Московский государственный университет печати. Теорема об изменении кинетической энергии материальной точки Теорему об изменении кинетической энергии механической системы

Данная теорема устанавливает количественную взаимосвязь между работой силы (причиной) и кинетической энергией материальной точки (следствием).

Кинетической энергией материальной точки называется скалярная величина, равная половине произведения массы точки на квадрат ее скорости

. (43)

Кинетическая энергия характеризует то механическое действие силы, которое может превратиться в другие виды энергии, например, в тепловую.

Работой силы на данном перемещении называется характеристика того действия силы, которое приводит к изменению модуля скорости.

Элементарная работа силы определяется как скалярное произведение вектора силы на элементарный вектор перемещения в точке ее приложения

, (44)

где
- элементарное перемещение.

Модуль элементарной работы определяется формулой

где  - угол между вектором силы и вектором элементарного перемещения; - проекция вектора силы на касательную.

Полная работа на некотором конечном перемещении определяется интегралом

. (46)

Из (46) следует, что полная работа может быть вычислена в двух случаях, когда сила постоянная или зависит то перемещения.

При F =const получаем
.

При решении задач часто удобно пользоваться аналитическим способом вычисления силы

где F x , F y , F z – проекции силы на координатные оси.

Докажем следующую теорему.

Теорема : Изменение кинетической энергии материальной точки на некотором ее перемещении равно работе силы, действующей на точку, на том же перемещении.

Пусть материальная точка M массы m движется под действием силы F из положения M 0 в положение M 1 .

ОУД:
. (47)

Введем подстановку
и спроектируем (47) на касательную

. (48)

Разделяем в (48) переменные и интегрируем

В результате получим

. (49)

Уравнение (49) доказывает сформулированную выше теорему.

Теоремой удобно пользоваться, когда среди заданных и искомых параметров присутствуют масса точки, ее начальная и конечная скорость, силы и перемещение.

Вычисление работы характерных сил.

1. Работа силы тяжести вычисляется как произведение модуля силы на перемещение точки ее приложения по вертикали

. (50)

При перемещении вверх работа положительная, при перемещении вниз – отрицательная.

2. Работа упругой силы пружины F =-cx равна

, (51)

где x 0 – начальное удлинение (сжатие) пружины;

x 1 – конечное удлинение (сжатие) пружины.

Работа силы тяжести и упругой силы не зависят от траектории перемещения их точек приложения. Такие силы, работа которых не зависит от траектории, называются потенциальными силами .

3. Работа силы трения .

Так как сила трения всегда направлена в сторону, противоположную направлению перемещения, то ее работа равна

Работа силы трения всегда отрицательная . Силы работа которых всегда отрицательна, называются диссипативными .

Доказанная в § 89 теорема справедлива для любой из точек системы. Следовательно, если рассмотреть какую-нибудь точку системы с массой имеющую скорость то для этой точки будет

где - элементарные работы действующих на точку внешних и внутренних сил. Составляя такие уравнения для каждой из точек системы и складывая их почленно, найдем, что

Равенство (49) выражает теорему об изменении кинетической энергии системы в дифференциальной форме. Проинтегрировав обе части этого равенства в пределах, соответствующих перемещению системы из некоторого начального положения, где кинетическая энергия равна в положение, где значение кинетической энергии становится равным , получим

Это уравнение выражает теорему об изменении кинетической энергии в другой (интегральной) форме: изменение кинетической энергии системы при некотором ее перемещении равно сумме работ на этом перемещении всех приложенных к системе внешних и внутренних сил.

В отличие от предыдущих теорем внутренние силы в уравнениях (49) или (50) не исключаются. В самом деле, если - силы взаимодействия между точками системы (рис. 309), то

Но при этом точка может перемещаться по направлению к а точка - по направлению к Работа каждой из сил будет тогда положительной и сумма работ нулем не будет. Например, при выстреле (см. задачу 127 в § 112) силы давления пороховых газов, являющиеся для системы снаряд - откатывающиеся части внутренними, совершают работу и сообщают скорости телам системы.

Рассмотрим два важных частных случая.

1. Неизменяемая система. Неизменяемой будем называть механическую систему, в которой расстояние между каждыми двумя взаимодействующими точками остается во все время движения постоянным.

Рассмотрим две точки неизменяемой системы действующие друг на друга с силами (см. рис. 309). Тогда, поскольку при движении отрезка должно быть (см. § 55), то и так как - соответственно скорости и элементарные перемещения точек Кроме того, . В результате для суммы элементарных работ этих сил получим

Же получится и для всех других взаимодействующих точек системы. В итоге приходим к выводу, что в случае неизменяемой системы сумма работ всех внутренних сил равна нулю и уравнения (49) или (50) принимают вид

2. Система с идеальными связями. Рассмотрим систему, на которую наложены связи, не изменяющиеся со временем. Разделим все действующие на точки системы внешние и внутренние силы на активные и реакции связей. Тогда уравнение (49) можно представить в виде

где - элементарная работа действующих на точку системы внешних и внутренних активных сил, а - элементарная работа реакций, наложенных на ту же точку внешних и внутренних связей.

Как видим, изменение кинетической энергии системы зависит от работы и активных сил и реакций связей. Однако можно ввести понятие о таких «идеальных» механических системах, у которых наличие связей не влияет на изменение кинетической энергии системы при ее движении. Для таких связей должно, очевидно, выполняться условие

Если для связей, не изменяющихся со временем, сумма работ всех реакций при элементарном перемещении системы равна нулю, то такие связи являются идеальными Укажем ряд известных нам видов идеальных связей.

В § 89 было установлено, что если связью является неподвижная поверхность (или кривая), трением о которую можно пренебречь, то при скольжении тел вдоль такой поверхности (кривой) работа реакции N равна нулю. Затем в § 122 показано, что если пренебречь деформациями, то при качении без скольжения тела по шероховатой поверхности работа нормальной реакции N и силы трения (т. е. касательной составляющей реакции) равна нулю. Далее, работа реакции R шарнира (см. рис. 10 и 11), если пренебречь трением, будет также равна нулю, поскольку точка приложения силы R при любом перемещении системы остается неподвижной. Наконец, если на рис. 309 материальные точки рассматривать как связанные жестким (нерастяжимым) стержнем то силы будут реакциями стержня; работа каждой из этих реакций при перемещении системы не равна нулю, но сумма этих работ по доказанному дает нуль. Таким образом, все перечисленные связи можно с учетом сделанных оговорок считать идеальными.

Для механической системы, на которую наложены только не изменяющиеся со временем идеальные связи, будет

Таким образом, изменение кинетической энергии системы с идеальными, не изменяющимися со временем связями при любом ее перемещении равно сумме работ на этом перемещении приложенных к системе внешних и внутренних активных сил.

Все предыдущие теоремы позволяли исключить из уравнений движения внутренние силы, но все внешние силы, в том числе и наперед неизвестные реакции внешних связей, в уравнениях сохранялись. Практическая ценность теоремы об изменении кинетической энергии состоит в том, что при не изменяющихся со временем идеальных связях она позволяет исключить из уравнений движения все наперед неизвестные реакции связей.

механической системы

Кинетической энергией механической системы называется арифметическая сумма кинетических энергий всех ее материальных точек

Вычисление кинетической энергии твердого тела

1. Поступательное движение

Как известно, при поступательном движении скорости всех точек тела в один и тот же момент времени равны, тогда (83) можно представить в виде

. (84)

При поступательном движении тела, его кинетическая энергия равна половине произведения массы на квадрат скорости центра масс.

2. Вращательное движение твердого тела

При вращательном движении скорость каждой точки тела

. (85)

Подставим (85) в (83):

.

Принимая во внимание (59), получим

. (86)

При вращательном движении кинетическая энергия равна половине произведения момента инерции тела относительно оси вращения на квадрат угловой скорости.

