совершенно несущественной. Поэтому ее обычно опускают, полагая равной нулю. Таким образом, поле можно описывать или в векторном виде G ( r ) , или в скалярном φ( r ) . Оба способа эквивалентны.

Определим работу, совершаемую силами гравитационного поля Земли при перемещении в нем материальной точки массой m . При перемещении материальной точки на расстояние dS совершается работа

На некотором расстоянии r , согласно закону всемирного тяготения, на тело действует сила

Подставляя (3.5.10) в (3.5.9) и интегрируя в пределах от r₁ до r₂ , получим

3.6. Закон сохранения механической энергии.

Пусть на материальные точки системы действуют только консервативные силы. Тогда при переходе системы из одного состояния работа консервативных сил равна

Из (3.6.1) получаем, что

Величину E=K+П называют полной механической энергией системы.

Из соотношения (3.6.2) следует закон сохранения полной механической энергии: полная механическая энергия системы, на материальные точки которой действуют только консервативные силы, с течением времени не изменяется:

Если на систему действуют помимо консервативных сил еще и неконсервативные силы то

а работа консервативных сил равна

Тогда с учетом формулы (3.6.5), выражение (3.6.4) примет следующий вид

В этом случае изменение полной механической энергии системы равно работе неконсервативных сил.

Таким образом, в системе, в которой кроме консервативных сил, действуют также неконсервативные силы, полная механическая энергия системы не сохраняется, и закон сохранения механической энергии не выполняется. Но всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида взамен механической энергии, т. е. выполняется фундаментальный закон сохранения и превращения энергии. Энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой.

Читайте также: