Forță conservativă și forță neconservativă
1. Forța conservatoare
1.1 Greutate (g)
Observați un obiect care se mișcă vertical în sus până atinge o înălțime maximă înainte de a se mișca în jos către poziția sa inițială. Când se mișcă vertical în sus cu h, greutatea este în direcție opusă față de deplasare. Prin urmare, greutatea efectuează un lucru mecanic negativ asupra obiectului.
W = wh (cos 180 ° ) = – wh = – mgh
După atingerea unei înălțimi maxime, obiectul se mișcă în jos spre poziția sa inițială cu h. Când se mișcă în jos, greutatea se află în aceeași direcție cu deplasarea. Deoarece se află în aceeași direcție cu deplasarea, greutatea efectuează lucru mecanic pozitiv.
W = wh (cos 0 o ) = wh = mgh
Masa obiectului (m), accelerația gravitațională (g) și înălțimea (h) sunt aceleași, deci lucrul mecanic este efectuat de greutate, deoarece obiectul începe să se miște vertical în sus până când revine la poziția sa inițială, care este zero.
W = mgh – mgh = 0
1.2 Forța arcului
Observați un arc plasat într-o poziție orizontală. Dacă capătul drept al arcului este împins sau comprimat spre stânga, arcul exercită o forță de împingere spre dreapta. Puteți demonstra acest lucru prin comprimarea unui arc. De exemplu, plasați un obiect la capătul drept, apoi apăsați obiectul spre stânga. După ce arcul deviază cu Δx, luați mâna de pe obiect și de pe arc. Când mâna nu mai este în contact cu arcul, arcul va împinge obiectul înapoi spre dreapta.
Când obiectul se mișcă spre stânga, direcția mișcării și deplasării sale sunt opuse direcției forței arcului. Deoarece direcțiile sunt opuse una față de cealaltă, forța arcului efectuează un lucru mecanic negativ.
W = – ½ k (Δx) ²
Când obiectul se mișcă spre dreapta, direcția mișcării și deplasării sale este aceeași cu forța arcului. Deoarece direcțiile sunt aceleași, forța arcului efectuează lucru mecanic pozitiv.
W = ½ k (Δx) ²
Arcul folosit este același, deci constanta arcului (k) este aceeași. Abaterea arcului (Δx) este, de asemenea, aceeași.
Astfel, lucrul mecanic este efectuat de greutate atunci când obiectul începe să se miște spre stânga cu Δx și apoi se mișcă înapoi spre dreapta cu Δx, ceea ce înseamnă că Δx este zero.
W = ½ k (Δx) 2 – ½ k (Δx) 2 = 0
Lucrul mecanic este efectuat de greutate și forța arcului, deoarece, din momentul în care obiectul începe să se miște din poziția inițială până când revine acolo, este egal cu zero. Dacă lucrul mecanic a fost efectuat de o forță, din momentul în care obiectul se mișcă din poziția inițială până când revine acolo, este egal cu zero, forța se numește forță conservativă. Ca atare, forța arcului și greutatea sunt exemple de forțe conservative.
2. Forța neconservatoare
Observați un obiect care este împins spre dreapta și apoi împins înapoi spre stânga. Când obiectul se mișcă sau este deplasat spre dreapta, direcția de deplasare a obiectului este aceeași cu direcția forței de împingere (F) și opusă direcției forței de frecare cinetică (fk ) . Deoarece este în aceeași direcție ca deplasarea, forța de împingere efectuează un lucru mecanic pozitiv asupra obiectului.
W = Fs
Dimpotrivă, forța de frecare cinetică efectuează un lucru mecanic negativ asupra obiectului.
W = – f k s
Lucrul mecanic a fost efectuat de forța de împingere și forța de frecare asupra obiectului atunci când acesta începe să se miște din poziția inițială până când revine, există:
W = 2 F s
W = -2 f k s
Lucrul mecanic efectuat de forța de împingere și forța de frecare cinetică, de când obiectul începe să se miște din poziția sa inițială până când se întoarce acolo, nu este egal cu zero. Dacă lucrul mecanic efectuat de o forță de când obiectul începe să se miște din poziția sa inițială până când se întoarce acolo nu este egal cu zero, forța se numește forță neconservativă. Ca atare, forța de împingere și forța de frecare cinetică sunt exemple de forțe neconservative.
