Презентация на тему 4 Энергия, Работа, мощность

передается энергия от одного тела к другому? Посредством Работы

(размерность как у энергии)
Тело на столе лежит, а паровоз на рельсах двигается прямолинейно с V=const. Так как равнодействующие сил в обоих случаях равны 0, то количество движения не меняется. Но в 1-м случае вообще ничего не происходит , а во втором для создания силы тяги нужна энергия и надо совершать работу! Из опыта количество сожженного топлива пропорционально произведению силы тяги на путь. Везде важна работа! Не важно в механике или бизнесе! Чем больше сил (в нужном направлении) Вы приложили при большем перемещении тем больше совершили работу! Или наоборот для перемещения в нужном направлении нужно приложить больше сил и следовательно совершить большую работу. А без серьезной систематической работы в любой области далеко не продвинешься!
Вспомним конец прошлой лекции. Природа массы? Масса и энергия? Поле или вещество? Различных видов энергии на химическую, ядерную и т.д. чисто условное - есть различные формы материи Например, электромагнитно поле и «неполевая» масса.
Энергия и работа измеряются в одних и тех же единицах. В СИ: работу в 1 Дж = совершает сила 1 Н на пути 1 м. (в системе СГС: 1Дж=107 эрг)

перемещении ds называется скалярное произведение силы на перемещение:
dA =

(F х ds) = F ds cosα,
где α –угол между направлением силы и перемещением. Работа в механике может быть как положительной (α < π/2 , cos α>0) так и отрицательной (α > π/2, cos α <0) и нулевой (при α = π/2 dA=0 , то есть сила работы не совершает если направление приложения силы и движения перпендикуляры). Работа силы на конечном участке траектории от точки 1 до точки 2 равна определенному интегралу:

где Fs = Fcosα - проекция силы на направление перемещения. Работа равна площади под кривой F(s).

В общем случае работа силы упругости на перемещении тела

от x0 до x1 :

МТ движется из точки х0 (где пружина не деформирована) в точку х1. Вычислим работу упругих сил Fупр при растяжении пружины под действием внешней силы Fвнеш (в пределах закона Гука). Пружина деформируется и при малых отклонениях х от точки х0 к

0

1

Fвнеш

x0

x1

пружину.
Если взять x0= 0, то
то есть работа силы

упругости пружины отрицательна. Т.е. внешняя сила Fвнеш совершала положительную работу против сил упругости Fупр . Но пружина потому и растянулась, что действовала Fвнеш= Fупр.

Работа внешней силы положительна:

0

1

Fвнеш

x0= 0

x1

на элементарные составляющие по горизонтали и вертикали. Пусть МТ

движется под действием силы тяжести. Учитывая, что Fx=0, Fy=0, Fz=-mg

где z1-z2=h - изменение координаты по вертикали. Фактически мы говорим об изменении потенциальной энергии

А=mgh

траектории, а лишь от начальной и конечной точек.
Работа студента, поднимающегося по ступенькам?
Если сил несколько то = работе равнодействующей силы
Переменная сила. Разбиваем на отрезки на которых сила и/или угол константа и суммируем или интегрируем
Центральная сила А=F(r)dr. Разбиваем на отрезки и интегрируем. Зависит от вида F(r) и начального и конечного положения и не зависит от вида траектории.

При перемещении на всех горизонтальных участках работа будет равна нулю из-за перпендикулярности силы и перемещения, и суммарная работа оказывается равной А= mgh.

называется отношение работы dA к промежутку времени dt, за

которое она совершена:

Мощность в СИ измеряется в ваттах (Вт). 1Вт это такая мощность, когда за одну секунду совершается работа в 1Дж. Внесистемная единица «лошадиная сила» (л.с.) измеряет не силу, а именно мощность: 1 л.с. = 736 Вт
Какова мощность китайской электросети?
Если их 1.5 Г человек х одну лампочку 100 Вт на каждого = 150 ГВт но + заводы, и т.д. =600 ГВт. В РФ около 200 ГВт.
Не путать ! Напряжение измеряется в Вольтах (В), а мощность в Ваттах (Вт) (назван в честь Джеймса Ватт 1736 - 1819) Шотландского изобретателя)

потребности около 40 ТВт. В будущем речь должна идет

о сотнях ТВт.
При существующем уровне развития для достижения уровня 40 ТВт (покрытия текущей мировой потребности для обеспечения нормальной жизни всего человечества) необходимо ежедневно строить по одной копии крупнейшей мировой ветряной «фермы» 0.751 ГВт (FL, USA) около 100 лет . Или по одной Саяно-Шушенской ГЭС (имела до аварии наибольшую в РФ установленную мощность 6.4 ГВт) ежедневно в течении 11 лет

поля сил работа, совершаемая силами поля зависит лишь от

начального и конечного положений МТ и не зависит от пути, по которому она двигалась, то такие силы называются консервативными (К-силы) или потенциальными.
Если работа не зависит от пути, то это означает, что работа по замкнутому контуру равна нулю:



К-силы это силы работа которых по любому замкнутому пути равна нулю.
Следовательно есть и неконсервативные силы.

