• Вычислим работу, используя не второй закон Ньютона, а выражение сил взаимодействия между телами в зависимости от расстояний между ними. Это позволит нам ввести понятие потенциальной энергии, зависящей не от скоростей тел, а от расстояний между телами (или от расстояний между частями одного и того же тела).
• Так как силы могут быть самыми разнообразными, то нужно рассмотреть различные случаи. Мы ограничимся наиболее простыми.

Потенциальная энергия взаимодействия тела и Земли

Рассмотрим вначале работу внутренних сил системы, состоящей из земного шара и поднятого над поверхностью Земли тела, например камня. При небольших расстояниях от поверхности Земли эту силу можно считать постоянной и равной:

Сила, действующая на камень, направлена вертикально вниз. Вычислим работу этой силы при перемещении камня вверх вдоль прямой ВС (рис. 6.9).

Рис. 6.9

Начальная точка В находится на высоте h 1 над Землей, а конечная точка С - на высоте h 2 . Ось Y направим вертикально вверх, а ось X вдоль поверхности Земли. Работа

Так как Δy = h 2 - h 1 (см. рис. 6.9), то

При движении камня вверх сила тяжести совершает отрицательную работу. Если бы камень двигался вниз, то работа была бы положительной.

Работой силы, действующей на Землю со стороны камня, можно пренебречь, так как перемещение Земли ничтожно мало из-за ее огромной массы(1).

Итак, работу силы тяжести можно представить в виде разности двух значений величины, зависящей от взаимного расположения тела и Земли.

Величину, равную произведению массы т тела на ускорение свободного падения g и высоту h тела над поверхностью Земли, называют потенциальной(2) энергией взаимодействия тела и Земли. Обозначим потенциальную энергию через Е p:

С учетом (6.6.3) выражение для работы (6.6.2) запишется так:

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком.

Когда сила тяжести совершает отрицательную работу, то потенциальная энергия увеличивается: Е p2 > Е p1 , При совершении положительной работы потенциальная энергия, напротив, уменьшается:

Е р2 < Е p1

Из выражения (6.6.2) видно, что работа силы тяжести определяется лишь изменением высоты h 2 - h 1 тела над поверхностью Земли, но не зависит от перемещения его в горизонтальном направлении. Это справедливо не только для работы при перемещении тела вдоль прямой, но и для работы на произвольном участке пути. В самом деле, если тело перемещается вдоль кривой ВС из точки, находящейся над землей на высоте h 1 , в точку, лежащую на высоте h 2 (рис. 6.10), то работа вдоль этой кривой равна работе вдоль ступенчатой линии, состоящей из вертикальных и горизонтальных отрезков малой длины. На горизонтальных отрезках работа равна нулю, а сумма работ на вертикальных отрезках равна работе на вертикальной прямой длиной h 2 - h 1 . Поэтому работа по-прежнему будет выражаться формулой (6.6.2).

Рис. 6.10

Следовательно, работа силы тяжести не зависит от формы траектории и определяется только начальным и конечным положением тела . На замкнутой траектории работа равна нулю, так как изменение потенциальной энергии при этом равно нулю.

Именно независимость работы силы тяжести от формы траектории, по которой перемещается тело, позволяет ввести понятие потенциальной энергии.

Работа силы упругости

Вычислим работу, которую совершает растянутая пружина при перемещении прикрепленного к ней тела.

На рисунке 6.11, а показана пружина, у которой один конец закреплен неподвижно, а к другому концу прикреплен шар. Если пружина растянута (рис. 6.11, б), то она действует на шар с силой 1 направленной к положению равновесия шара, в котором пружина не деформирована. Начало отсчета оси X совместим с концом пружины в нерастянутом состоянии.

Рис. 6.11

Вычислим работу силы упругости при перемещении шара из точки с координатой х 1 в точку с координатой х 2 . Из рисунка 6.11, в видно, что модуль перемещения |Δ| = х 1 - х 2 .

При деформации пружины сила упругости изменяется линейно с изменением координаты: F = k|x|. Для вычисления работы воспользуемся графиком зависимости силы от координаты шара (рис. 6.12). Как было показано в § 6.2, работу силы упругости при перемещении |Δ| = х 1 - х 2 можно считать численно равной площади трапеции BCDM. Обозначив через F 1 модуль силы упругости в начальном положении шара, а через F 2 - в конечном, получим

Рис. 6.12

Величину можно рассматривать как среднее значение силы, действующей на шар. При линейной зависимости силы от расстояния это среднее значение равно полусумме начального и конечного значений силы.

Теперь рассмотрим два тела, соединенных пружиной и лежащих на гладкой горизонтальной поверхности. Будем считать для простоты, что тела могут перемещаться только вдоль прямой, совпадающей с осью пружины. Модули сил, с которыми взаимодействуют тела, равны:

где l - расстояние между телами, а l 0 - длина пружины в нерастянутом состоянии.

Пусть в начальном положении длина пружины равна l 1 (рис. 6.13, а), а в конечном l 2 (рис. 6.13, б) (l 1 > l 2). При сокращении пружины на Δl = l 1 - l 2 первое тело переместится на расстояние Δl I , а второе на расстояние Δl II (см. рис. 6.13, б), так что

Рис. 6.13

Согласно формуле (6.6.5) работа силы упругости по перемещению первого тела равна:

Аналогично работа по перемещению второго тела

Учитывая, что Δl I + Δl II = l 1 - l 2 , приходим к выводу: полная работа внутренних сил системы (сил упругости в данном случае) равна:

Выражение (6.6.7) нетрудно преобразовать к виду

где Δl 1 = l 1 - l 0 , а Δl 2 = l 2 - l 0 - деформация пружины в начальном и конечном состояниях(3).

Потенциальная энергия деформированной пружины

Формула (6.6.8) показывает, что работа силы упругости может быть представлена как изменение величины

взятое с противоположным знаком.

При сжатии (или растяжении) пружины

Величина Е в формуле (6.6.9) представляет собой потенциальную энергию тел, взаимодействующих посредством пружины.

Работа сил упругости зависит только от деформации пружины, определяемой начальной и конечной длиной пружины. От формы траектории тел, на которые действует пружина, работа А не зависит, подобно тому как не зависит от формы пути работа сил тяжести. Ведь при перемещении любого тела перпендикулярно оси пружины, когда ее длина не меняется, работа будет равна нулю, так как при этом сила перпендикулярна перемещению. Работа определяется разностью значений потенциальной энергии в начальном и конечном состояниях.

Заметим, что потенциальная энергия, определяемая выражением (6.6.9), не зависит от свойств тел, которые связывает пружина. Эту энергию следует считать сконцентрированной в пружине.

Консервативные силы

Мы показали, что работа силы тяжести вблизи поверхности Земли и работа сил упругости растянутой пружины не зависят от формы траектории и могут быть представлены как изменения зависящей от координат величины - потенциальной энергии, взятые с противоположным знаком.

Этот результат оказывается справедливым не только для рассмотренных нами сил, но и для любых сил, зависящих от расстояний между телами, но не зависящих от их скоростей. Как мы скоро увидим, механическая энергия, равная сумме кинетической и потенциальной энергий, сохраняется в замкнутой системе лишь в том случае, когда в ней действуют силы, зависящие только от расстояния. Такие силы называются консервативными, т. е. сохраняющимися (вспомните: консервы). Системы, в которых действуют только эти силы, также называют консервативными.

Работа консервативных сил всегда может быть представлена как приращение потенциальной энергии, взятое с противоположным знаком:

Потенциальная энергия тел, взаимодействующих посредством гравитационных сил

Возможные формы потенциальной энергии не исчерпываются выражениями (6.6.3) и (6.6.9). Так, потенциальная энергия двух тел, взаимодействующих друг с другом посредством сил всемирного тяготения, в общем случае записывается так:

где G - гравитационная постоянная.

Чтобы обосновать справедливость формулы (6.6.12), решим обратную задачу. Докажем, что, взяв потенциальную энергию в виде (6.6.12), мы получим для силы взаимодействия точечных тел закон всемирного тяготения Ньютона.

