Konservatiivne jõud ja mittekonservatiivne jõud
1. Konservatiivne jõud
1.1 Kaal (w)
Vaatlege eset, mis liigub vertikaalselt ülespoole, kuni saavutab maksimaalse kõrguse, enne kui liigub allapoole oma algasendisse. Kui see liigub vertikaalselt ülespoole h võrra, on raskus nihkesuunas vastupidises suunas. Seega teeb raskus objektiga negatiivset tööd.
W = wh (cos 180 ° ) = – wh = – mgh
Pärast maksimaalse kõrguse saavutamist liigub objekt h võrra allapoole oma algasendisse. Allapoole liikudes on raskus nihkega samas suunas. Kuna see on nihkega samas suunas, teeb raskus positiivset tööd.
W = wh (cos 0 ° ) = wh = mgh
Objekti mass (m), gravitatsioonikiirendus (g) ja kõrgus (h) on samad, seega teeb töö raskus, kuna objekt hakkab vertikaalselt ülespoole liikuma, kuni see naaseb algasendisse null.
W = mg/h – mg/h = 0
1.2 Vedrujõud
Vaatle horisontaalasendis vedru. Kui vedru paremat otsa vasakule suruda või kokku suruda, avaldab vedru paremale tõukejõudu. Seda saab tõestada vedru kokkusurumisega. Näiteks aseta ese vedru paremale otsale ja suru seda vasakule. Kui vedru on Δx võrra kõrvale kaldunud, eemalda käsi esemelt ja vedrult. Kui käsi ei ole enam vedruga kontaktis, lükkab vedru eseme tagasi paremale.
Kui objekt liigub vasakule, on selle liikumise ja nihke suund vedru jõu suunaga vastupidine. Kuna suunad on üksteisele vastupidised, teeb vedru jõud negatiivset tööd.
W = – ½ k(Δx) ²
Kui objekt liigub paremale, on selle liikumise ja nihke suund sama mis vedrujõud. Kuna suunad on samad, teeb vedrujõud positiivset tööd.
W = ½ k(Δx) ²
Kasutatav vedru on sama, seega on vedru konstant (k) sama. Ka vedru hälve (Δx) on sama.
Seega tehakse töö raskuse järgi, kui objekt hakkab liikuma vasakule Δx võrra ja seejärel liigub tagasi paremale Δx võrdumisel nulliga.
W = ½ k (Δx) 2 – ½ k (Δx) 2 = 0
Tööd teeb kaal ja vedrujõud, kuna objekt hakkab liikuma oma algasendist kuni sinna naasmiseni ja on võrdne nulliga. Kui tööd teeb jõud, kuna objekt liigub oma algasendist kuni sinna naasmiseni ja on võrdne nulliga, nimetatakse jõudu konservatiivseks jõuks. Sellisena on vedrujõud ja kaal konservatiivsete jõudude näited.
2. Mittekonservatiivne jõud
Vaatlege objekti, mida lükatakse paremale ja seejärel tagasi vasakule. Kui objekt liigub ehk nihkub paremale, on objekti nihke suund sama mis tõukejõu suund (F) ja vastupidine kineetilise hõõrdejõu suunale (fk ) . Kuna see on nihkega samas suunas, teeb tõukejõud objektiga positiivset tööd.
W = F s
Vastupidi, kineetiline hõõrdejõud teeb objektil negatiivset tööd.
W = – fk / s
Töö tegid objektile mõjuv tõukejõud ja hõõrdejõud, kui objekt hakkab liikuma oma algasendist kuni naasmiseni sinna:
W = 2 Fs
W = -2 fk s
Töö, mida teevad tõukejõud ja kineetiline hõõrdejõud alates objekti liikumisest algasendist kuni sinna naasmiseni, ei ole võrdne nulliga. Kui jõu tehtud töö alates objekti liikumisest algasendist kuni sinna naasmiseni ei ole võrdne nulliga, nimetatakse jõudu mittekonservatiivseks jõuks. Sellisena on tõukejõud ja kineetiline hõõrdejõud mittekonservatiivsete jõudude näited.
