Co jsou konzervativní síly? Potenciální konzervativní síly

V mechanice se používají takové síly, jejichž práce v případě těla pohybujícího se po uzavřeném obrysu je nulová. Jsou nazývány potenciálními nebo konzervativními silami.

Vlastnosti

Existují dvě základní vlastnosti těchto sil:

• Při pohybu z jedné pozice do druhé není práce takové síly spojena s trajektorií pohybu. Je spojena pouze s konečnou a počáteční pozicí existujícího těla.
• V případě změny směru přechodu změní práce takových sil značku, zachování její hodnoty.

Vzhledem k zákonu Hooke a zákon svobody Lze potvrdit, že jak elastická síla, tak síla gravitace jsou potenciální (konzervativní) síly.

Zvláštní funkce

Potenciál sil je dán skutečností, že v případě uzavřené trajektorie se při pozitivní práci na jednom fragmentu provádí negativní práce na druhém segmentu, čímž se zvyšuje až na nulu.

Příklady nekonzervativních sil

Konzervativní síly nejsou všechny síly, které existují v přírodě. Například síla tření není tak, je namířena ve všech situacích proti pohybu těla, a to tak, že jeho práce je záporná hodnota. Je možné vypočítat práci konzervativní síly snížením potenciální hodnoty.

En je potenciální energie těla, což je skalární množství. To se rovná práci vykonané konzervativními silami, pohybující se od počáteční polohy těla po požadovanou referenční úroveň.

Vzhledem k této definici můžeme napsat vzorec rozdílu mezi prací a energií těla. V důsledku toho lze říci, že práce takové síly se bude rovnat redukci potenciální energie.

Potenciální gravitační energie

Pokud potřebujete určit potenciální energie Pro tělo, které je v určité výšce nad povrchem Země, může být jakákoliv horizontální úroveň považována za počáteční referenční úroveň. Vědom si, jaké jsou konzervativní síly, potenciální energie je počítána jako práce vykonávaná silou síly v okamžiku přechodu těla z výšky na počátek referenčního En = m · g · h.

Potenciální energie pružného těla

Existuje ještě jedna varianta potenciální energie, která je propojena s pružnou interakcí molekul s malými deformacemi pevných látek. Přijmeme-li jako příklad stlačenou pružinu, která se vrátí do původního stavu pomocí ruky, na své straně působí elastická síla, která dělá práci.

Ve výchozím okamžiku převezmeme nedeformovaný (počáteční) stav pružiny, pak použijeme konzervativní síly k výpočtu práce elastické síly. Podle Hookeova zákona síla elasticity, která působí na rameno, bude úměrná deformaci směřující k jejímu snížení. Jakmile se pružina narovná, přesune se na malý segment dx.

V tomto případě jde o práci. Lze jej vypočítat za použití integrálního zákona Hooke. Při analýze konzervativních sil na tomto příkladu můžeme usoudit, že potenciální energie je nahromaděna pro účely následného použití.

Také v případě kinetické energie částice (těla) používají univerzální výraz, pak při výpočtu potenciálu musí být vzaty v úvahu všechny síly působící na tělo. Vždy je propojena silou, která působí z jedné strany těla na jiné tělo. Například síla gravitace Země ovlivňuje předmět, který spadá z určité výšky, stlačená pružina působí na kouli a železa ovlivňuje šíp.

Potenciální energie není vlastní tělo samo o sobě, znamená to interakce těl, stejně jako působení jednotlivých fragmentů jednoho těla na sebe. Zvažte situaci, kdy při pohybu těla pracuje pouze konzervativní síly. Příklady takových případů: pád z výšky, pružné napětí.

Součet potenciální a kinetické energie v zvažované situaci bude konstantní hodnotou, která se v mechanice nazývá celková mechanická energie pohyblivého (odpočinkového) těla.

Zákon o ochraně energie

Pokud jsou v systému přítomny pouze konzervativní síly, je to plné mechanická energie všechny síly, které fungují v tomto systému. Z toho můžeme konstatovat, že hodnoty energie z celkových mechanických energií jsou vždy stejné. To je: E2 = E1.

Zákon o zachování mechanické energie je spíše omezen. On neříká, že je (v každém případě) zachování mechanické energie, ale pouze naznačuje podmínku, za níž je to možné, totiž když je práce prováděna konzervativními silami.

V takové situaci nastává konstantní přechod potenciální energie na kinetické množství, pak obrácený proces. Pokud dotyčné tělo nekoná konzervativními silami, které provádějí práci, nedochází k zachování celkové mechanické energie.

Možnosti pro síly

Předpokládejme, že z určité výšky tělo klesne z nulové počáteční rychlosti, předpokládá se síla odporu vzduchu nula. V tomto případě bude tělo působit pouze gravitace, což je konzervativní síla. V takovém příkladu je plně dodržován zákon o zachování energie.

Na samém začátku pohybu má tělo pouze potenciální energii, kterou lze určit podle vzorce: El = mgh. Jak padá tělo, dochází k poklesu hodnoty potenciální energie, ke zvýšení kinetické hodnoty. Při nulové výšce získává tělo maximální rychlost pohybu a v ní převládá přesně kinetická energie. Pokud přidáme hodnoty k zákonu o zachování celkové mechanické energie, získáme konstantní hodnotu. V mezilehlých oblastech má tělo dva druhy vnitřní energie ale jejich celkové skóre zůstává nezměněno.

V přírodních vědách se těla považují za vzájemně působící prostřednictvím polí. Pod pole naznačuje oblast prostoru, kde v každém bodě existuje síla rovnoměrně rozložená mezi jednotlivé body. Jako typický příklad takové síly je možné zcela zvážit klasickou gravitační sílu.