Потенциальная энергия. Примеры формул.

Потенциальная энергия – механическая энергия системы тел, определяемая взаимным расположением и характером сил взаимодействия между ними.

 

где — масса тела, — ускорение свободного падения, — высота положения центра масс тела над произвольно выбранным нулевым уровнем.

Работа, совершаемая силой тяжести при перемещении тела массой m вертикально вниз с высоты h ₁ над поверхностью Земли до высоты h₂. Если разность h₁ – h₂ пренебрежимо мала по сравнению с расстоянием до центра Земли, то силу тяготения во время движения тела можно считать постоянной и равной .

Поскольку перемещение по направлению совпадает с вектором силы тяжести, то работа силы тяжести равна: A = Fs = mg (h₁ – h₂).

Теперь рассмотрим движение тела по наклонной плоскости. При перемещении тела вниз по наклонной плоскости сила тяжести совершает А = mgh.

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

Равенство A = mg (h₁ – h₂) можно записать в виде A = – (mgh₂ – mg h₁).

Т. е. работа силы тяжести при перемещении тела массой m из точки h₁ в точку h₂ по любой траектории равна изменению некоторой физической величины mgh с противоположным знаком.

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 x₁ до конечного x₂.

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 (x₁ – x₂).

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:

 

Полная механическая энергия системы - энергия механического движения и взаимодействия: E_{полн =} Е_к + Е_п

_{4) Связь потенциальной энергии с силой взаимодействия}

Каждой точке потенциального поля соответствует, с одной стороны, некоторое значение вектора силы , действующей на тело, и, с другой стороны, некоторое значение потенциальной энергии . Следовательно, между силой и потенциальной энергией должна существовать определенная связь.

Для установления этой связи вычислим элементарную работу , совершаемую силами поля при малом перемещении тела, происходящем вдоль произвольно выбранного направления в пространстве, которое обозначим буквой . Эта работа равна

где - проекция силы на направление .

Поскольку в данном случае работа совершается за счет запаса потенциальной энергии , она равна убыли потенциальной энергии на отрезке оси :

Из двух последних выражений получаем

Откуда

Последнее выражение дает среднее значение на отрезке .

Вопрос 1.10

1) Кинетическая энергия тела и связь ее с работой силы

Кинетическая энергия - энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек в выбранной системе отсчёта. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Простым языком, кинетическая энергия - это энергия, которую тело имеет только при движении. Когда тело не движется, кинетическая энергия равна нулю.