1. Ce este o forță conservativă? O forță conservativă este o forță pentru care lucrul mecanic efectuat pentru deplasarea unui obiect între două puncte este independent de traiectoria parcursă. Forțele gravitaționale și electrostatice sunt exemple de forțe conservative.
2. Cum este legat lucrul mecanic efectuat de o forță conservativă de energia potențială? Lucrul mecanic efectuat de o forță conservativă asupra unui obiect care se deplasează din punctul A în punctul B este egal cu variația negativă a energiei potențiale (∆U) dintre aceste două puncte: Aceasta înseamnă că, dacă un obiect câștigă energie potențială, lucrul mecanic efectuat de forța conservativă este negativ și invers.
3. Ce este o forță neconservativă? O forță neconservativă este una pentru care lucrul mecanic efectuat pentru deplasarea unui obiect între două puncte depinde de traiectoria parcursă. Frecarea și rezistența aerului sunt exemple tipice de forțe neconservative.
4. Cum afectează o forță neconservativă energia mecanică a unui sistem? O forță neconservativă poate modifica energia mecanică totală (suma energiilor cinetică și potențială) a unui sistem. Acest lucru se datorează faptului că lucrul mecanic efectuat de o forță neconservativă nu este stocat ca energie potențială, ci este de obicei transformat în alte forme de energie, cum ar fi căldura.
5. Cum se poate determina dacă o forță este conservativă sau neconservativă folosind o traiectorie în buclă închisă? Pentru o forță conservativă, lucrul mecanic net efectuat asupra unui obiect după ce acesta parcurge o traiectorie completă în buclă închisă este zero. Dacă lucrul mecanic net efectuat pe o buclă închisă nu este zero, forța este neconservativă.
6. Ce rol joacă ondulația unui câmp de forță în determinarea faptului dacă o forță este conservativă? Dacă ondulația unui câmp de forță este zero peste tot în spațiu, forța este conservativă. Dacă ondulația nu este zero, atunci forța este neconservativă.
7. Cum este legată energia potențială gravitațională de forțele conservative? Energia potențială gravitațională apare datorită naturii conservative a forței gravitaționale. O creștere a înălțimii într-un câmp gravitațional duce la o creștere a energiei potențiale gravitaționale, în timp ce lucrul mecanic efectuat de forța gravitațională este negativ, ceea ce implică o scădere a energiei potențiale atunci când un obiect se apropie de Pământ.
8. De ce nu are frecarea o energie potențială asociată, așa cum o fac alte forțe conservative? Frecarea este o forță neconservativă; prin urmare, lucrul mecanic efectuat de frecare nu este stocat ca energie potențială. În schimb, este adesea transformat în alte forme, cum ar fi căldura, și nu poate fi recuperat complet ca energie mecanică.
9. Într-un scenariu în care un obiect alunecă pe un plan înclinat, ce rol joacă forțele conservative și neconservative? Când un obiect alunecă pe un plan înclinat, forța gravitațională, o forță conservativă, acționează asupra obiectului, transformându-i energia potențială în energie cinetică. Dacă există frecare între obiect și planul înclinat (o forță neconservativă), aceasta se va opune mișcării și va reduce energia cinetică a obiectului, transformând o parte din aceasta în căldură.
10. Poate fi conservată energia totală a unui sistem chiar dacă sunt în acțiune forțe neconservative? Da, energia totală a unui sistem (inclusiv toate formele de energie, cum ar fi cea mecanică, termică etc.) rămâne conservată conform legii conservării energiei. Cu toate acestea, atunci când acționează forțe neconservative, energia mecanică (suma energiilor cinetică și potențială) poate să nu fie conservată deoarece o parte din ea este convertită în alte forme de energie, cum ar fi căldura sau sunetul.
