Wykład 5: Praca i Energia. Matematyka Stosowana

Podobne dokumenty
Podstawy fizyki sezon 1 III. Praca i energia

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

Podstawy fizyki. Wykład 2. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Praca, moc, energia INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

Podstawy fizyki. Wykład 2. Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Praca w języku potocznym

Siły zachowawcze i energia potencjalna. Katarzyna Sznajd-Weron Mechanika i termodynamika dla matematyki stosowanej 2017/18

Siły zachowawcze i energia potencjalna. Katarzyna Sznajd-Weron Mechanika i termodynamika dla matematyki stosowanej 2017/18

Fizyka 5. Janusz Andrzejewski

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

Zasady dynamiki Newtona

Wykład FIZYKA I. 5. Energia, praca, moc. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

MECHANIKA II. Praca i energia punktu materialnego

Podstawy fizyki sezon 1 V. Pęd, zasada zachowania pędu, zderzenia

v p dr dt = v dr= v dt

Praca, moc, energia. 1. Klasyfikacja energii. W = Epoczątkowa Ekońcowa

Podstawowy problem mechaniki klasycznej punktu materialnego można sformułować w sposób następujący:

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

PODSTAWY FIZYKI - WYKŁAD 3 ENERGIA I PRACA SIŁA WYPORU. Piotr Nieżurawski. Wydział Fizyki. Uniwersytet Warszawski

Prawo zachowania energii

Elektrostatyczna energia potencjalna U

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

FIZYKA. Wstęp cz.2. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

MECHANIKA 2. Praca, moc, energia. Wykład Nr 11. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Zasada zachowania energii

Kto wykonał większą pracę?

Siły zachowawcze i niezachowawcze. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

PRACA. MOC. ENERGIA. 1/20

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

Fizyka. Kurs przygotowawczy. na studia inżynierskie. mgr Kamila Haule

Opis ruchu obrotowego

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Układy cząstek i bryła sztywna. Matematyka Stosowana

Zasada zachowania energii

III Zasada Dynamiki Newtona. Wykład 5: Układy cząstek i bryła sztywna. Przykład. Jak odpowiesz na pytania?

Podstawy fizyki wykład 4

I ZASADA DYNAMIKI. m a

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Elementy dynamiki klasycznej - wprowadzenie. dr inż. Romuald Kędzierski

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Pole grawitacyjne*

PRACA Pracą mechaniczną nazywamy iloczyn wartości siły i wartości przemieszczenia, które nastąpiło zgodnie ze zwrotem działającej siły.

MiBM sem. III Zakres materiału wykładu z fizyki

Wykład 7: Układy cząstek. WPPT, Matematyka Stosowana

Podstawy fizyki wykład 4

2.9. Zasada zachowania pędu (w układach izolowanych)

Wektor położenia. Zajęcia uzupełniające. Mgr Kamila Rudź, Podstawy Fizyki.

Czytanie wykresów to ważna umiejętność, jeden wykres zawiera więcej informacji, niż strona tekstu. Dlatego musisz umieć to robić.

3. Zadanie nr 21 z rozdziału 7. książki HRW

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

2.3. Pierwsza zasada dynamiki Newtona

FIZYKA I ASTRONOMIA RUCH JEDNOSTAJNIE PROSTOLINIOWY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE OPÓŹNIONY

Zakład Dydaktyki Fizyki UMK

Rozdział 4. Praca i energia

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Energia kinetyczna i praca. Energia potencjalna

Potencjalne pole elektrostatyczne. Przypomnienie

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

Wykład FIZYKA I. 3. Dynamika punktu materialnego. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Zasada zachowania energii

TEORIA DRGAŃ Program wykładu 2016

Podstawy fizyki. Wykład 3. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

Podstawy fizyki sezon 1 IV. Pęd, zasada zachowania pędu

Ruch jednowymiarowy. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Wykład Energia kinetyczna potencjalna 4.2. Praca i moc 4.3. Zasady zachowania DYNAMIKA

Materiały pomocnicze 5 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

ZADANIA PRACA, MOC, ENREGIA

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Pole grawitacyjne*

y(t) = y 0 + R sin t, t R. z(t) = h 2π t

Całki krzywoliniowe skierowane

MECHANIKA 2. Zasady pracy i energii. Wykład Nr 12. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Oddziaływania. Wszystkie oddziaływania są wzajemne jeżeli jedno ciało działa na drugie, to drugie ciało oddziałuje na pierwsze.

SZCZEGÓŁOWE WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI KLASA II

MECHANIKA 2. Zasady pracy i energii. Wykład Nr 12. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Zasada zachowania energii

Praca. Siły zachowawcze i niezachowawcze. Pole Grawitacyjne.

Zasady dynamiki Newtona. dr inż. Romuald Kędzierski

ZASADY DYNAMIKI. Przedmiotem dynamiki jest badanie przyczyn i sposobów zmiany ruchu ciał.

Dynamika ruchu postępowego, ruchu punktu materialnego po okręgu i ruchu obrotowego bryły sztywnej

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 4 26.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Całki krzywoliniowe wiadomości wstępne

SIŁA JAKO PRZYCZYNA ZMIAN RUCHU MODUŁ I: WSTĘP TEORETYCZNY

Wykład 2. Kinematyka. Podstawowe wielkości opisujące ruch. W tekście tym przedstawię podstawowe pojecia niezbędne do opiosu ruchu:

Energia potencjalna pola elektrostatycznego ładunku punktowego

PRACA I ENERGIA ENERGIA A PRACA

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

Podstawy fizyki sezon 1 V. Ruch obrotowy 1 (!)

Podstawy fizyki sezon 1 II. DYNAMIKA

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

Fizyka 4. Janusz Andrzejewski

Zasady dynamiki Newtona. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Zasady zachowania. Fizyka I (Mechanika) Wykład V: Zasada zachowania pędu

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Kinematyka, Dynamika, Elementy Szczególnej Teorii Względności

Przedmiot: Fizyka PRACA I ENERGIA. Wykład 5, 2016/2017 1

Treści dopełniające Uczeń potrafi:

Zasady zachowania. Fizyka I (Mechanika) Wykład VI:

Transkrypt:

Wykład 5: Praca i Energia Matematyka Stosowana

Praca w codziennym życiu Czynności w codziennym życiu: Podnosisz pudło z książkami Popychasz zepsute auto Co dokładnie robisz? Działasz z pewną siłą Ciało się przemieszcza Pracujesz ciężej jeśli: Pchasz mocniej (siła!) Przesuwasz dalej

Definicja pracy w fizyce przy stałej sile Bazując na codziennych obserwacjach: W തF sҧ Siła i przesunięcie to wektory! Praca to skalar! Jednostką SI jest joule: 1J = 1N 1m Iloczyn skalarny! Działasz siłą skierowaną wzdłuż kierunku przesunięcia s: W=Fs

Co jeśli siła nie jest równoległa do przesunięcia? Pamiętaj, że praca to skalar! W = തF ҧ s = F x s x + F y s y + F z s Z Rozłóż siłę na składowe Wkład do iloczynu skalarnego ma tylko składowa równoległa do przesunięcia!

Całkowita praca Kilka sił działa na ciało Możesz policzyć niezależnie pracę od każdej siły a potem zsumować Alternatywnie możesz policzyć wypadkową siłę (sumę sił) i wtedy policzyć pracę W tot = തF sҧ

Przykład: Pracę wykonuje ktoś/coś nad kimś/czymś! Siłacz opuszcza sztangę Siłacz działa siłą skierowaną do góry inaczej sztanga upadłaby z hukiem na podłogę! Siłacz wykonuje pracę nad sztangą W = തF s ҧ < 0

Praca potocznie vs. fizycznie. Praca równa zero? Siłacz działa z pewną siłą ale nie podnosi dalej sztangi przesunięcie =0 Siła potrzebna do zrównoważenia ciężaru sztangi Siłacz nie wykonuje pracy? Czy to się zgadza z potocznym rozumieniem pracy?

Praca potocznie nie zgadza się z definicją fizyczną? Opierasz się z całej siły o ścianę, a ona ani drgnie A ty się pocisz! Włókna mięśniowe pod mikroskopem. Mają one możliwość kurczenia się i dzięki temu nasze mięśnie (szkieletowe) mogą działać z pewną siłą na ścięgna. Ta siła jest szacowana na ok. 0.3N/mm 2.

Praca potocznie vs. fizycznie To nie jest prawda, ze nie wykonałeś pracy! Tu nie ma stałej siły (uwaga wektor)! W തF sҧ Praca po zamkniętym obszarze = 0 tylko dla sił zachowawczych (potencjalnych)! Czy Syzyf nie wykonał żadnej pracy? Tarcie nie jest zachowawcze! Opór też nie!

A jeśli siła nie jest stała? Zacznijmy od ruchu prostoliniowego Obliczmy pracę na małym odcinku W a = F ax Δx a Całkowita praca (przybliżona): W = F ax Δx a + F bx Δx b +F cx Δx c + Czyli w granicy: x 2Fx W = න (x)dx x 1

Przykład: stała siła x 2 x 2dx W = න Fx (x)dx = F x න = Fx x 2 x 1 x 1 x 1 = Fs Czyli otrzymaliśmy faktycznie naszą starą definicję!

Przykład: rozciąganie sprężyny Żeby rozciągnąć sprężynę trzeba zadziałać siłą: F x (x) = kx X W = න 0 X F x (x)dx = න 0 kxdx = 1 2 kx2 Empiryczne prawo Hooke a (1678) stała sprężystości

Ogólna definicja pracy (wzdłuż ścieżki) P 2 dw = ԦF dԧl W = න ԦF dԧl P 1 P 1 P 2

Przykład: Całka krzywoliniowa wzdłuż pewnej krzywej Oblicz pracę wykonaną przez siłę ԦF = y 2 x + 2x(y + 1) y od a do b wzdłuż ścieżki (1) i (2). Z definicji: W = a b ԦF dԧl Co to jest dԧl? Infinitezymalne przesunięcie: x, y, z x + dx, y + dy, z + dz dԧl = dx x + dy y + dzzƹ dԧl = (dx, dy, dz) niektórzy wolą taką notację y 2 1 a (2) (i) 1 2 b (ii) (1) x

EX: F = y 2 x + 2x y + 1 y, W = a b F d Ԧl (i) dy = dz = 0, z = 0, y = 1 dԧl = dx x, ԦF dԧl = y 2 dx = dx W i = න 1 2 dx = 2 1 = 1 (ii) dx = dz = 0, z = 0, x = 2 dԧl = dy y, ԦF dԧl = 2x y + 1 dy = 4 y + 1 dy W ii = න 1 2 4 y + 1 dy = 2y 2 2 + 4yቚ = 16 6 = 10 1 y 2 1 a (2) (i) 1 2 b (ii) (1) x

Przykład: Całka krzywoliniowa wzdłuż pewnej krzywej ԦF = y 2 x + 2x(y + 1) y dԧl = dx x + dy y + dzzƹ (2) dz = 0, x = y, dx = dy dԧl = dx x + dy y = dx x + dx y y 2 1 a (2) (i) 1 2 b (ii) (1) x ԦF dԧl = y 2 dx + 2x y + 1 dx = x 2 dx + 2x x + 1 dx W 2 2 = 1 3x 2 + 2x 2 = 10 W (1) ta siła nie jest zachowawcza!

Praca i Energia kinetyczna Cząstka (punkt materialny) porusza się pod wpływem stałej siły ԦF = (F x, 0,0) wzdłuż osi x Z drugiego prawa dynamiki Newtona: F x = ma x Szybkość zmienia się od v 1 do v 2 przy przesunięciu z x 1 do x 2 Związek pomiędzy pracą a energią kinetyczną

Ruch wzdłuż osi x z a x = const a x = dv v x t x dt න dv x = a x න v 0x v x = v 0x + a x t v x = dx x dt න x 0 0 dt t = v x v 0x a x dx = න(v 0x + a x t )dt x = x 0 + v 0x t + 1 2 a xt 2 = x 0 + v x 2 v 0x 2 2a x 0 t

Energia kinetyczna x x 0 = v x 2 2 v 0x a 2a x = v x 2 2 v 0x x 2 x x 0 Pomnóżmy obustronnie przez m(x x 0 ): ma x x x 0 = m v x 2 2 v 0x = mv x 2 2 2 mv 2 0x 2 Z drugiej zasady dynamiki Newtona: F x = ma x F x x x 0 = mv x 2 2 mv 2 0x 2 W tot = K 1 K 0, K 1 mv 1 2 2

Twierdzenie o pracy i energii Praca wykonana na punkcie materialnym przez całkowitą siłę równa się zmianie energii kinetycznej cząstki: W tot = K 1 K 0 Wobec tego jednostką energii kinetycznej też powinien być Joule, sprawdźmy: K mv2 2 kg m2 kg m = s2 s 2 m = N m = J

Energia kinetyczna Energia kinetyczna jest skalarem nie zależy od kierunku ruchu ciała K mv2 2 Użyliśmy II zasady dynamiki Newtona do wyprowadzenia W tot = K 1 K 0 Równość prawdziwa tylko w układach inercjalnych

Znaczenie energii kinetycznej Na początku ciało spoczywa tzn. v 0 = 0 K 0 = 0 W tot = K 0 Jak to odczytać? Energia kinetyczna obiektu jest równa całkowitej pracy, która została wykonana aby przyśpieszyć, spoczywający początkowo, obiekt do jego obecnej prędkości.

Przykład Na początku oba bojery są w stanie spoczynku Działa na nie taka sama siła wiatru Który bojer będzie miał na finiszu większą energię kinetyczną? Czy potrafisz odpowiedzieć korzystając z definicji energii kinetycznej? K mv2 2

Przykład: Rozumowanie z def. m 1 = 2m > m = m 2 K 1 > K 2? K mv2 2 Ale a = F m a 1 < a 2 v 1 < v 2 K 1 < K 2? To jak to rozstrzygnąć?

Przykład skorzystajmy z twierdzenia Pamiętaj, że W tot = K 0 = Fs Na obie łódki działa ta sama siła wiatru Obie przebywają ten sam dystans Siła wiatru wykonała w obu przypadkach tą samą pracę! Na finiszu obie łódki mają taką samą energię kinetyczną!

Twierdzenie o pracy i energii dla zmiennych sił w ruchu prostoliniowym Dla stałej siły mieliśmy: W tot = K 2 K 1 To samo twierdzenie jest prawdziwe w przypadku gdy siła nie jest stała Jak to pokazać? a x = dv x dt = dv x dt dx dx = dv x dx dx dt = dv x dx v x x 2 x 2 x 2 W tot = න F x dx = න ma x dx = න m dv x dx v xdx = x 1 x 1 x 1

Zmienna siła w ruchu po krzywej Dotychczas mieliśmy: x 2Fx W = න (x)dx dw = F x (x)dx x 1 Teraz siła zmienia długość i kierunek: dw = F II dl = തF ഥdl Twierdzenie W tot = K 2 K 1 jest nadal prawdziwe!

Moc definicja ΔW P lim Δt 0 Δt = dw dt F = Ԧ dԧl = ԦF Ԧv dt Hania P = dw dt Zosia P śr ΔW Δt = F Δr Δt = F v śr Sprzątaczka Zosia ma dwa razy większą moc od Hani - tę samą pracę wykonuje w dwa razy krótszym czasie.

Moc - definicja Definicja pracy nie odnosi się do czasu Chcielibyśmy mieć jakąś miarę pracy w określonym czasie Moc średnia: Moc: P lim Jednostka watt: W=J/s P av ΔW Δt Δt 0 ΔW Δt = dw dt

Energia potencjalna Pływak skacze na główkę do basenu i uderza w wodę Skacze z wysoka K duża Siła grawitacji wykonuje pracę, W tot = K 2 K 1 Można jednak myśleć o tym inaczej Koncepcja energii potencjalnej http://www.elipsa.at/dla-ochlody-skok-do-wody/

Grawitacyjna energia potencjalna Wykonujesz pracę, żeby podnieść kamień Magazynujesz energię w kamieniu Może być ona potem uwolniona przy spadku Koncepcja energii związanej z położeniem ciała Praca wykonana przez siłę grawitacji przy spadku ciała z y 1 do y 2 Przesunięcie s = y k y 0 = y 2 y 1 < 0

Grawitacyjna energia potencjalna W = Fs = mg y 2 y 1 = mg y 1 y 2 = mgy 1 mgy 2 U 1 U 2 W = U 1 U 2 = U 2 U 1 = ΔU Kiedy ciało jest podnoszone praca wykonywana przez siłę grawitacji W < 0 ΔU > 0 (bo y 1 y 2 < 0) Kiedy ciało opada praca wykonywana przez siłę grawitacji W > 0 ΔU < 0 (bo y 1 y 2 < 0)

Zasada zachowania energii (siła grawitacji) Z twierdzenia o energii i pracy: W tot = ΔK = K 2 K 1 Jeśli działa wyłącznie siła grawitacji to pokazaliśmy, że: W tot = W = ΔU Wobec tego: ΔK = ΔU K 2 K 1 = (U 2 U 1 ) K 2 + U 2 = K 1 + U 1 Całkowita mechaniczna energia układu jest zachowana! W tot = ΔK = K 2 K 1 dla układu inercjalnego!!!

Zasada zachowania energii (siła grawitacji) Bardzo użyteczna zasada Możesz wybrać poziom zero tam gdzie ci wygodnie Ważna jest zmiana wysokości

Potencjalna energia sprężystości Praca wykonana na sprężynie: x 2 W = න Fx dx = 1 x 1 2 kx 2 2 1 2 kx 1 2 = ΔU Zasada zachowania energii działa: mv 1 2 K 1 + U 1 = K 2 + U 2 2 2 + kx 1 2 = mv 2 2 + kx 2 2 2 2

Czy energia jest zawsze zachowana? Siła oporu wykonuje ujemną pracę na skoczku Prędkość graniczna energia kinetyczna się nie zmienia! Potencjalna energia maleje Całkowita energia maleje! Jeśli naszym układem jest skoczek to energia nie jest zachowana!

Czy energia jest zawsze zachowana? W tot = W op + W graw = K 2 K 1 to zawsze prawda w układach inercjalnych W graw = ΔU graw = U 1,graw U 2,graw W op + U 1,grav U 2,grav = K 2 K 1 W op + K 1 + U 1,grav = K 2 + U 2,grav Praca wykonana przez siłę niepotencjalną (niezachowawczą)!

Siły zachowawcze (potencjalne) Przykłady: grawitacji, sprężystości Praca dla takich sił: Jest odwracalna Może być wyrażona jako różnica energii potencjalnych stanu początkowego i końcowego Nie zależy od drogi tylko od stanu początkowego i końcowego Jeśli punkt początkowy i końcowy jest ten sam to całkowita praca jest zero.

Siły niezachowawcze (dysypatywne) Przykłady: tarcie, opory Praca dla takich sił nie może być przedstawiona przy pomocy potencjału Jest nieodwracalna (zwykle straty energii) Zależy od drogi Nie jest równa zero po pętli Nie ma zasady zachowania energii Trudno sobie z nimi poradzić!

To nie jest prawda, ze nie wykonałeś pracy! Praca po zamkniętym obszarze = 0 tylko dla sił zachowawczych (potencjalnych)! Tarcie nie jest zachowawcze! Opór też nie! Czy Syzyf nie wykonał żadnej pracy? Tarcie nie jest zachowawcze! Opór też nie!

Siła i potencjał w 1D To już było: W = ΔU Ale również F x x Δx = ΔU jeśli Δx małe Wobec tego dla małych przesunięć: F x x = ΔU Δx W granicy nieskończenie małych przesunięć: F x x = du dx

Co jeśli siła jest 3D? Pole sił ԦF(Ԧr) jest zachowawcze jeśli może być przedstawione w postaci: ԦF Ԧr = grad V Ԧr V Ԧr - potencjał ԦF(Ԧr), skalarna funkcja grad V V V x x + V y V y + z zƹ V x, V y, V z W A B; C = න Fd Ԧr = න grad Vd Ԧr = න dv = V A V B C C C

Czy siła F = 2x, 2y, 2z jest zachowawcza? V x = 2x V = x2 + p y, z V y = 2y V = y2 + q x, z V z = 2z V = z2 + r x, y Czyli istnieje potencjał: ԦF = grad V = grad(x 2 + y 2 + z 2 ) Można to zrobić łatwiej