Конзервативна сила и неконзервативна сила
1. Конзервативна снага
1.1 Тежина (w)
Посматрајте објекат који се креће вертикално нагоре док не достигне максималну висину пре него што се помери надоле ка свом почетном положају. Приликом кретања вертикално нагоре за h, тежина је у супротном смеру од смера померања. Дакле, тежина врши негативан рад на објекту.
W = wh (cos 180 ° ) = – wh = – mgh
Након што достигне максималну висину, објекат се помера надоле ка свом почетном положају за h. Приликом кретања надоле, тежина је у истом смеру као и померање. Пошто је у истом смеру као и померање, тежина врши позитиван рад.
W = wh (cos 0 o ) = wh = mgh
Маса објекта (m), гравитационо убрзање (g) и висина (h) су исти, тако да рад обавља тежина јер се објекат почиње кретати вертикално навише док се не врати у свој почетни положај који је нула.
W = mgh – mgh = 0
1.2 Сила опруге
Посматрајте опругу постављену у хоризонталном положају. Ако се десни крај опруге потисне или сабије улево, опруга делује потисном силом удесно. То можете доказати сабијањем опруге. На пример, поставите предмет на десни крај, а затим притисните предмет улево. Након што се опруга помери за Δx, склоните руку са предмета и опруге. Када рука више није у контакту са опругом, опруга ће гурнути предмет назад удесно.
Када се објекат помера улево, смер његовог кретања и померања су супротни од смера силе опруге. Пошто су смерови један другом супротни, сила опруге врши негативан рад.
W = – ½ k (Δx) ²
Када се објекат помера удесно, смер његовог кретања и померања је исти као и сила опруге. Пошто су смерови исти, сила опруге врши позитиван рад.
W = ½ k (Δx) ²
Коришћена опруга је иста, тако да је константа опруге (k) иста. Деформација опруге (Δx) је такође исто.
Дакле, рад се обавља тежином када се објекат почне померати улево за Δx, а затим се врати удесно за Δx једнако нули.
В = ½ к (Δк) 2 – ½ к (Δк) 2 = 0
Рад обављају тежина и сила опруге, од тренутка када се објекат покреће из почетног положаја док се тамо не врати једнако нули. Ако је рад извршила сила, од тренутка када се објекат помера из почетног положаја док се тамо не врати једнако нули, та сила се назива конзервативна сила. Као такве, сила опруге и тежина су примери конзервативних сила.
2. Неконзервативна сила
Посматрајте објекат који је гурнут удесно, а затим назад улево. Када се објекат креће или помера удесно, смер померања објекта је исти као и смер силе потиска (F) и супротан од смера кинетичке силе трења (fk ) . Пошто је у истом смеру као и померање, сила потиска врши позитиван рад на објекту.
W = F s
Напротив, кинетичка сила трења врши негативан рад на објекту.
W = – fks
Рад који су извршиле сила потиска и сила трења на објекту од тренутка када се објекат почне кретати из почетног положаја док се тамо не врати је:
W = 2 F s
W = -2 f k s
Рад који обавља сила потиска и кинетичка сила трења, од тренутка када се објекат покреће из почетног положаја док се тамо не врати, није једнак нули. Ако рад који изврши сила од тренутка када се објекат покреће из почетног положаја док се тамо не врати није једнак нули, сила се назива неконзервативна сила. Као такве, сила потиска и кинетичка сила трења су примери неконзервативних сила.
1. Шта је конзервативна сила? Конзервативна сила је она код које је рад извршен при померању објекта између две тачке независан од пређене путање. Гравитационе и електростатичке силе су примери конзервативних сила.
2. Како је рад конзервативне силе повезан са потенцијалном енергијом? Рад који конзервативна сила обавља на објекту који се креће од тачке А до тачке Б једнак је негативној промени потенцијалне енергије (∆U) између те две тачке: То значи да ако објекат добије потенцијалну енергију, рад конзервативне силе је негативан и обрнуто.
3. Шта је неконзервативна сила? Неконзервативна сила је она код које рад извршен при кретању објекта између две тачке зависи од пређене путање. Трење и отпор ваздуха су типични примери неконзервативних сила.
4. Како неконзервативна сила утиче на механичку енергију система? Неконзервативна сила може променити укупну механичку енергију (збир кинетичке и потенцијалне енергије) система. То је зато што се рад који обавља неконзервативна сила не складишти као потенцијална енергија, већ се обично трансформише у друге облике енергије, као што је топлота.
5. Како се може утврдити да ли је сила конзервативна или неконзервативна користећи путању затворене петље? За конзервативну силу, нето рад извршен на објекту након што пређе комплетну путању затворене петље је нула. Ако нето рад извршен преко затворене петље није нула, сила је неконзервативна.
6. Коју улогу игра увојак поља силе у одређивању да ли је сила конзервативна? Ако је увојак поља силе једнак нули свуда у простору, сила је конзервативна. Ако увојак није једнак нули, онда је сила неконзервативна.
7. Како је гравитациона потенцијална енергија повезана са конзервативним силама? Гравитациона потенцијална енергија настаје због конзервативне природе гравитационе силе. Повећање висине у гравитационом пољу доводи до повећања гравитационе потенцијалне енергије, док је рад који обавља гравитациона сила негативан, што имплицира смањење потенцијалне енергије када се објекат приближава Земљи.
8. Зашто трење нема повезану потенцијалну енергију као друге конзервативне силе? Трење је неконзервативна сила; стога се рад обављен трењем не складишти као потенцијална енергија. Уместо тога, често се трансформише у друге облике, као што је топлота, и не може се у потпуности регенерисати као механичка енергија.
9. У сценарију где објекат клизи низ нагнуту раван, како конзервативне и неконзервативне силе играју улогу? Када објекат клизи низ нагнуту раван, гравитациона сила, конзервативна сила, делује на објекат, претварајући његову потенцијалну енергију у кинетичку енергију. Ако постоји трење између објекта и нагнуте равни (неконзервативна сила), она ће се супротставити кретању и смањити кинетичку енергију објекта, претварајући део ње у топлоту.
10. Да ли се укупна енергија система може очувати чак и ако делују неконзервативне силе? Да, укупна енергија система (укључујући све облике енергије као што су механичка, топлотна итд.) остаје очувана према закону о одржању енергије. Међутим, када делују неконзервативне силе, механичка енергија (збир кинетичке и потенцијалне енергије) можда се неће очувати јер се део ње претвара у друге облике енергије, као што су топлота или звук.
