p = mv.

Эта величина имеет важное значение. В самом деле, предположим, что два тела с массами m и M действуют друг на друга с силой, стремящейся ускорить оба тела. На рис. 2 такую силу создает пружина (происхождение силы может быть любым). Согласно третьему закону Ньютона, в любой момент времени сила, с которой масса m действует на массу M, равна по величине и противоположна по направлению силе, с которой масса M действует на m (действие равно противодействию). Предположим, что в момент времени t₀ скорости масс равны v₀ и V₀. Комбинируя выражение для ускорений со вторым законом Ньютона, мы найдем, что скорости изменяются в соответствии с выражениями

(5.53 Кб)

где F_m и F_M – силы, действующие на m и M. Поскольку эти силы равны и противоположно направлены, имеем

откуда, умножая на (t – t₀) получаем

Из этого равенства следует, что хотя отдельные импульсы изменяются, их сумма в момент времени t₀ равна их же сумме в момент t, т.е. в процессе всего движения остается постоянной. Это – так называемый закон сохранения импульса. Он универсален в том смысле, что справедлив независимо от природы сил и длительности их действия между телами.

Работа U, совершаемая силой, приложенной к движущемуся телу, определяется как произведение силы на расстояние:

U = F(x – x₀),

где (как и далее) точки x и x₀ должны выбираться достаточно близко друг к другу, чтобы силу F можно было считать постоянной. Воспользуемся тем, что, как легко доказать, точка, движущаяся с постоянным ускорением, проходит за время (t – t₀) такое же расстояние, как если бы все это время она двигалась со средней скоростью ¹/₂(v + v₀). Таким образом, из выражения для второго закона Ньютона вытекает:

или

Величина ¹/₂mv² называется кинетической энергией. Если обозначить ее через Т, то выражение

U = T – T₀

означает, что работа, совершаемая за любой малый промежуток времени, а следовательно (если просуммировать), и за любой произвольный промежуток времени, равна разности конечной и начальной кинетических энергий. Это положение справедливо независимо от того, какова сила и как она изменяется со временем, а также от того, каково расстояние, на котором она действует.

Путем точно таких же рассуждений можно показать, что тело, обладающее кинетической энергией Т, может совершить работу, равную T – T₀, если его Т уменьшится до величины T₀, или равную Т, если тело в конце останавливается. Таким образом, всю работу, совершенную над телом при его ускорении, можно снова получить, остановив тело. Поэтому движущееся тело можно рассматривать как «носителя» работы. Под энергией понимается способность совершать работу, а запасенная телом кинетическая энергия зависит только от его скорости (и массы) и не зависит от того, как эта скорость была приобретена.

Предположим, что тело массой m поднято на высоту h над поверхностью земли, а затем свободно падает. Если оно падает в течение времени t с постоянным ускорением g, то соотношение между g, h и t можно получить из правила для средних скоростей

где v – скорость, с которой тело ударяется о землю, причем мы положили v₀ = 0, поскольку до начала падения тело покоится. Вновь, поскольку v = gt, можно написать h = v²/2g, а умножив обе части равенства на mg, получим

mgh = ¹/₂mv².

Поскольку mg – вес тела, величина mgh есть работа по подъему тела на высоту h, а ¹/₂mv² – кинетическая энергия тела в момент достижения им земли, равная работе, которую тело может совершить при ударе. Анализируя весь процесс, мы видим, что работа по подъему тела, равная mgh, запасается телом в виде его потенциальной энергии перед тем, как оно начинает падать. По мере падения потенциальная энергия переходит в кинетическую, которая может снова перейти в работу, равную mgh, при ударе тела о землю. Когда тело окончательно приходит в состояние покоя, то на первый взгляд энергия исчезает. Но более тщательный анализ показывает, что она сохранилась в форме усилившегося молекулярного движения в месте падения, т.е. в форме звука и теплоты. В отличие от импульса, энергия принимает разные формы, но при переходе из одной формы в другую полное количество энергии не меняется. Это – так называемый закон сохранения энергии.

В качестве примера применения двух законов сохранения рассмотрим соударение двух шаровых маятников (рис. 3,а). Предположим, что шары маятников имеют одинаковую массу и изготовлены из абсолютно упругого материала. Это означает, что кинетическая энергия при ударе не рассеивается. Пусть V₁ – скорость первого маятника в момент, предшествующий соударению, и нам надо найти v₁ и v₂ – скорости сразу после удара.

(12.68 Кб)

При соударении энергия и импульс сохраняются, и мы имеем

Производя сокращения и возводя обе части второго равенства в квадрат, получаем

Эти соотношения могут выполняться одновременно только при v₁v₂ = 0. Таким образом, либо v₁ = 0, либо v₂ = 0, но не то и другое. Поскольку второй шар служит препятствием для первого, в нуль обратится v₁, и в силу закона сохранения импульса системы имеем v₂ = V₁. Первый шар останавливается, а второй движется со скоростью V₁, как показано на рис. 3,б.

Предположим теперь, что на второй шар нанесена мастика, так что при соударении шары прилипают друг к другу и дальше движутся вместе (рис. 3,в). В этом случае v₂ = v₁ и импульс по-прежнему сохраняется, так что

mV₁ = 2mv₁,

откуда v₁ = ¹/₂V₁, т.е. шары будут двигаться со скоростью, которая в два раза меньше начальной скорости первого шара. Начальное значение кинетической энергии равнялось T₁ = ¹/₂mV₁², а конечное значение 2 ґ¹/₂m(¹/₂V₁)² = ¹/₂T₁. Таким образом, кинетическая энергия, равная ¹/₂T₁, рассеивается, причем основная часть этой потери идет на деформацию и нагрев мастики и шаров.

назад   дальше