(см. ниже) (для закона сохранения импульса достаточно понятия замкнутой

системы рассмотрим сегодня в конце лекции).
В консервативных системах (К - сис) как правило речь идет о взаимодействии посредством поля (гравитационное и т.д.). В замкнутых системах (см. ниже) имеются ввиду контактные взаимодействия.
Примером К-сис являются солнечная система. Не идеальные К-сис является система с упругими или квазиупругими силами: (при x1=x0) (если сопротивление воздуха и трения нет).

силе F(r) и о том, что можно показать, что

работа в центральном поле сил также не зависит от пути (см. слайды №7-8). Центральное поле - это такое поле, в котором :
1) сила, действующая на частицу в любой точке, проходит через одну точку, называемую центром поля.
2) величина силы зависит только от расстояния до этого центра F(r).

взаимодействия между точечными зарядами, описываемые законом Кулона, и гравитационные

силы, описываемые законом всемирного тяготения. Следовательно, электростатические и гравитационные силы также являются К-силами.
Заключаем:
Силы центрального стационарного поля консервативны

являются сила сопротивления среды (воздуха), силы трения, причем как

сухого трения, так и жидкого. Чем длиннее путь, проходимый по траектории при наличии сил трения, тем больше работа сил трения. Нуль при интегрировании работы не получается потому, что силы трения всегда направлены в сторону, противоположную перемещению (за исключением ведущих и ведомых колес), поэтому элементарная работа на любом перемещении отрицательна. А чтобы был нуль, надо чтобы на разных участках элементарная работа была разного знака (меняла знак)

в системе действуют только К-силы, то можно ввести понятие

потенциальной энергии U.
U взаимодействия частиц системы зависит только от их взаимного расположения, то есть от конфигурации системы. U тела, поднятого на высоту h от поверхности Земли:


Система тело-Земля обладает неким запасом энергии U. Эту энергию и называют потенциальной.
При подъеме набирает энергию (работу совершает кто-то другой) при спуске отдаст mgh.
Такое определение U годно для всех К сил. Количественная характеристика взаимодействия в механике – сила. К-сила F=-gradU . Более общаяя характеристика взаимодействия - U.

x пружины:
В случае пружины потенциальная энергия зависит от взаимного

положения отдельных частей тела. Потенциальную энергию несжатой пружины мы взяли равной нулю. Чтобы пружина приобрела потенциальную энергию, необходимо над ней совершить работу, в точности равную величине приобретенной потенциальной энергии.

самую простую форму движения материи мерой которого и является

кинетическая энергия Т. Т материальной точки называют половину произведения массы точки на квадрат ее скорости :

Кинетическая энергия, является скалярной положительной величиной.
Примеры: цунами (если глубина уменьшилась в 100 раз то скорость возрастет в первом приближении на порядок), внедорожник со V от 60 до 120км/ч , а Т в 4 раза. Кто выигрывает в боксе большой кулак или большая скорость?
Почему именно в таком виде? Напрямую следует из 2-го закона Ньютона

сумма кинетических энергий всех i –х точек, входящих в

систему:

где vi и mi - скорости и массы точек системы. Скорости определяются относительно неподвижной системы отсчета.

Потенциальная энергия может быть отрицательна а кинетическая нет !

отсутствуют и нет обмена веществом (масса постоянна), называется замкнутой

или изолированной (в общем случае нет обмена энергией и веществом). Т.е. действуют только внутренние силы, обусловленные взаимодействием тел, входящих в систему. Не путать замкнутые с консервативные системы. К-сис может не быть замкнутой (движение происходит в потенциальном силовом поле, образованными телами не входящими в К-сис. Пример: колебания маятника в поле тяготения земли).
Замкнутые системы обладают очень важным свойством: при определенных условиях в них сохраняются три физические величины  –  энергия, импульс и момент импульса. Существуют три закона сохранения, которые являются фундаментальными законами природы. Законы сохранения не зависят от природы и характера действующих сил.

МТ называется сумма их кинетической и потенциальной энергий: E=T+U.

В поле сил тяжести полная механическая энергия равна:

Закон сохранения механической энергии гласит: полная механическая энергия замкнутой системы материальных точек, между которыми действуют только консервативные силы, остается постоянной (замкнутая –энергия не поступает в систему; консервативные силы = нет сил трения).
Верен только для К сил. Для того, чтобы было изменение энергии необходимо, чтобы неконсервативные силы совершили отрицательную работу. Но если система не замкнута появляются дополнительные члены описывающие работу внешних К сил. U=mgh- взаимная потенциальная энергия тел

в системе есть и неконсервативные силы, то полная механическая

энергия не сохраняется. При наличии, например, трения полная механическая энергия будет уменьшаться, постепенно переходя во внутреннюю энергию тел, что приводит к их нагреванию.
Закон сохранения энергии обусловлен однородностью времени. Это означает, что замена момента времени t1 моментом времени t2 без изменения значений координат и скоростей тел не изменяет механических свойств системы.

появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в

работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух. При нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.
Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга.