Потенциальная энергия упруго деформированного тела определяется выражением. Потенциальная энергия упруго деформированного тела

Потенциальная энергия упругих деформаций является физической величиной, которая равна половине произведения квадрата деформации тела и его жесткости. Рассмотрим некоторые теоретические вопросы, связанные с данной величиной.

Особенности

Потенциальная энергия упругих деформаций зависит от расположения частей анализируемого тела. Например, выявлена связь между количеством витков пружин и энергией

Потенциальная энергия упругих деформаций определяется начальным и конечным положением пружины, то есть ее деформацией. Сначала вычисляют работу, совершаемую растянутой пружиной в момент возвращения в исходный вид. После этого рассчитывается потенциальная энергия упругой деформации пружины.

Вычисления

Она равна работе, совершаемой силой упругости при переходе упругого тела в состояние, при котором величина деформации равна нулю.

При растяжении с одинаковой силой различных пружин, им будет сообщаться разная величина потенциальной энергии. Выявлена обратно пропорциональная зависимость между жесткостью пружины и величиной потенциальной энергии. Чем более жесткой будет взятая пружина, тем меньшее значение будет принимать Ер.

Таким образом, потенциальная энергия при упругой деформации тел связана с коэффициентом упругости. Работа силы упругости представляет собой величину, которая совершается силой во время изменения величины деформации пружины от первоначального (исходного) значения Х1 до конченого положения Х2.

Разницу между этими значениями называют деформацией пружины. Потенциальная энергия упругих деформаций определяется именно с учетом данного показателя.

Коэффициент жесткости пружины зависит от качества материала, из которого изготавливают рабочее тело. Кроме того, на него влияют геометрические размеры и форма анализируемого объекта. Данную физическую величину обозначают буквой к, используют единицы измерения Н/м.

Выявлена зависимость силы упругости от расстояния между взаимодействующими участками рассматриваемого упругого тела.

Работа силы упругости не связана с формой траектории. В случае перемещения по замкнутому циклу, ее суммарное значение равно нулю. Именно поэтому силы упругости считают потенциальными, и вычисляют их с учетом коэффициента жесткости пружины, величиной деформации пружины.

Заключение

Независимо от внешнего вида, любая современная конструкция в определенной степени деформируется, то есть изменяет свои первоначальные размеры, при действии внешних нагрузок, приложенных к телу. Для того чтобы проверить устойчивость и жесткость такой конструкции, важно определять те перемещения, которые вызваны деформацией ее отдельных элементов. Важным моментом является и определение перемещений рассматриваемой системы. Подобные вычисления проводят при расчетах прочности зданий и сооружений. Проведение разнообразных расчетов, касающихся определения работы потенциальных сил, является обязательным этапом при создании чертежей будущих конструкций во всех сферах промышленности.

Деформированное упругое тело (например, растянутая или сжатая пружина) способно, возвращаясь в недеформированное состояние, совершить работу над соприкасающимися с ним телами. Следовательно, упруго деформированное тело обладает потенциальной энергией. Она зависит от взаимного положения частей тела, например витков пружины. Работа, которую может совершить растянутая пружина, зависит от начального и конечного растяжений пружины. Найдем работу, которую может совершить растянутая пружина, возвращаясь к нерастянутому состоянию, т. е. найдем потенциальную энергию растянутой пружины.

Пусть растянутая пружина закреплена одним концом, а второй конец, перемещаясь, совершает работу. Нужно учитывать, что сила, с которой действует пружина, не остается постоянной, а изменяется пропорционально растяжению. Если первоначальное растяжение пружины, считая от нерастянутого состояния, равнялось , то первоначальное значение силы упругости составляло , где - коэффициент пропорциональности, который называют жесткостью пружины. По мере сокращения пружины эта сила линейно убывает от значения до нуля. Значит, среднее значение силы равно . Можно показать, что работа равна этому среднему, умноженному на перемещение точки приложения силы:

Таким образом, потенциальная энергия растянутой пружины

Такое же выражение получается для сжатой пружины.

В формуле (98.1) потенциальная энергия выражена через жесткость пружины и через ее растяжение . Заменив на , где - упругая сила, соответствующая растяжению (или сжатию) пружины , получим выражение

которое определяет потенциальную энергию пружины, растянутой (или сжатой) силой . Из этой формулы видно, что, растягивая с одной и той же силой разные пружины, мы сообщим им различный запас потенциальной энергии: чем жестче пружина, т.е. чем больше ее упругость, тем меньше потенциальная энергия; и наоборот: чем мягче пружина, тем больше энергия, которую она запасет при данной растягивающей, силе. Это можно уяснить себе наглядно, если учесть, что при одинаковых действующих силах растяжение мягкой пружины больше, чем жесткой, а потому больше и произведение силы на перемещение точки приложения силы, т. е. работа.

Эта закономерность имеет большое значение, например, при устройстве различных рессор и амортизаторов: при посадке на землю самолета амортизатор шасси, сжимаясь, должен произвести большую работу, гася вертикальную скорость самолета. В амортизаторе с малой жесткостью сжатие будет больше, зато возникающие силы упругости будут меньше и самолет будет лучше предохранен от повреждений. По той же причине при тугой накачке шин велосипеда дорожные толчки ощущаются резче, чем при слабой накачке.

Учебная цель: добиться понимания физических понятийэнергии, работы, мощности и закона сохранения энергии. Привить навыки самостоятельного решения задач по данной теме.

Литература

Основная: Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989. – Гл. 3, § 3.1 – 3.4; гл. 5, § 5.2.

Дополнительная: Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1987. – Т. 1, гл. 3, § 19 – 24.

Контрольные вопросы для подготовки к занятию

1. Поясните физический смысл понятий энергии, работы, мощности. Их единицы измерения.

2. Какие виды механической энергии известны? Чем они определяются?

3. Запишите и объясните формулы кинетической энергии поступательного и вращательного движения тела.

4. Каковы способы определения работы?

5. Как определяется работа сил упругой деформации и потенциальная энергия упруго деформированного тела?

6. По какой формуле можно определить потенциальную энергию гравитационного взаимодействия двух материальных точек (шаров)? Поясните, почему она является отрицательной величиной?

7. Дайте определение консервативной и диссипативной систем тел. Приведите примеры.

8. Сформулируйте, поясните и запишите закон сохранения энергии в механике.

Краткие теоретические сведения и основные формулы

Энергия – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи.

Механическая энергия может быть обусловлена двумя причинами:

Движением тела с некоторой скоростью (кинетическая энергия);

Нахождением тела в потенциальном поле сил (потенциальная энергия).

Кинетическая энергия тела массой m , движущегося поступательно со скоростью

Кинетическая энергия вращающегося вокруг неподвижной оси тела

Потенциальная энергия тяготения двух материальных точек, массы которых и, находящихся на расстоянииr , при условии, что W  = 0, равна

где G = 6,67·10 -11 –гравитационная постоянная . Знак минус соответствует тому, что при r   потенциальная энергия двух взаимодействующих тел равна нулю; при сближении этих тел потенциальная энергия убывает.

Потенциальная энергия сил притяжения всегда является отрицательной. Область пространства, где действуют силы притяжения, называется потенциальной ямой.

Потенциальная энергия тела, поднятого на высоту h относительно тела отсчёта (например, Земли)

W n = m g h ,

где g = 9,81 – ускорение свободного падения.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела

где -коэффициент упругости , определяемый отношением упругой силы к величинеупругой деформации.

Закон сохранения энергии в механике: полная механическая энергия замкнутой системы, в которой действуют только консервативные силы, есть величина постоянная, т.е.

W k + W n = сonst.

Системы, в которых полная механическая энергия не сохраняется, называются диссипативными.

Мерой передачи движения, или мерой энергии, переданной от одного тела к другому, является работа .

На основании определения работы изменение полной механической энергии системы равно алгебраической сумме работ всех внешних и внутренних сил:

A = W 2 – W 1 Дж,

где W 2 и W 1 – полные энергии тел соответственно после и до взаимодействия.

Потенциальной энергией может обладать не только система взаимодействующих тел, но и отдельно взятое упруго деформированное тело (например, сжатая пружина, растянутый стержень и т.п.). В этом случае потенциальная энергия зависит от взаимного расположения отдельных частей тела (например, от расстояния между соседними витками пружины).

Определим работу, которую необходимо затратить для растяжения (или сжатия) пружины на величину «x» (рис.3.8). Будем считать, что пружина подчиняется закону Гука, т.е. упругая сила пропорциональна деформации. Будем проводить растяжение пружины очень медленно, чтобы силу, с которой мы действуем на пружину, можно было все время считать равной по величине упругой силе . Далее будем считать, что сила действует в направлении перемещения, т.е. .

Исходя из предыдущего, можно записать F внешн. = -F упр. = kx, где x – удлинение пружины, k – коэффициент жесткости пружины, а согласно закону Гука направление упругой силы и перемещения противоположны (силы упругости обусловлены взаимодействием между частицами (молекулами и атомами) и имеют, в конечном счете, электрическую природу).

Пусть под действием силы пружина растянулась на dx , тогда dA=F·dx=k·x·dx .

Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии пружины. В предположении, что потенциальная энергия недеформированной пружины равна «0» (U 1 = 0) получаем

– потенциальная энергия упругой деформации пружины.

Все темы данного раздела:

Несколько вводных замечаний о предмете физики
Мир, окружающий нас материален: он состоит из вечно существующей и непрерывно движущейся материи. Материей в широком смысле этого слова называется все, что реально существует в природе и м

Механика
Простейшим видом движения материи является механическое движение. ОПРЕДЕЛЕНИЕ: механическое движение – изменение взаимного расположения тел или их частей относительно друг друга в простран

Кинематика движения материальной точки. Характеристики движения
Положение материальной точки M в пространстве в данный момент времени может быть задано радиус-вектором (см. рис

Вектор скорости. Средняя и мгновенная скорость
Движения различных тел различаются тем, что тела за одинаковые промежутки (равные) времени проходят различные по

Путь при неравномерном движении
За малый промежуток времени Dt перемещение графически изображается в виде прямоугольника, высота которого равна

Ускорение при криволинейном движении (тангенциальное и нормальное ускорение)
Если траектория движения материальной точки представляет собой кривую линию, то такое движение мы будем называть криволинейным. При таком движении

Угловая скорость
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Вращательным движением будем называть такое движение, при котором все точки абсолютно твердого тела описывают окружности, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью в

Угловое ускорение
Вектор угловой скорости может изменяться как за счет изменения скорости вращения тела вокруг оси (в этом случае

Связь между линейной и угловой скоростью
Пусть за малый промежуток времени Dt тело повернулось на угол Dj (рис. 2.17). Точка, находящаяся на расстоянии R от оси, проходит при этом путь DS = R×Dj. По определению

Динамика
Раздел механики, исследующий законы и причины, вызывающие движение тел, т.е. изучает движение материальных тел под действием приложенных к ним сил. В основе классической (ньютоновской) мех

закон Ньютона
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Ускорение всякого тела прямо пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально массе тела:

закон Ньютона
Всякое действие тел друг на друга носит характер взаимодействия: если тело M1 действует на тело M2 с некоторой силой f12, то и тело M2 в свою очер

Импульс. Закон сохранения импульса
В механической системе, состоящей из нескольких тел, существуют как силы взаимодействия между телами системы, которые называются внутренними, так и силы взаимодействия этих тел с телами, не входящи

Работа и энергия
Пусть тело, на которое действует сила, проходит, двигаясь по некоторой траектории путь S. При этом сила либо из

Мощность
На практике имеет значение не только величина совершенной работы, но и время, в течение которого она совершается. Из всех механизмов наиболее выгодными являются те, которые за меньшее время выполня

Энергия
Из опыта известно, что тела часто оказываются в состоянии совершать работу над другими телами. ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Физическая величина, характеризующая способность тела или системы тел совершать

Кинетическая энергия тела
Рассмотрим простейшую систему, состоящую из одной частицы (материальной точки). Напишем уравнение движения частицы

Потенциальное поле сил. Силы консервативные и неконсервативные
Если частица (тело) в каждой точке пространства подвержена воздействию других тел, то говорят, что эта частица (тело) находится в поле сил. Пример: 1. Частица вблизи повер

Потенциальная энергия тела в поле сил тяжести (в поле тяготения Земли)
Поле тяготения Земли есть силовое поле, поэтому любое движение тела в силовом поле сопровождается совершением работы силами этого поля. Для определения потенциальной энергии тела, находяще

Потенциальная энергия в гравитационном поле (в поле всемирного тяготения)
Установленный Ньютоном закон всемирного тяготения гласит: ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Гравитационная сила или сила тяготения – это сила, с которой две материальные точки притягивают друг др

Закон сохранения энергии
Без нарушения общности рассмотрим систему, состоящую из двух частиц массами m1 и m2. Пусть частицы взаимодействуют друг с другом с силами

Поступательное движение твердого тела
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Абсолютно твердым телом будем называть такое тело, деформациями которого в условиях рассматриваемой задачи можно пренебречь. или Абсолютно твердым телом

Вращательное движение твердого тела
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Вращательным движением твердого тела будем называть такое движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной и ой же прямой, называемой

Момент импульса тела
Для описания вращательного движения потребуется ещё одна величина, называемая моментом импульса. Снача

Основное уравнение динамики вращательного движения
Рассмотрим систему материальных точек, каждая из которых может перемещаться, оставаясь в одной из плоскостей, проходящих через ось Z (рис. 4.15). Все плоскости могут вращаться вокруг оси Z с углово

Кинетическая энергия вращающегося твердого тела
1. Рассмотрим вращение тела вокруг неподвижной оси Z. Разобьем все тело на множество элементарных масс m

Работа внешних сил при вращательном движении твердого тела
Найдем работу, которую совершают силы при вращении тела вокруг неподвижной оси Z. Пусть на массу действ

Линии и трубки тока
Гидродинамика изучает движение жидкостей, однако ее законы примени- мы и к движению газов. При стационарном тече

Уравнение Бернулли
Будем рассматривать идеальную несжимаемую жидкость, в которой внутреннее трение (вязкость) отсутствует. Выделим

Силы внутреннего трения
Реальной жидкости присуща вязкость, которая проявляется в том, что любое движение жидкости и газа самопроизвольн

Ламинарное и турбулентное течения
При достаточно малой скорости движения жидкости наблюдается слоистое или ламинарное течение, когда слои жидкости скользят относительно друг друга не перемешиваясь. При ламинарном т

Течение жидкости в круглой трубе
При движении жидкости в круглой трубе ее скорость равна нулю у стенок трубы и максимальна на оси трубы. Полагая

Движение тел в жидкостях и газах
При движении симметричных тел в жидкостях и газах возникает сила лобового сопротивления, направленная противоположно скорости движения тела. При ламинарном обтекании шара линии ток

Законы Кеплера
К началу 17 столетия большинство ученых окончательно убедилось в справедливости гелиоцентрической системы мира. Однако ученым того времени не были ясны ни законы движения планет, ни причины, опреде

Опыт Кавендиша
Первой успешной попыткой определения «g» были измерения, осуществленные Кавендишем (1798г.), который применил дл

Напряженность гравитационного поля. Потенциал гравитационного поля
Гравитационное взаимодействие осуществляется через гравитационное поле. Это поле проявляет себя в том, помещенное в него другое тело оказывается под действием силы. Об «интенсивности» гравитационно

Принцип относительности
В разд. 2.1. для механических систем был сформулирован следующий принцип относительности: во всех инерциальных системах отсчета все законы механики одинаковы. Никакими (меха

Постулаты специальной (частной) теории относительности. Преобразования Лоренца
Эйнштейн сформулировал два постулата, лежащие в основе специальной теории относительности: 1. Физические явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Никакими

Следствия из преобразований Лоренца
Самым неожиданным следствием теории относительности является зависимость времени от системы отсчета. Длительность событий в разных системах отсчета. Пусть в некоторой точк

Интервал между событиями
В теории относительности вводят понятие события, которое определяется местом, где оно произошло, и временем, когда оно произошло. Событие можно изобразить точкой в воображаемом четырехмерном

Уравнение гармонического колебательного движения
Пусть на некоторое тело массы “m” действует квазиупругая сила, под действием которой тело приобретает ускорени

Графическое изображение гармонических колебаний. Векторная диаграмма
Сложение нескольких колебаний одинакового направления (или, что то же самое, сложение нескольких гармонических функций) значительно облегчается и становится наглядным, если изображать колебания гра

Скорость, ускорение и энергия колеблющегося тела
Вернемся к формулам для смещения x, скорости v и ускорения a гармонического колебательного процесса. Пусть имеем тело массы «m», которое совершает под действием квазиу

Гармонический осциллятор
Систему, описываемую уравнением, где

Физический маятник
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Физическим маятником будем называть твердое тело, способное совершать колебания вокруг непо

Затухающие колебания
При выводе уравнения гармонических колебаний считалось, что колеблющаяся точка находится под действием только квазиупругой силы. Во всякой реальной колебательной системе всегда имеются силы сопроти

Вынужденные колебания. Резонанс
Для того чтобы система совершала незатухающие колебания, необходимо извне восполнять потери энергии колебаний на трение. Для того, чтобы энергия колебаний системы не убывала обычно вводят силу, пер