3 . Плоское движение

Плоское движение можно представить как вращение относительно полюса (например, центра масс) и движения вместе с полюсом, тогда

. (87)

Кинетическая энергия тела при плоском движении равна сумме кинетических энергий от поступательного движения вместе с центром масс и вращательного движения относительно центра масс.

Теорема: Изменение кинетической энергии механической системы на некотором ее перемещении равно сумме работ всех внутренних и внешних сил системы на том же перемещении

. (88)

Замечания :

1. Введенная величина кинетической энергии системы в отличие от количества движения системы и кинетического момента является скалярной величиной. При этом:

Q =0 при вращательном движении и покое;

K O =0 при поступательном движении или покое;

T

Таким образом, в отличие от теоремы об изменении количества движения и кинетического момента, данная теорема пригодна для изучения любого вида движения, так как T =0 только для неподвижной системы.

2. В отличие от упомянутых теорем данная теорема учитывает действие внутренних сил системы.

Некоторые случаи вычисления работы

1. Работа момента силы M Z относительно оси равна произведению момента на угол поворота  тела относительно оси

. (89)

2. Сумма работ внутренних сил абсолютно твердого тела (недеформируемого) всегда равна нулю.

3. Работа момента трения качения
.

,

где  - коэффициент трения качения;

R – радиус цилиндра;

s – длина дуги, равная отрезку пути, пройденного центром масс C вдоль поверхности;


- угол поворота осей цилиндра в процессе движения;

N – нормальная реакция поверхности;

P – сила тяжести;

F тр – сила трения скольжения.

Дифференциальные уравнения поступательного, вращательного и плоского движения твердого тела

1. Поступательное движение

При поступательном движении все точки тела движутся по одинаковым траекториям и в один и тот же момент времени имеют одинаковые ускорения. Тогда для описания движения можно использовать теорему о движении центра масс (67). Проектируем это уравнение на координатные оси

Система (90) представляет собой дифференциальные уравнения поступательного движения твердого тела.

2. Вращательное движение

Пусть твердое тело совершает вращение относительно оси под действием сил. Динамической характеристикой вращательного движения твердого тела является кинетический моментK z , а характеристикой вращательного действия силы  момент силы относительно оси. Поэтому для описания вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси воспользуемся теоремой об изменении кинетического момента (81)

. (91)

При вращательном движении
, тогда

,

учитывая, что I z =const, в итоге получим

. (92)

Уравнение (92) представляет собой дифференциальное уравнение вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси.

Найденный угол  будет определять положение тела, совершающего вращательное движение, в любой момент времени.

3. Плоское движение

Положение тела, совершающего плоское движение, в любой момент времени определяется положением полюса и углом поворота тела относительно полюса. Если за полюс принять центр масс тела, то уравнение его движения можно найти по теореме о движении центра масс (67), а вращательное движение относительно центра будет определяться уравнением (92), справедливым и для движения системы относительно оси, проходящей через центр масс. Тогда дифференциальные уравнения плоского движения твердого тела имеют вид

2.4.1. Кинетическая энергия механической системы. Кинетической энергией материальной точки массы , движущейся со скоростью , называют величину

Кинетической энергией механической системы называют сумму кинетических энергий включенных в эту систему материальных точек:

В тех случаях, когда масса системы распределена непрерывно, суммирование в выражении (7) заменяют интегрированием по области распределения.

Связь между значениями кинетической энергии механической системы в двух системах отсчета, одна из которых неподвижна, а другая движется поступательно со скоростью , где точка С – центр масс механической системы, дает теорема Кенига:

. (8)

Здесь - кинетическая энергия механической системы в подвижной системе координат.

Использование выражений (6, 7, 8) позволяет записать формулы для вычисления кинетической энергии твердого тела:

При поступательном движении тела массой со скоростью

При вращении с угловой скоростью вокруг неподвижной оси тела с моментом инерции

при плоскопараллельном движении твердого тела с угловой скоростью при значении центрального момента инерции относительно оси, перпендикулярной плоскости движения, и значении момента инерции относительно мгновенной оси вращения

. (11)

2.4.2. Энергетические характеристики . К энергетическим характеристикам силы относят ее мощность, работу и потенциальную энергию.

