Энергия как универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Работа и кинетическая энергия

В качестве единой количественной меры различных форм движения (механического, теплового, электромагнитного и др.) и соответствующих им взаимодействий в физике вводится скалярная величина - энергия. Движе­ние есть неотъемлемое свойство природы, поэтому любое тело, система тел или поля обладают энергией. Энергия системы количественно характеризует эту систему в отношении возможных в ней превращений движения из одной его формы в другую. Эти превращения происходят из-за взаимодействия между частями системы, а также между системой и внешними телами (внешней средой). Различным формам движения соответствуют различные формы энергии: механическая, внутренняя, электромагнитная, ядерная и др. Современная наука насчитывает 15 форм энергии.

В этой теме мы остановимся подробнее на механической энергии как мере механического движения и взаимодействия.

Изменение механического состояния тела, а следовательно его механической энергии, происходит при механическом действии на него со стороны других тел. Мерой такого действия служит сила. Поэтому изменение механической энергии тела происходит под действием на него сил. Для количественного описания такого процесса изменения механической энергии введём понятие работы силы.

Элементарной работой силы на малом перемещении т. М называется скалярное произведение векторов и :

где - путь т. М за малое время - угол между векторами и - проекция силы на направление вектора . В декартовых координатах элементарная работа будет:

Работа , совершаемая силой на конечном пути от до перемещения точки приложения силы определится суммой элементарных работ на всех элементарных участках перемещения (рис. 1):

.

В системе СИ размерность .

Для характеристики работы силы в единицу времени введём понятие мощности. Мощностью силы назы­вается отношение элементарной работы , совершаемой силой за малое время к этому времени: Т. е. Мощность силы равна скалярному произведению векторов силы и скорости точки приложения силы. В системе СИ размерность .

Как работа, так и мощность зависят от выбора системы отсчета, т. к. определяются скоростью , а скорость будет разной в неподвижной и подвижной системах отсчета.

В механике различают два вида механической энергии: кинетическую (энергия движения) и потенциальную (энергия положения). Поговорим о первой из них.

Итак, кинетической энергией механической системы называется энергия механического движения этой системы. Её изменение происходит под действием силы и должно равняться работе этой силы, т. е.

В системе СИ размерность . Т. к. то . Для нахождения самой кинетической энергии проинтегрируем последнее выражение, полагая, что при :

или,

т. к. то .

Кинетическая энергия механической системы, будучи скалярной величиной, равна обычной сумме кинетиче­ских энергий её отдельных частей.

Поиск по сайту: