Konservatīvais spēks un nekonservatīvais spēks
1. Konservatīvais spēks
1.1 Svars (w)
Novērojiet objektu, kas vertikāli pārvietojas uz augšu, līdz sasniedz maksimālo augstumu, pirms pārvietojas uz leju uz savu sākotnējo pozīciju. Pārvietojoties vertikāli uz augšu par h, svars darbojas pretējā virzienā no pārvietojuma. Tādējādi svars veic negatīvu darbu uz objektu.
W = wh (cos 180 ° ) = – wh = – mgh
Pēc maksimālā augstuma sasniegšanas objekts pārvietojas uz leju sākotnējās pozīcijas virzienā par h. Virzoties uz leju, svars atrodas tajā pašā virzienā, kurā notiek pārvietojums. Tā kā tas atrodas tajā pašā virzienā, kurā notiek pārvietojums, svars veic pozitīvu darbu.
W = wh (cos 0 0 ) = wh = mgh
Objekta masa (m), gravitācijas paātrinājums (g) un augstums (h) ir vienādi, tāpēc darbu veic svars, jo objekts sāk kustēties vertikāli uz augšu, līdz tas atgriežas sākotnējā pozīcijā nulle.
W = mg/h – mg/h = 0
1.2 Atsperes spēks
Novērojiet atsperi, kas novietota horizontālā stāvoklī. Ja atsperes labais gals tiek nospiests vai saspiests pa kreisi, atspere iedarbojas uz bīdes spēku pa labi. To var pierādīt, saspiežot atsperi. Piemēram, novietojiet priekšmetu uz labā gala un pēc tam piespiediet to pa kreisi. Pēc tam, kad atspere novirzās par Δx, noņemiet roku no priekšmeta un atsperes. Kad roka vairs nesaskaras ar atsperi, atspere to nospiedīs atpakaļ pa labi.
Kad objekts pārvietojas pa kreisi, tā kustības un pārvietojuma virziens ir pretējs atsperes spēka virzienam. Tā kā virzieni ir viens otram pretēji, atsperes spēks veic negatīvu darbu.
W = – ½ k (Δx) ²
Kad objekts pārvietojas pa labi, tā kustības un pārvietojuma virziens ir tāds pats kā atsperes spēks. Tā kā virzieni ir vienādi, atsperes spēks veic pozitīvu darbu.
W = ½ k (Δx) ²
Izmantotā atspere ir tāda pati, tāpēc atsperes konstante (k) ir tāda pati. Arī atsperes novirze (Δx) ir tāda pati.
Tādējādi darbs tiek veikts pēc svara, kad objekts sāk kustēties pa kreisi par Δx un pēc tam atgriežas pa labi par Δx, kas ir nulle.
W = ½ k (Δx) 2 – ½ k (Δx) 2 = 0
Darbu veic svars un atsperes spēks, jo objekts sāk kustēties no sākotnējās pozīcijas, līdz atgriežas tur, kas ir vienāds ar nulli. Ja darbu veic spēks, jo tas pārvietojas no sākotnējās pozīcijas, līdz atgriežas tur, kas ir vienāds ar nulli, spēku sauc par konservatīvo spēku. Tādējādi atsperes spēks un svars ir konservatīvo spēku piemēri.
2. Nekonservatīvs spēks
Novērojiet objektu, kas tiek pastumts pa labi un pēc tam pastumts atpakaļ pa kreisi. Kad objekts pārvietojas jeb pārvietojas pa labi, objekta pārvietošanās virziens ir tāds pats kā vilces spēka virziens (F) un pretējs kinētiskā berzes spēka virzienam (fk ) . Tā kā tas ir vienā virzienā ar pārvietojumu, vilces spēks veic pozitīvu darbu uz objektu.
W = F s
Gluži pretēji, kinētiskais berzes spēks veic negatīvu darbu uz objektu.
W = – fk / s
Darbu veica vilces spēks un berzes spēks uz objektu, kad objekts sāka kustēties no sākotnējās pozīcijas, līdz tas atgriežas tur:
W = 2 F s
W = -2 fk / s
Darbu veic vilces spēks un kinētiskais berzes spēks, kas kopš objekta kustības sākuma līdz atgriešanās brīdim tajā nav vienāds ar nulli. Ja spēka veiktais darbs kopš objekta kustības sākuma līdz atgriešanās brīdim tajā nav vienāds ar nulli, spēku sauc par nekonservatīvu spēku. Tādējādi vilces spēks un kinētiskais berzes spēks ir nekonservatīvu spēku piemēri.
