Konservatyvioji jėga ir nekonservatyvioji jėga
1. Konservatyvioji jėga
1.1 Svoris (w)
Stebėkite objektą, kuris juda vertikaliai aukštyn, kol pasiekia maksimalų aukštį, o tada juda žemyn link pradinės padėties. Kai objektas juda vertikaliai aukštyn h atstumu, svoris juda priešinga kryptimi nei poslinkis. Taigi, svoris atlieka neigiamą darbą su objektu.
W = wh (cos 180 ) = – wh = – mgh
Pasiekęs maksimalų aukštį, objektas h atstumu juda žemyn link pradinės padėties. Judant žemyn, svoris juda ta pačia kryptimi kaip ir poslinkis. Kadangi jis juda ta pačia kryptimi kaip ir poslinkis, svoris atlieka teigiamą darbą.
W = wh (cos 0 0 ) = wh = mgh
Objekto masė (m), gravitacinis pagreitis (g) ir aukštis (h) yra vienodi, todėl darbą atlieka svoris, nes objektas pradeda judėti vertikaliai aukštyn, kol grįžta į pradinę padėtį, lygią nuliui.
W = mg/h – mg/h = 0
1.2 Spyruoklės jėga
Stebėkite horizontalioje padėtyje esančią spyruoklę. Jei dešinysis spyruoklės galas stumiamas arba suspaudžiamas į kairę, spyruoklė veikia dešine kryptimi. Tai galite įrodyti suspausdami spyruoklę. Pavyzdžiui, padėkite daiktą ant dešiniojo galo, tada paspauskite jį į kairę. Kai spyruoklė nukryps Δx, atitraukite ranką nuo objekto ir spyruoklės. Kai ranka nebelies spyruoklės, spyruoklė stums daiktą atgal į dešinę.
Kai objektas juda į kairę, jo judėjimo ir poslinkio kryptis yra priešinga spyruoklės jėgos krypčiai. Kadangi kryptys yra priešingos viena kitai, spyruoklės jėga atlieka neigiamą darbą.
W = – ½ k (Δx) ²
Kai objektas juda į dešinę, jo judėjimo ir poslinkio kryptis sutampa su spyruoklės jėgos kryptimi. Kadangi kryptys yra tos pačios, spyruoklės jėga atlieka teigiamą darbą.
W = ½ k(Δx) ²
Naudojama spyruoklė yra ta pati, todėl spyruoklės konstanta (k) yra ta pati. Spyruoklės nuokrypis (Δx) taip pat yra toks pat.
Taigi, darbas pagal svorį atliekamas, kai objektas pradeda judėti į kairę Δx, o tada grįžta į dešinę, kai Δx lygus nuliui.
W = ½ k (Δx) 2 – ½ k (Δx) 2 = 0
Darbą atlieka svoris ir spyruoklės jėga, nes objektas pradeda judėti iš pradinės padėties, kol grįžta ten, kuri lygi nuliui. Jei darbą atliko jėga, nes objektas juda iš pradinės padėties, kol grįžta ten, kuri lygi nuliui, jėga vadinama konservatyviąja jėga. Todėl spyruoklės jėga ir svoris yra konservatyviųjų jėgų pavyzdžiai.
2. Nekonservatyvi jėga
Stebėkite objektą, kuris stumiamas į dešinę, o po to stumiamas atgal į kairę. Kai objektas juda arba pasislenka į dešinę, objekto poslinkio kryptis sutampa su stūmos jėgos (F) kryptimi ir yra priešinga kinetinės trinties jėgos (fk) krypčiai . Kadangi ji yra ta pačia kryptimi kaip ir poslinkis, stūmos jėga atlieka teigiamą darbą su objektu.
W = F s
Priešingai, kinetinė trinties jėga atlieka neigiamą darbą objektui.
W = – fk / s
Darbas buvo atliktas objekto traukos ir trinties jėgomis, kai objektas pradėjo judėti iš pradinės padėties, kol grįžo į pradinę padėtį:
W = 2 F s
W = -2 fk s
Stūmos jėga ir kinetinė trinties jėga atlieka darbą, kai objektas pradeda judėti iš pradinės padėties, kol ten grįžta, ir šis darbas nėra lygus nuliui. Jei jėgos atliktas darbas nuo objekto judėjimo iš pradinės padėties iki grįžimo nėra lygus nuliui, jėga vadinama nekonservatyvia jėga. Todėl stūmos jėga ir kinetinė trinties jėga yra nekonservatyvių jėgų pavyzdžiai.