Вычислим, используя формулу (6.6.12), работу по перемещению на малое расстояние |Δ| = г 2 - г 1 точечного тела массой m 1 взаимодействующего с неподвижным точечным телом массой m 2 (рис. 6.14).

Рис. 6.14

Если |Δ| мало, то силу взаимодействия тел массами m 1 и m 2 можно считать постоянной. Работа в этом случае равна:

так как сила и перемещение направлены в противоположные стороны.

Подставляя в эту формулу значение потенциальной энергии (6.6.12), получим:

Если |Δ| << r 2 и |Δ| << r 2 , то r 1 r 2 ≈ r 2 .

Допустив, что потенциальная энергия имеет форму (6.6.12), мы пришли к правильному выражению для силы всемирного тяготения.

Можно показать, что выражение для потенциальной энергии Е p = mgh представляет собой частный случай формулы (6.6.12), когда изменение высоты h тела над поверхностью Земли много меньше ее радиуса R.

В самом деле, пусть начальная высота тела массой m над поверхностью Земли равна h 1 а конечная - h 2 . Тогда согласно формулам (6.6.11) и (6.6.12) будем иметь:

Так как R >> h 1 и R >> h 2 , то приближенно

Ускорение свободного падения на поверхности Земли g = G. Поэтому

и, следовательно, Е p = mgh.

Работа сил, зависящих только от расстояний между телами системы (но не от их скоростей), не зависит от формы траектории. Поэтому работу можно представить как разность значений некоторой функции, называемой потенциальной энергией, в конечном и начальном состояниях системы. Значение потенциальной энергии зависит от характера действующих сил.

(1) Разумеется, это справедливо в системе отсчета, которая не перемещается вдоль оси Y.

(2) От латинского слова potentia - возможность.

(3) Это легко проверить, если произвести все действия в формулах (6.6.7) и (6.6.8) и сравнить результаты.

Энергия взаимодействия тел. Потенциальной энергией тело само по себе не может обладать. определяется силой, действующей на тело со стороны другого тела. Поскольку взаимодействующие тела равноправны, то потенциальной энергией обладают только взаимодействующие тела.

A = Fs = mg (h 1 - h 2 ).

Теперь рассмотрим движение тела по наклонной плоскости. При перемещении тела вниз по наклонной плоскости сила тяжести совершает работу

A = mgscosα .

Из рисунка видно, что s cosα = h , следовательно

А = mg h .

Выходит, что работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела.

Равенство A = mg (h 1 - h 2 ) можно записать в виде A = - (mg h 2 - mgh 1 ).

Т. е. работа силы тяжести при перемещении тела массой m из точки h 1 в точку h 2 по любой траектории равна изменению некоторой физической величины mgh с противоположным знаком.

Физическая величина , равная произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называется потенциальной энергией тела.

Потенциальную энергию обозначают через Е р . Е р = mgh , следовательно:

A = - (Е р 2 - Е р 1 ).

Тело может обладать как положительной, так и отрицательнойпотенциальной энергией. Тело массой m на глубине h от поверхности Земли обладает отрицательной потенциальной энергией: Е р = - mgh .

Рассмотрим потенциальную энергию упругодеформированного тела.

Прикрепим к пружине с жесткостью k брусок, растянем пружину и отпустим брусок. Под действием силы упругости растянутая пружина приведет в действие брусок и переместит его на некоторое расстояние. Вычислим работу силы упругости пружины от некоторого начального значения x 1 до конечного x 2 .

Сила упругости в процессе деформации пружины изменяется. Чтобы найти работу силы упругости можно взять произведение среднего значения модуля силы и модуля перемещения:

А = F у.ср (x 1 - x 2 ).

Так как сила упругости пропорциональна деформации пружины, то среднее значение ее модуля равно

Подставив это выражение в формулу работы силы, получим:

Физическую величину , равную половине произведения жесткости тела на квадрат его деформации, называют потенциальной энергией упругодеформированного тела:

Откуда следует, что A = - (Е р2 - Е р1 ).