Мощностью силы , точка приложения которой движется со скоростью , называют величину

Работа силы на элементарном интервале времени и соответствующем этому промежутку времени элементарному смещению точки приложения определяется по правилу

Работой силы на конечном интервале времени и соответствующем изменении радиуса – вектора точки приложения этой силы от до называют величину

. (14)

Работа момента пары сил вычисляется аналогично.

Потенциальная энергия определена только в тех случаях, когда выражение (13) представляет собой полный дифференциал :

При выполнении условия (15) говорят, что сила потенциальна. Соотношения, связывающие проекции силы на оси выбранной координатной системы с функцией :

Если точка приложения силы переместилась из положения в положение , то путем интегрирования (15) можно получить

. (17)

Замечание: потенциальная энергия определена с точностью до постоянного слагаемого; отмеченная особенность позволяет полагать потенциальную энергию равной нулю в выбираемой нами точке (например, в начале координат).

В том случае, когда для совокупности сил, действующих на механическую систему, можно записать выражение потенциальной энергии , механическую систему называют консервативной . Такие механические системы обладают важными особенностями – работа действующих сил не зависит от вида траектории и закона движения по ней; работа при движении по замкнутому контуру равна нулю.

Условия, при выполнении которых существует функция :

2.4.3. Теорема об изменении кинетической энергии. Запись теоремы об изменении кинетической энергии механической системы в дифференциальной форме:

Производная по времени от кинетической энергии механической системы равна мощности внешних и внутренних сил.

Интегральная форма записи теоремы об изменении кинетической энергии

, (20)

где ; ; ; .

В частном случае, когда для совокупности внешних и внутренних сил системы можно записать выражение потенциальной энергии, выполняется закон сохранения полной механической энергии

а сама система оказывается консервативной.

ПРИМЕР 3. Для механической системы, изображенной на рис.2, получить дифференциальное уравнение движения груза.

РЕШЕНИЕ. Воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии в дифференциальной форме (19). Мысленно освободимся от связей, приложив к телам механической системы соответствующие реакции (см.рис.2). Замечание: силы, приложенные в неподвижном центе масс соосного блока не изображены, так как их мощность равна нулю.

Составим выражение для кинетической энергии механической системы.

Кинетическая энергия механической системы - это сумма кинетических энергий всех ее материальных точек:

Вычислим дифференциал от выражения кинетической энергии и выполним некоторые простые преобразования:

Опуская промежуточные значения и применяя ранее введенный для обозначения элементарной работы символ , запишем:

Итак, дифференциал кинетической энергии механической системы равен сумме элементарных работ всех внешних и внутренних сил, действующих на точки системы. В этом и состоит содержание теоремы об изменении кинетической энергии.

Заметим, что сумма работ внутренних сил системы в общем случае не равна нулю. Она обращается в нуль только в некоторых частных случаях: когда системой служит абсолютно твердое тело; система абсолютно твердых тел, взаимодействующих при помощи не-деформируемых элементов (идеальных шарниров, абсолютно твердых стержней, нерастяжимых нитей и т.п.). По этой причине теорема об изменении кинетической энергии является единственной из общих теорем динамики, которая учитывает эффект действия внутренних сил.

Можно интересоваться изменением кинетической энергии не за бесконечно малый промежуток времени, как это делается выше, а за некоторый конечный промежуток времени . Тогда при помощи интегрирования можно получить:

Здесь - значения кинетической энергии соответственно в моменты времени - суммы полных работ внешних и внутренних сил за рассматриваемый промежуток времени.

Полученное равенство выражает теорему об изменении кинетической энергии в конечной (интегральной) форме, которая может быть сформулирована так: изменение кинетической энергии при переходе механической системы из одного положения в другое равно сумме полных работ всех внешних и внутренних сил.