Предмет и методы молекулярной физики
Молекулярная физика представляет собой раздел физики, изучающий строение и свойства вещества, исходя и так называемых молекулярно-кинетических представлений. Согласно этим представлениям любое тело

Термодинамическая система. Параметры состояния системы. Равновесное и неравновесное состояние
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Термодинамической системой называется совокупность тел, обменивающихся энергией, как друг с другом, так и с окружающими телами. Примером системы может служить жидкость

Идеальный газ. Параметры состояния идеального газа
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Идеальным газом называется газ, при рассмотрении свойств которого соблюдаются следующие условия: а) соударения молекул такого газа происходят как соударения упругих шаров, размеры

Газовые законы
Если разрешить уравнение состояния идеального газа относительно какого-либо из параметров, н

Физический смысл универсальной газовой постоянной
Универсальная газовая постоянная имеет размерность работы, отнесенной к 1 молю и температуре 1°К.

Основное уравнение кинетической теории газов
Если в предыдущем разделе применялся термодинамический метод исследования, то в этом разделе будет использован статистический метод исследования молекулярных процессов. На основании исследования со

Барометрическая формула. Распределение Больцмана
Давно известно, что давление газа над поверхностью Земли уменьшается с высотой. Атмосферное давление на некотор

Максвелловское распределение молекул по скоростям
В результате столкновений молекулы обмениваются скоростями, а в случае тройных и более сложных столкновений молекула может иметь временно очень большие и очень малые скорости. Хаотичное движение пр

Явления переноса. Длина свободного пробега молекул
В предыдущих разделах мы рассматривали свойства тел, находящихся в тепловом равновесии. Данный раздел посвящен процессам, с помощью которых происходит установление состояния равновесия. Такие проце

Явление диффузии
Диффузией называют процесс взаимного проникновения молекул соприкасающихся веществ, обусловленный тепловым движением. Этот процесс наблюдается в газах, жидкостях и твердых т

Явление теплопроводности и вязкости
Явление теплопроводности вещества определяет многие очень важные технические процессы и широко применяется в разнообразных расчетах. Эмпирическое уравнение теплопроводности было получено французски

Внутренняя энергия идеального газа
Важной величиной в термодинамике является внутренняя энергия тела. Любое тело кроме механической энергии может обладать запасом внутренней энергии, которая связана с механическим движением атомов и

Работа и теплота. Первое начало термодинамики
Внутренняя энергия газа (и другой термодинамической системы) может изменяться в основном за счет двух процессов: совершения над газом работы

Работа газовых изопроцессов
Пусть газ заключен в цилиндрический сосуд, закрытый плотно пригнанным и легко скользящим поршнем (рис.10.3). Пр

Молекулярно-кинетическая теория теплоемкостей
Теплоемкостью тела C называют физическую величину, численно равную количеству тепла, которое необходимо сообщить телу для нагревания его на один градус. Если сообщить телу к

Адиабатический процесс
Наряду с изопроцессами существует адиабатический процесс, широко распространенный в природе. Адиабатическим процессом называют процесс, протекающий без теплообмена с внеш

Круговые обратимые процессы. Цикл Карно
Механические процессы обладают замечательным свойством обратимости. Например, брошенный камень, описав некоторую траекторию, упал на землю. Если его бросить обратно с той же скоростью, то он опишет

Понятие об энтропии. Энтропия идеального газа
Для цикла Карно из формул (10.17) и (10.21) легко получить соотношение Q1 /T1 - Q2 /T2 = 0. (10.22) Величину Q/T называют

Второе начало термодинамики
Понятие энтропии помогло строго математически сформулировать закономерности, позволяющие определить направление тепловых процессов. Огромная совокупность опытных фактов показывает, что для

Статистическое толкование второго начала термодинамики
Состояние макроскопического тела (т.е. тела, образованного огромным числом молекул) может быть задано с помощью объема, давления и температуры. Данное макроскопическое состояние газа с определенным

Уравнение Ван-дер-Ваальса
Поведение реальных газов при их малых плотностях хорошо описывается уравнением Клапейрона:

Критическое состояние вещества
Важное значение уравнения Ван-дер-Ваальса заключается в том, что оно предсказывает особо

Эффект Джоуля-Томсона
В реальном газе между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания. Силы притяжения обусловлены дипольным взаимодействием молекул. Некоторые молекулы могут представлять собой постоянные дипо

Таким образом, потенциальная энергия растянутой пружины

Такое же выражение получается для сжатой пружины.