Как и величина mgh , потенциальная энергия упругодеформированного тела зависит от координат, поскольку x 1 и x 2 - это удлинения пружины и в то же время - координаты конца пружины. Поэтому можно сказать, что потенциальная энергия во всех случаях зависит от координат.

Практическая работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ.

СРАВНЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ РАСТЯНУТОЙ ПРУЖИНЫ С ИЗМЕНЕНИЕМ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТЕЛА.

Оборудование: два штатива для фронтальных работ; динамометр учебный; шар; нитки; листы белой и копировальной бумаги; линейка измерительная; весы учебные со штативом; гири.

З а д а н и е

Сравните уменьшение потенциальной энергии растянутой пружины с увеличением кинетической энергии тела, связанного с пружиной.

Теоретические основы работы.

На основании закона сохранения и превращения энергии при взаимодействии тел силами упругости изменение потенциальной энергии растянутой пружины должно быть равно изменению кинетической энергии связанного с ней тела, взятому с противоположным знаком:

∆Eс = – ∆ Ek

Для экспериментальной проверки этого утверждения можно воспользоваться установкой, изображенной на рисунке 1. В лапке штатива закрепляют динамометр. К его крючку привязывают шар на нити длиной 60—80 см. На другом штативе на одинаковой высоте с динамометром укрепляют в лапке желоб. Установив шар на краю желоба и удерживая его, отодвигают второй штатив от первого на длину нити. Если отодвинуть шар от края желоба на х, то в результате деформации пружина приобретет запас потенциальной энергии

где k — жесткость пружины.

Затем шар отпускают. Под действием силы упругости шар приобретает скорость v. Пренебрегая потерями, вызванными действием силы трения, можно считать, что потенциальная энергия растянутой пружины полностью превратится в кинетическую энергию шара:

Скорость шара можно определить, измерив дальность его полета s при свободном падении с высоты h. Из выражений v= и следует, что Тогда

Целью работы является проверка равенства:

С учетом равенства Fy= kx получим:

1. Укрепите на штативах динамометр и желоб на одинаковой высоте h =40 см от поверхности стола. Зацепите за крючок динамометра нить, привязанную другим концом к шару. На предполагаемое место падения шара положите лист белой бумаги и сверху него лист копировальной бумаги.

Расстояние между штативами должно быть таким, чтобы шар находился на краю желоба при натянутой нити и отсутствии деформации пружины динамометра.

2. Отодвигайте шар от края желоба до тех пор, пока показания динамометра не станут равными Fy=2H. Отпустите шар и заметьте место его падения на стол по отметке на листе бумаги.

Опыт повторите не менее 10 раз. Определите среднее значение дальности полета sср.

3. Измерьте деформацию x пружины динамометра при силе упругости Fy=2 Н. Вычислите потенциальную энергию растянутой пружины.

4. Измерьте массу шара с помощью весов и вычислите увеличение его кинетической энергии.

5. Результаты измерений и расчетов занесите в отчетную таблицу.

Отчетная таблица

6. Сделайте вывод о выполнении закона сохранения энергии.

Контрольные вопросы

В каких случаях выполняется закон сохранения механической энергии? Чем можно объяснить неточное равенство изменений потенциальной энергии пружины и кинетической энергии шара?

Деформированное упругое тело (например, растянутая или сжатая пружина) способно, возвращаясь в недеформированное состояние, совершить работу над соприкасающимися с ним телами. Следовательно, упруго деформированное тело обладает потенциальной энергией. Она зависит от взаимного положения частей тела, например витков пружины. Работа, которую может совершить растянутая пружина, зависит от начального и конечного растяжений пружины. Найдем работу, которую может совершить растянутая пружина, возвращаясь к нерастянутому состоянию, т. е. найдем потенциальную энергию растянутой пружины.

