O forță conservativă nu este denumirea unei forțe, cum ar fi gravitația, frecarea etc. O forță conservativă descrie natura unei forțe. Dacă lucrul mecanic total efectuat de o forță asupra unui obiect, în timpul în care obiectul se îndepărtează de poziția sa inițială până când obiectul revine la poziția sa inițială, este egal cu zero, atunci forța este o forță conservativă. O forță se numește conservativă dacă lucrul mecanic efectuat de forță asupra unui obiect nu depinde de traiectoria pe care o parcurge obiectul, ci doar de schimbarea pozițiilor sale inițiale și finale.
Conceptul de forță conservativă este mai ușor de înțeles dacă înțelegi deja conceptul de lucru mecanic în fizică . Studiază următoarele două probleme exemplificative pentru a înțelege conceptul de forță conservativă.
Exemplul 1
Luați în considerare un obiect care se mișcă vertical în sus, apoi obiectul se mișcă vertical în jos, până la poziția sa inițială.
Când un obiect se mișcă în sus, direcția de deplasare a obiectului este în sus, în timp ce direcția forței gravitaționale sau a greutății (w) este în jos. Direcția de deplasare a obiectului este opusă direcției forței gravitaționale, prin urmare, forța gravitațională efectuează un lucru mecanic negativ.
W 1 = F s = wh (cos 180) = wh (-1) = – wh = – mgh
Când un obiect se mișcă în jos spre poziția sa inițială, direcția deplasării obiectului este în jos, iar direcția forței gravitaționale este, de asemenea, în jos. Direcția deplasării obiectului este aceeași cu direcția forței gravitaționale, prin urmare, forța gravitațională efectuează un lucru mecanic pozitiv.
W² = Fs = wh (cos 0) = wh (1) = wh
Lucrul mecanic total efectuat de forța gravitațională asupra unui obiect în timpul în care obiectul se mișcă în sus și apoi în jos este egal cu zero.
W total = W 1 + W 2 = – wh + wh = 0
De exemplu, masa unui obiect (m) = 1 kg, accelerația gravitațională (g) = 10 m/s² și înălțimea (h) = 1 metru, atunci W₁ = -10 Joule și W₂ = 10 Joule. Lucrul mecanic total = – 10 Joule + 10 Joule = 0
Exemplul 2
Să luăm în considerare un obiect care se mișcă dintr-o vale într-un vârf și apoi se întoarce în vale.
Atâta timp cât un obiect se mișcă pe un plan înclinat, doar componenta orizontală a forței gravitaționale (w sin theta) efectuează lucru mecanic asupra obiectului. Când un obiect se mișcă din vale în vârful planului înclinat, direcția de deplasare este opusă direcției componentei orizontale a forței gravitaționale (w sin theta), prin urmare, forța gravitațională efectuează un lucru mecanic negativ.
Lucrul mecanic efectuat de forța gravitațională asupra unui obiect pe măsură ce acesta se deplasează de la vale la vârf.
W 1 = – F s = – (w sin theta)(s) = – ws sin theta
Deoarece sin theta = h / s sau h = s sin theta, atunci formula de mai sus se schimbă în
W 1 = – wh = – mgh
Când un obiect se mișcă de la un vârf la o vale, deplasarea este în aceeași direcție ca și componenta orizontală a forței gravitaționale, prin urmare, forța gravitațională efectuează un lucru mecanic pozitiv.
W² = wh = mgh
Efort total
Wtotal = – mgh + mgh = 0
De exemplu, masa unui obiect (m) = 1 kg, accelerația gravitațională (g) = 10 m/s² și înălțimea (h) = 1 metru, atunci W₁ = -10 Joule și W₂ = 10 Joule. Lucrul mecanic total = – 10 Joule + 10 Joule = 0
Pe baza formulei utilizate în exemplul 2, se poate concluziona că lucrul mecanic efectuat de forța gravitațională asupra unui obiect atunci când obiectul se mișcă de-a lungul unui plan înclinat o distanță de s este același cu lucrul mecanic efectuat de forța gravitațională asupra obiectului dacă obiectul se mișcă perpendicular o distanță de h.
Deci lucrul mecanic efectuat de forța gravitațională nu depinde de traiectoria parcursă, ci doar de schimbarea înălțimii. Cu alte cuvinte, lucrul mecanic efectuat de forța gravitațională depinde doar de pozițiile inițială și finală.
Aceste două exemple arată că forța gravitațională este o forță conservativă. O forță este o forță conservativă dacă îndeplinește două condiții. În primul rând, lucrul mecanic total efectuat de forță asupra unui obiect în timpul în care obiectul se îndepărtează de poziția sa inițială până când revine la poziția sa inițială este egal cu zero (comparați exemplul 1). În al doilea rând, lucrul mecanic total efectuat de forță asupra unui obiect nu depinde de traiectoria parcursă de obiect, ci depinde de schimbarea poziției (comparați exemplul 2).
Câteva forțe incluse în forțele conservative sunt forța gravitațională, forța electrică și forța magnetică.
Exemplul 3
Forța Coulomb și forța gravitațională sunt forțe conservative.
Deoarece
Forța Coulomb și forța gravitațională sunt invers proporționale cu pătratul distanței
Pembahasan
Forța electrică și forța gravitațională sunt forțe conservative, nu pentru că magnitudinile lor sunt invers proporționale cu pătratul distanței. Ambele sunt forțe conservative deoarece lucrul mecanic efectuat pentru a transporta o sarcină sub influența acestor două forțe nu depinde de traiectoria sau de traseul parcurs, ci doar de pozițiile inițială și finală ale sarcinii.
O forță este o forță conservativă dacă lucrul mecanic pe care îl efectuează asupra unui obiect...
(1) depinde doar de starea inițială și de starea finală
(2) este aceeași cu schimbarea energiei potențiale a obiectului
(3) nu depinde de forma traiectoriei mișcării
(4) nu depinde de variațiile energiei potențiale
Pembahasan
O forță este o forță conservativă dacă lucrul mecanic pe care îl efectuează asupra unui obiect
(1) depinde doar de starea inițială și de starea finală
(3) nu depinde de forma traiectoriei mișcării