1. Kas yra konservatyvioji jėga? Konservatyvioji jėga yra tokia, kurios darbas, atliekamas judinant objektą tarp dviejų taškų, nepriklauso nuo nueito kelio. Gravitacinė ir elektrostatinė jėgos yra konservatyviųjų jėgų pavyzdžiai.
2. Kaip konservatyviosios jėgos atliekamas darbas susijęs su potencialine energija? Konservatyviosios jėgos atliekamas darbas objektui, judančiam iš taško A į tašką B, yra lygus neigiamam potencialinės energijos pokyčiui (∆U) tarp šių dviejų taškų: Tai reiškia, kad jei objektas įgyja potencialinės energijos, konservatyviosios jėgos atliktas darbas yra neigiamas ir atvirkščiai.
3. Kas yra nekonservatyvioji jėga? Nekonservatyvioji jėga yra tokia, kurios darbas, atliekamas judinant objektą tarp dviejų taškų, priklauso nuo nueito kelio. Trinties ir oro pasipriešinimas yra tipiški nekonservatyviųjų jėgų pavyzdžiai.
4. Kaip nekonservatyvi jėga veikia sistemos mechaninę energiją? Nekonservatyvi jėga gali pakeisti bendrą sistemos mechaninę energiją (kinetinės ir potencialinės energijų sumą). Taip yra todėl, kad nekonservatyvios jėgos atliktas darbas nėra kaupiamas kaip potencialinė energija, o paprastai transformuojamas į kitas energijos formas, pavyzdžiui, šilumą.
5. Kaip, naudojant uždaros kilpos trajektoriją, nustatyti, ar jėga yra konservatyvi, ar nekonservatyvi? Konservatyviosios jėgos atveju grynasis darbas, atliktas su objektu po to, kai jis įveikia visą uždaros kilpos trajektoriją, yra lygus nuliui. Jei grynasis darbas, atliktas per uždarą kilpą, nėra lygus nuliui, jėga yra nekonservatyvi.
6. Kokį vaidmenį jėgos lauko kreivumas atlieka nustatant, ar jėga yra konservatyvi? Jei jėgos lauko kreivumas visur erdvėje lygus nuliui, jėga yra konservatyvi. Jei kreivumas nėra lygus nuliui, jėga yra nekonservatyvi.
7. Kaip gravitacinė potencialinė energija yra susijusi su konservatyviosiomis jėgomis? Gravitacinė potencialinė energija atsiranda dėl gravitacinės jėgos konservatyvaus pobūdžio. Padidėjus aukščiui gravitaciniame lauke, padidėja gravitacinė potencialinė energija, o gravitacinės jėgos atliekamas darbas yra neigiamas, o tai reiškia, kad potencialinė energija sumažėja, kai objektas artėja prie Žemės.
8. Kodėl trintis neturi susijusios potencialinės energijos, kaip kitos konservatyvios jėgos? Trintis yra nekonservatyvi jėga; todėl trinties atliktas darbas nėra kaupiamas kaip potencialinė energija. Vietoj to, jis dažnai virsta kitomis formomis, pavyzdžiui, šiluma, ir negali būti visiškai atgautos kaip mechaninė energija.
9. Kai objektas slysta pasvirusia plokštuma, kokį vaidmenį atlieka konservatyviosios ir nekonservatyviosios jėgos? Kai objektas slysta pasvirusia plokštuma, gravitacinė jėga, konservatyvioji jėga, veikia objektą, paversdama jo potencialinę energiją kinetine energija. Jei tarp objekto ir pasvirusiosios plokštumos yra trintis (nekonservatyvioji jėga), ji priešinsis judėjimui ir sumažins objekto kinetinę energiją, dalį jos paversdama šiluma.
10. Ar sistemos bendra energija gali būti išsaugota net ir veikiant nekonservatyvioms jėgoms? Taip, sistemos bendra energija (įskaitant visas energijos formas, tokias kaip mechaninė, šiluminė ir kt.) išlieka išsaugota pagal energijos tvermės dėsnį. Tačiau, kai veikia nekonservatyvios jėgos, mechaninė energija (kinetinės ir potencialinės energijų suma) gali būti neišsaugota, nes dalis jos paverčiama kitomis energijos formomis, tokiomis kaip šiluma ar garsas.