1. Kas ir konservatīvs spēks? Konservatīvs spēks ir tāds spēks, kuram darbs, kas tiek veikts, pārvietojot objektu starp diviem punktiem, nav atkarīgs no noietā ceļa. Gravitācijas un elektrostatiskie spēki ir konservatīvo spēku piemēri.
2. Kā konservatīvā spēka veiktais darbs ir saistīts ar potenciālo enerģiju? Darbs, ko konservatīvais spēks veic uz objekta, kas pārvietojas no punkta A uz punktu B, ir vienāds ar negatīvo potenciālās enerģijas izmaiņu (∆U) starp šiem diviem punktiem: Tas nozīmē, ka, ja objekts iegūst potenciālo enerģiju, konservatīvā spēka veiktais darbs ir negatīvs, un otrādi.
3. Kas ir nekonservatīvs spēks? Nekonservatīvs spēks ir tāds spēks, kuram darbs, kas tiek veikts, pārvietojot objektu starp diviem punktiem, ir atkarīgs no veiktā ceļa. Berze un gaisa pretestība ir tipiski nekonservatīvu spēku piemēri.
4. Kā nekonservatīvs spēks ietekmē sistēmas mehānisko enerģiju? Nekonservatīvs spēks var mainīt sistēmas kopējo mehānisko enerģiju (kinētiskās un potenciālās enerģijas summu). Tas ir tāpēc, ka nekonservatīva spēka veiktais darbs netiek uzkrāts kā potenciālā enerģija, bet parasti tiek pārveidots citās enerģijas formās, piemēram, siltumā.
5. Kā, izmantojot slēgtas cilpas trajektoriju, var noteikt, vai spēks ir konservatīvs vai nekonservatīvs? Konservatīva spēka gadījumā neto darbs, kas uz objektu tiek veikts pēc tam, kad tas ir veicis pilnu slēgtas cilpas trajektoriju, ir nulle. Ja neto darbs, kas tiek veikts slēgtā cilpā, nav nulle, spēks nav konservatīvs.
6. Kāda loma spēka lauka izliekumam ir, nosakot, vai spēks ir konservatīvs? Ja spēka lauka izliekums visur telpā ir nulle, tad spēks ir konservatīvs. Ja izliekums nav nulle, tad spēks nav konservatīvs.
7. Kā gravitācijas potenciālā enerģija ir saistīta ar konservatīvajiem spēkiem? Gravitācijas potenciālā enerģija rodas gravitācijas spēka konservatīvā rakstura dēļ. Augstuma palielināšanās gravitācijas laukā noved pie gravitācijas potenciālās enerģijas palielināšanās, turpretī gravitācijas spēka veiktais darbs ir negatīvs, kas nozīmē potenciālās enerģijas samazināšanos, kad objekts tuvojas Zemei.
8. Kāpēc berzei nav saistītas potenciālās enerģijas, kā citiem konservatīviem spēkiem? Berze ir nekonservatīvs spēks; tāpēc berzes veiktais darbs netiek uzkrāts kā potenciālā enerģija. Tā vietā tas bieži tiek pārveidots citās formās, piemēram, siltumā, un to nevar pilnībā atgūt kā mehānisko enerģiju.
9. Scenārijā, kurā objekts slīd lejup pa slīpu plakni, kāda loma ir konservatīvajiem un nekonservatīvajiem spēkiem? Kad objekts slīd lejup pa slīpu plakni, uz objektu iedarbojas gravitācijas spēks, konservatīvais spēks, pārveidojot tā potenciālo enerģiju kinētiskajā enerģijā. Ja starp objektu un slīpo plakni pastāv berze (nekonservatīvs spēks), tā pretosies kustībai un samazinās objekta kinētisko enerģiju, daļu no tās pārveidojot siltumā.
10. Vai sistēmas kopējā enerģija var tikt saglabāta pat tad, ja darbojas nekonservatīvi spēki? Jā, sistēmas kopējā enerģija (ieskaitot visus enerģijas veidus, piemēram, mehānisko, termisko utt.) paliek saglabāta saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu. Tomēr, kad darbojas nekonservatīvi spēki, mehāniskā enerģija (kinētiskās un potenciālās enerģijas summa) var netikt saglabāta, jo daļa no tās tiek pārveidota citās enerģijas formās, piemēram, siltumā vai skaņā.