Пусть растянутая пружина закреплена одним концом, а второй конец, перемещаясь, совершает работу. Нужно учитывать, что сила, с которой действует пружина, не остается постоянной, а изменяется пропорционально растяжению. Если первоначальное растяжение пружины, считая от нерастянутого состояния, равнялось , то первоначальное значение силы упругости составляло , где - коэффициент пропорциональности, который называют жесткостью пружины. По мере сокращения пружины эта сила линейно убывает от значения до нуля. Значит, среднее значение силы равно . Можно показать, что работа равна этому среднему, умноженному на перемещение точки приложения силы:

Таким образом, потенциальная энергия растянутой пружины

Такое же выражение получается для сжатой пружины.

В формуле (98.1) потенциальная энергия выражена через жесткость пружины и через ее растяжение . Заменив на , где - упругая сила, соответствующая растяжению (или сжатию) пружины , получим выражение

которое определяет потенциальную энергию пружины, растянутой (или сжатой) силой . Из этой формулы видно, что, растягивая с одной и той же силой разные пружины, мы сообщим им различный запас потенциальной энергии: чем жестче пружина, т.е. чем больше ее упругость, тем меньше потенциальная энергия; и наоборот: чем мягче пружина, тем больше энергия, которую она запасет при данной растягивающей, силе. Это можно уяснить себе наглядно, если учесть, что при одинаковых действующих силах растяжение мягкой пружины больше, чем жесткой, а потому больше и произведение силы на перемещение точки приложения силы, т. е. работа.

Эта закономерность имеет большое значение, например, при устройстве различных рессор и амортизаторов: при посадке на землю самолета амортизатор шасси, сжимаясь, должен произвести большую работу, гася вертикальную скорость самолета. В амортизаторе с малой жесткостью сжатие будет больше, зато возникающие силы упругости будут меньше и самолет будет лучше предохранен от повреждений. По той же причине при тугой накачке шин велосипеда дорожные толчки ощущаются резче, чем при слабой накачке.

Упругое тело, будучи деформировано, является аккумулятором энергии, затраченной на деформацию. При устранении действующих сил эта энергия отдается упругим телом в том или ином виде. Использование упругого аккумулятора энергии широко распространено и находит применение в конструкции заводного механизма часов, некоторых самопишущих приборов и т. п.

В общем случае внешние силы, прикладываемые к упругому телу, производят работу А, которая идет, с одной стороны, на сообщение скорости частицам тела, то есть переходит в кинетическую энергию Т, с другой - накапливается в виде потенциальной энергии деформации. Уравнение баланса энергии есть

Величина U представляет собою ту часть работы, которая тратится на деформирование тела и, если тело упруго, остается в нем до тех пор, пока нагрузка не изменяется. Для подсчета величины U нужно предположить, что внешняя сила прикладывается таким образом, что кинетическая энергия Т равна нулю. Для этого нужно, чтобы сила Р прикладывалась не сразу, а постепенно, а именно возрастала от нуля до максимума так медленно, что можно считать скорость деформации практически отсутствующей и пренебречь силами инерцин. В этом и только в этом случае внутренние силы упругости в каждый момент процесса уравновешиваются внешними силами, и поэтому можно приняты

Процесс деформации можно представить как последовательность бесконечно малых приращений удлинения вызываемых ростом силы Р, которая при растяжении - сжатии однозначно связана с удлинением законом Гука:

Приращению удлинения соответствует элементарная работа:

Интегрируя от до конечного значения имеем:

Заменяя здесь силу Р ее выражением по закону Гука (28.2), получим:

Приводим еще две эквивалентные формы записи выражения потенциальной энергии растяжения:

При пользовании формулами (28.5) и (28.6) нужно помнить, что Р представляет собою внешнюю силу лишь тогда, когда стержень находится в состоянии покоя. В динамических задачах сила, растягивающая стержень, вообще говоря, составляет сумму внешней силы и силы инерции. Эта сумма и фигурирует в формулах (28.5) и (28.6).

Энергию упругой деформации растяжения - сжатия удобно относить к единице объема стержня. Эта величина выражается так:

В стержне, приведенном в пластическое состояние, работа внешней деформирующей силы расходуется также и на пластическое деформирование. Соответствующая часть работы связана с необратимыми изменениями размеров и переходит в иемеханические виды энергии. Уравнение баланса энергии будет