Պահպանողական ուժ և ոչ պահպանողական ուժ
1. Պահպանողական ուժ
1.1 Քաշ (քաշ)
Դիտարկեք մի մարմին, որը ուղղահայաց վերև է շարժվում մինչև առավելագույն բարձրության հասնելը, նախքան իր սկզբնական դիրքին իջնելը։ Երբ ուղղահայաց վերև է շարժվում h-ով, քաշը հակառակ ուղղությամբ է տեղաշարժին։ Այսպիսով, քաշը մարմնի վրա կատարում է բացասական աշխատանք։
W = wh (cos 180 o ) = – wh = – մգհ
Առավելագույն բարձրության հասնելուց հետո մարմինը h-ով շարժվում է ներքև՝ դեպի իր սկզբնական դիրքը։ Ներքև շարժվելիս քաշը գտնվում է տեղաշարժի հետ նույն ուղղությամբ։ Քանի որ այն գտնվում է տեղաշարժի հետ նույն ուղղությամբ, քաշը կատարում է դրական աշխատանք։
W = wh (cos 0 o ) = wh = mgh
Մարմնի զանգվածը (մ), գրավիտացիոն արագացումը (գ) և բարձրությունը (ժ) նույնն են, ուստի քաշը կատարում է աշխատանք, քանի որ մարմինը սկսում է ուղղահայաց վերև շարժվել մինչև իր սկզբնական զրոյական դիրքին վերադառնալը։
W = մգհ – մգհ = 0
1.2 Զսպանակի ուժ
Դիտարկեք հորիզոնական դիրքում տեղադրված զսպանակ։ Եթե զսպանակի աջ ծայրը մղվում կամ սեղմվում է դեպի ձախ, զսպանակը հրող ուժ է գործադրում դեպի աջ։ Դուք կարող եք ապացուցել սա՝ զսպանակը սեղմելով։ Օրինակ, առարկան դրեք աջ ծայրին, ապա առարկան սեղմեք դեպի ձախ։ Երբ զսպանակը շեղվի Δx-ով, հեռացրեք ձեր ձեռքը առարկայից և զսպանակից։ Երբ ձեռքը այլևս չի շփվում զսպանակի հետ, զսպանակը առարկան կշարժի դեպի աջ։
Երբ մարմինը շարժվում է դեպի ձախ, նրա շարժման և տեղաշարժի ուղղությունները հակառակ են զսպանակի ուժի ուղղությանը։ Քանի որ ուղղությունները հակառակ են միմյանց, զսպանակի ուժը կատարում է բացասական աշխատանք։
W = – ½ կ (Δx) 2
Երբ մարմինը շարժվում է դեպի աջ, նրա շարժման և տեղաշարժի ուղղությունը նույնն է, ինչ զսպանակի ուժը։ Քանի որ ուղղությունները նույնն են, զսպանակի ուժը կատարում է դրական աշխատանք։
W = ½ կ (Δx) 2
Օգտագործված զսպանակը նույնն է, հետևաբար զսպանակի հաստատունը (k) նույնն է։ Զսպանակի շեղումը (Δx) նույնպես նույնն է։
Այսպիսով, կշռի աշխատանքը կատարվում է, երբ մարմինը սկսում է շարժվել դեպի ձախ Δx-ով, ապա վերադառնում է աջ Δx-ով, երբ այն զրո է։
W = ½ k (Δx) 2 – ½ k (Δx) 2 = 0
Աշխատանքը կատարվում է քաշի և զսպանակի ուժի կողմից, քանի որ մարմինը սկսում է շարժվել իր սկզբնական դիրքից մինչև այնտեղ վերադառնալը, հավասար է զրոյի: Եթե աշխատանքը կատարվել է ուժի կողմից, քանի որ մարմինը շարժվում է իր սկզբնական դիրքից մինչև այնտեղ վերադառնալը, հավասար է զրոյի, ապա այդ ուժը կոչվում է պահպանողական ուժ: Հետևաբար, զսպանակի ուժը և քաշը պահպանողական ուժերի օրինակներ են:
2. Ոչ պահպանողական ուժ
Դիտարկեք մի մարմին, որը մղվում է աջ, ապա հետ մղվում ձախ։ Երբ մարմինը շարժվում կամ տեղաշարժվում է աջ, մարմնի տեղաշարժի ուղղությունը նույնն է, ինչ հրող ուժի ուղղությունը (F) և հակառակը՝ կինետիկ շփման ուժի ուղղությանը (fk ) : Քանի որ այն գտնվում է տեղաշարժի ուղղության մեջ, հրող ուժը մարմնի վրա կատարում է դրական աշխատանք։
W = F s
Ընդհակառակը, կինետիկ շփման ուժը մարմնի վրա կատարում է բացասական աշխատանք։
W = – f k s
Մարմնի վրա ազդող հրող ուժի և շփման ուժի կատարած աշխատանքը, երբ մարմինը սկսում է շարժվել իր սկզբնական դիրքից մինչև վերադառնալը, կազմում է հետևյալը.
