Энергия, работа, мощность

Энергия — универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. С раз­личными формами движения материи связывают различные формы энергии: механи­ческую, тепловую, электромагнитную, ядерную и др. В одних явлениях форма движе­ния материи не изменяется (например, горячее тело нагревает холодное), в дру­гих — переходит в иную форму (например, в результате трения механическое движение превращается в тепловое). Однако существенно, что во всех случаях энергия, отданная (в той или иной форме) одним телом другому телу, равна энергии, полученной последним телом.

Изменение механического движения тела вызывается силами, действующими на него со стороны других тел. Чтобы количественно характеризовать процесс обмеиа энергией между взаимодействующими телами, в механике вводится понятие работы силы.

Если тело движется прямолинейно и на него действует постоянная сила F, которая составляет некоторый угол с направлением перемещения, то работа этой силы равна произведению проекции силы F_s, на направление перемещения умноженной

на перемещение точки приложения силы:

(11.1)

В общем случае сила может изменяться как по модулю, так и по направлению, поэтому формулой (11.1) пользоваться нельзя. Если, однако, рассмотреть элементар­ное перемещение то силу F можно считать постоянной, а движение точки ее приложения — прямолинейным. Элементарном работой силы F на перемещении называется скалярная величина

где — угол между векторами — элементарный путь; F_s — проекция

вектора F на вектор dr (рис. 13).

Работа силы на участке траектории от точки / до точки 2 равна алгебраической сумме элементарных работ на отдельных бесконечно малых участках пути. Эта сумма приводится к интегралу

(11.2)

Для вычисления этого интеграла надо знать зависимость силы F_s от пути s вдоль траектории /— 2. Пусть эта зависимость представлена графически (рис. 14), тогда

искомая работа А определяется на графике площадью заштрихованной фигуры. Если, например, тело движется прямолинейно, сила то получим

где s— пройденный телом путь (см. также формулу (11.1)).

Из формулы (11.1) следует, что при работа силы положительна, в этом

случае составляющая Fs совпадает по направлению с вектором скорости движе­ния v (см. рис. 13). Если то работа силы отрицательна. При (сила направлена перпендикулярно перемещению) работа силы равна нулю.

Единида работы — джоуль (Дж): 1 Дж — работа, совершаемая силой 1 Н на пути 1 м(1 Дж=1 Н м).

Чтобы охарактеризовать скорость совершения работы, вводят понятие мощности:

(11.3)

За время dt сила F совершает работу Fdr, и мощность, развиваемая этой силой, в данный момент времени

т. с. равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется точка приложения этой силы; N — величина скалярная.

Единица мощности — ватт (Вт): 1 Вт — мощность, при которой за время 1 с совершается работа 1 Дж (1 Вт= 1 Дж/с).