Графическое представление энергии

Во многих задачах рассматривается одномерное движение тела, потенциальная энергия которого является функцией лишь одной переменной (например, координаты х), т. с. П = П (х). График зависимости потенциальной энергии от некоторого аргумента назы­вается потенциальной кривой движения тела.

Будем рассматривать только консервативные системы, т. е. системы, в которых взаимные превращения механической энергии в другие виды отсутствуют. Тогда справедлив закон сохранения энергии в форме (13.3). Рассмотрим графическое пред­ставление потенциальной энергии для тела в однородном поле тяжести и для уп-ругодеформированного тела.

Потенциальная энергия тела массой т, поднятого на высоту А над поверхностью Земли, согласно (12.7), П (h) = mgh. График данной зависимости П = П (h) прямая линия, проходящая через начало координат (рис. 15), угол наклона которой к оси А тем больше, чем больше масса тела (так как tg a=mg).

Пусть полная энергия тела равна Е (ее график — прямая, параллельная оси А). На высоте h тело обладает потенциальной энергией П, которая определяется отрезком вертикали, заключенным между точкой А на оси абсцисс и графиком П (h). Естествен­но, что кинетическая энергия Т задается ординатой между графиком П (h) и горизон­тальной прямой ЕЕ. Из рис. 15 следует, что если А = А_max, то Т=0 и П = E=mgh_mtx,T. e. потенциальная энергия становится максимальной и равной полной энергии.

Из приведенного графика можно найти скорость тела на высоте А:

Откуда

Зависимость потенциальной энергии упругой деформации от деформации

х имеет вид параболы (рис. 16), где график заданной полной энергии тела Е — прямая,

параллельная оси абсцисс х, а значения Т и П определяются так же, как на рис. 15. Из рис. 16 следует, что с возрастанием деформации х потенциальная энергия тела воз­растает, а кинетическая — уменьшается. Абсцисса х_max определяет максимально воз­можную деформацию растяжения тела, а — x_max — максимально возможную дефор­мацию сжатия тела. Если х= ±х_max, то т. е. потенциальная энергия становится максимальной и равной полной энергии.

Из анализа графика на рис. 16 вытекает, что при полной энергии тела, равной Е, тело не может сместиться правее x_max и левее -Х_max так как квиетическая энергия не может быть отрицательной н, следовательно, потенциальная энергия не может быть больше полной энергии. В таком случае говорят, что тело находится в потенциальной име с координатами

В общем случае потенциальная кривая может иметь довольно сложный вид, например с несколькими чередующимися максимумами и минимумами (рис. 17). Проанализируем эту потенциальную кривую. Если Е — заданиня полная энергия частицы, то частица может находиться только там, где П (х)<E, т. е. в областях / и ///. Переходить из области I в III и обратно частица не может, так как ей препятствует потенциальный барьер CDG, ширина которого равна интервалу значе­ний х, при которых Е < П, а его высота определяется разностью П_max -E. Для того чтобы частица смогла преодолеть потенциальный барьер, ей необходимо сообщить дополнительную энергию, равную высоте барьера или превышающую ее. В области / частица с полной энергией Е оказывается «запертой» в потенциальной яме А ВС и совершает колебания между точками с координатами х_А и х_с.

В точке В с координатой х₀ (рис. 17) потенциальная энергия частицы минимальна.

Так как действующая на частицу сила (см. § 12) — функция только одной

координаты), а условие минимума потенциальной энергии то в точке В — F_x= 0.

При смещении частицы из положения хо (и влево и вправо) она испытывает действие возвращающей силы, поэтому положение х₀ является положением устойчавого равнове­сия. Указанные условия выполняются и для точки х₀ (для П_max). Однако эта точка соответствует положению неустойчивого равновесия, так как при смещении частицы из положения X₀ появляется сила, стремящаяся удалить ее от этого положения.

§ 15. Удар абсолютно упругих и неупругих тал

---

Дата добавления: 2015-07-16