1. Mis on konservatiivne jõud? Konservatiivne jõud on selline, mille puhul objekti kahe punkti vahel liigutamiseks tehtav töö ei sõltu läbitud teekonnast. Gravitatsiooni- ja elektrostaatilised jõud on konservatiivsete jõudude näited.
2. Kuidas on konservatiivse jõu töö seotud potentsiaalse energiaga? Konservatiivse jõu töö, mis liigub punktist A punkti B, on võrdne potentsiaalse energia negatiivse muutusega (∆U) nende kahe punkti vahel: See tähendab, et kui objekt saab juurde potentsiaalset energiat, on konservatiivse jõu töö negatiivne ja vastupidi.
3. Mis on mittekonservatiivne jõud? Mittekonservatiivne jõud on selline, mille puhul objekti kahe punkti vahel liigutamiseks tehtav töö sõltub läbitud trajektoorist. Hõõrdumine ja õhutakistus on mittekonservatiivsete jõudude tüüpilised näited.
4. Kuidas mõjutab mittekonservatiivne jõud süsteemi mehaanilist energiat? Mittekonservatiivne jõud võib muuta süsteemi kogu mehaanilist energiat (kineetilise ja potentsiaalse energia summat). See on nii, sest mittekonservatiivse jõu tehtud töö ei salvestu potentsiaalse energiana, vaid muundub tavaliselt teisteks energiavormideks, näiteks soojuseks.
5. Kuidas saab suletud ahela trajektoori abil kindlaks teha, kas jõud on konservatiivne või mittekonservatiivne? Konservatiivse jõu korral on objekti poolt pärast täieliku suletud ahela trajektoori läbimist tehtud netotöö null. Kui suletud ahelas tehtud netotöö ei ole null, on jõud mittekonservatiivne.
6. Milline roll on jõuvälja kõverusel jõu konservatiivse olemuse määramisel? Kui jõuvälja kõverus on kõikjal ruumis null, on jõud konservatiivne. Kui kõverus ei ole null, on jõud mittekonservatiivne.
7. Kuidas on gravitatsiooniline potentsiaalne energia seotud konservatiivsete jõududega? Gravitatsiooniline potentsiaalne energia tekib gravitatsioonijõu konservatiivse olemuse tõttu. Kõrguse suurenemine gravitatsiooniväljas viib gravitatsioonilise potentsiaalse energia suurenemiseni, samas kui gravitatsioonijõu tehtud töö on negatiivne, mis viitab potentsiaalse energia vähenemisele, kui objekt liigub Maale lähemale.
8. Miks ei ole hõõrdumisel potentsiaalset energiat nagu teistel konservatiivsetel jõududel? Hõõrdumine on mittekonservatiivne jõud; seetõttu ei salvestu hõõrdumise tehtud töö potentsiaalse energiana. Selle asemel muundatakse see sageli teisteks vormideks, näiteks soojuseks, ja seda ei saa täielikult mehaanilise energiana tagasi.
9. Kuidas mängivad rolli konservatiivsed ja mittekonservatiivsed jõud olukorras, kus objekt libiseb mööda kaldpinda? Kui objekt libiseb mööda kaldpinda, mõjub objektile gravitatsioonijõud ehk konservatiivne jõud, mis muudab selle potentsiaalse energia kineetiliseks energiaks. Kui objekti ja kaldpinna vahel on hõõrdumine (mittekonservatiivne jõud), siis see takistab liikumist ja vähendab objekti kineetilist energiat, muutes osa sellest soojuseks.
10. Kas süsteemi koguenergia saab säilida isegi mittekonservatiivsete jõudude mõjul? Jah, süsteemi koguenergia (kaasa arvatud kõik energiavormid, näiteks mehaaniline, termiline jne) jääb energia jäävuse seaduse kohaselt säilima. Mittekonservatiivsete jõudude mõjul ei pruugi mehaaniline energia (kineetilise ja potentsiaalse energia summa) säilida, kuna osa sellest muundub teisteks energiavormideks, näiteks soojuseks või heliks.