W = 2 F վ
W = -2 f k s
Հրշեջ ուժի և կինետիկ շփման ուժի կատարած աշխատանքը, քանի որ մարմինը սկսում է շարժվել իր սկզբնական դիրքից մինչև այնտեղ վերադառնալը, հավասար չէ զրոյի: Եթե ուժի կատարած աշխատանքը, որը սկսվում է մարմնի շարժվել իր սկզբնական դիրքից մինչև այնտեղ վերադառնալը, հավասար չէ զրոյի, ապա այդ ուժը կոչվում է ոչ պահպանողական ուժ: Հետևաբար, հրշեջ ուժը և կինետիկ շփման ուժը ոչ պահպանողական ուժերի օրինակներ են:
1. Ի՞նչ է պահպանողական ուժը։ Պահպանողական ուժը այն ուժն է, որի դեպքում մարմինը երկու կետերի միջև տեղափոխելիս կատարվող աշխատանքը անկախ է անցած հետագծից։ Գրավիտացիոն և էլեկտրաստատիկ ուժերը պահպանողական ուժերի օրինակներ են։
2. Ինչպե՞ս է պահպանողական ուժի կատարած աշխատանքը կապված պոտենցիալ էներգիայի հետ։ Պահպանողական ուժի կողմից A կետից B կետ շարժվող մարմնի վրա կատարած աշխատանքը հավասար է այդ երկու կետերի միջև պոտենցիալ էներգիայի բացասական փոփոխությանը (∆U): որ եթե մարմինը ստանում է պոտենցիալ էներգիա, պահպանողական ուժի կատարած աշխատանքը բացասական է, և հակառակը։
3. Ի՞նչ է ոչ պահպանողական ուժը։ Ոչ պահպանողական ուժը այն ուժն է, որի դեպքում մարմինը երկու կետերի միջև տեղափոխելիս կատարվող աշխատանքը կախված է անցած հետագծից։ Շփումը և օդի դիմադրությունը ոչ պահպանողական ուժերի բնորոշ օրինակներ են։
4. Ինչպե՞ս է ոչ պահպանողական ուժը ազդում համակարգի մեխանիկական էներգիայի վրա: Ոչ պահպանողական ուժը կարող է փոխել համակարգի ընդհանուր մեխանիկական էներգիան (կինետիկ և պոտենցիալ էներգիաների գումարը): Դա պայմանավորված է նրանով, որ ոչ պահպանողական ուժի կատարած աշխատանքը չի պահպանվում որպես պոտենցիալ էներգիա, այլ սովորաբար փոխակերպվում է էներգիայի այլ ձևերի, օրինակ՝ ջերմության:
5. Ինչպե՞ս կարելի է որոշել, թե ուժը պահպանողական է, թե ոչ՝ օգտագործելով փակ ցիկլի հետագիծը։ Պահպանողական ուժի դեպքում մարմնի վրա կատարված զուտ աշխատանքը, երբ այն անցնում է լրիվ փակ ցիկլի հետագիծ, զրո է։ Եթե փակ ցիկլի վրա կատարված զուտ աշխատանքը զրո չէ, ապա ուժը ոչ պահպանողական է։
6. Ի՞նչ դեր է խաղում ուժային դաշտի կորը ուժի պահպանողական լինելը որոշելու գործում: Եթե ուժային դաշտի կորը տարածության մեջ ամենուրեք զրո է, ապա ուժը պահպանողական է: Եթե կորը զրո չէ, ապա ուժը ոչ պահպանողական է:
7. Ինչպե՞ս է գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան կապված պահպանողական ուժերի հետ: Գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան առաջանում է գրավիտացիոն ուժի պահպանողական բնույթի պատճառով: Գրավիտացիոն դաշտում բարձրության աճը հանգեցնում է գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիայի աճի, մինչդեռ գրավիտացիոն ուժի կատարած աշխատանքը բացասական է, ինչը ենթադրում է պոտենցիալ էներգիայի նվազում, երբ մարմինը մոտենում է Երկրին:
8. Ինչո՞ւ շփումը չունի ուղեկցող պոտենցիալ էներգիա՝ ինչպես մյուս պահպանողական ուժերը։ Շփումը ոչ պահպանողական ուժ է, հետևաբար, շփման կատարած աշխատանքը չի պահվում որպես պոտենցիալ էներգիա։ Փոխարենը, այն հաճախ փոխակերպվում է այլ ձևերի, օրինակ՝ ջերմության, և չի կարող ամբողջությամբ վերականգնվել որպես մեխանիկական էներգիա։
9. Այն դեպքում, երբ մարմինը սահում է թեք հարթությամբ, ի՞նչ դեր են խաղում պահպանողական և ոչ պահպանողական ուժերը: Երբ մարմինը սահում է թեք հարթությամբ, գրավիտացիոն ուժը՝ պահպանողական ուժը, ազդում է մարմնի վրա՝ դրա պոտենցիալ էներգիան վերածելով կինետիկ էներգիայի: Եթե մարմնի և թեք հարթության միջև կա շփում (ոչ պահպանողական ուժ), այն կհակադրվի շարժմանը և կնվազեցնի մարմնի կինետիկ էներգիան՝ դրա մի մասը վերածելով ջերմության:
10. Կարո՞ղ է համակարգի լրիվ էներգիան պահպանվել նույնիսկ եթե գործում են ոչ պահպանողական ուժեր: Այո, համակարգի լրիվ էներգիան (ներառյալ էներգիայի բոլոր ձևերը, ինչպիսիք են մեխանիկական, ջերմային և այլն) մնում է պահպանված էներգիայի պահպանման օրենքի համաձայն: Այնուամենայնիվ, երբ գործում են ոչ պահպանողական ուժեր, մեխանիկական էներգիան (կինետիկ և պոտենցիալ էներգիաների գումարը) կարող է չպահպանվել, քանի որ դրա մի մասը վերածվում է էներգիայի այլ ձևերի, ինչպիսիք են ջերմությունը կամ ձայնը:
