Билет 17. Механическая работа и мощность. Энергия.

Слово «работа» часто встречается в повседневной жизни в довольно разнообразных смыслах. Второй закон Ньютона позволяет определить, как меняется скорость тела по модулю и направлению, если в течение времени действует сила. Действия сил на тела, приводящие к изменению модуля их скоростей, характеризуются величиной, зависящей как от сил, так и от перемещений тел, на которые эти силы действуют. Эту величину называют работой. Для приведения тела в движение и для его остановки на тело должна действовать сила, совершающая работу. Но при движении с постоянной скоростью в отсутствие трения совершать работу не нужно. Согласно закону инерции тело движется с постоянной скоростью без действия на него сил. Не совершается работа и в том случае, когда сила перпендикулярна скорости. В этом случае скорость тела не меняется по модулю, необходимое ускорение телу сообщает сила, перпендикулярная скорости. При движении по окружности модуль этой силы не меняется. Работы силы равна произведению модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними. Работа может быть положительной и отрицательной. Если α < 90 ̊, то работа положительна, т.к. косинус острых углов положителен. При α > 90 ̊работа отрицательна, т.к. косинус тупых углов отрицателен. При α = 90 ̊ работа не совершается. Так, сила тяжести не совершает работу при перемещении тела вдоль горизонтальной плоскости. Если тело, к которому приложена сила, не перемещается в пространстве относительно данной системы отсчета, то работа силы равна нулю. Единицы работы можно установить с помощью основной формулы, определяющей работу. Если при перемещении тела на единицу лдины на него действует сила, модуль которой равен единице, а направление совпадает с направлением перемещения, то и работа равна единице.

Очень часто важно знать не только работу, но и время, в течение которого она произведена. Поэтому надо ввести еще одну величину – мощность. Работа может быть совершена как за большой промежуток времени, так и за очень малый. Временем, в течение которого совершается работа, определяют производительность любого двигателя. Мощность – величина, характеризующая быстроту, с которой она производится. Мощность – отношение работы к интервалу времени, за который эта работа совершена. Мощность равна произведению модуля вектора силы на модуль вектора скорости и на косинус угла между направлениями этих векторов или скалярному произведению силы на скорость. Если интервал времени стремится к нулю, то выражение представляет собой мгновенную мощность, определяемую через мгновенную скорость. Мощность можно повысить как за счет увеличения действующих сил, так и за счет увеличения скорости движения. В СИ мощность выражается в ватах. Мощность равна 1 Вт, если работа 1 Дж совершается за 1 с.

Если система тел может совершить работу, то говорят, что она обладает энергией. Для совершения работы необходимо, чтобы на движущиеся тела все время действовала та или иная сила. Рассмотрим простые системы движущихся тел, взаимодействующих друг с другом посредством сил тяготения и способных в той или иной мере деформироваться. Совершение работы не проходит для системы тел бесследно. Если тело или система тел могут совершать работу, то говорят, что они обладают энергией. Совершая механическую работу, тело или система тел переходят из одного состояния в другое, в котором их энергия минимальна. При совершении работы энергия постепенно расходуется. Для того чтобы система опять приобрела способность совершать работу, надо изменить ее состояние: увеличить скорости тел, поднять тела вверх или деформировать. Для этого внешние силы должны совершить над системой положительную работу. Энергия в механике – величина, определяемая состоянием системы – положением тел и их скоростями; изменение энергии при переходе системы из одного состояния в другое равно работе внешних сил.