Siły konserwatywne: co to jest i dlaczego ma znaczenie (z przykładami)

Kiedy ktoś podnosi filiżankę kawy ze stołu, pracujeprzeciw grawitacji​​.Gdy kubek nie leży już na stole, lecz w powietrzu, gromadzi energię potencjalną. Jeśli puści, upadnie.

Siła grawitacji jest przykładem aKonserwatywna siła. Inne siły wokół nas podobnie magazynują energię w systemie, utrzymując obiekty w określonej konfiguracji, która spowoduje ruch, przekształcając zmagazynowaną energię w energię kinetyczną po uwolnieniu.

Całkowita energia kinetyczna i potencjalna w systemie jest określana jako całkowita energia mechaniczna systemu. Całkowita energia to suma energii mechanicznej, cieplnej i innych form energii.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Siły zachowawcze powodują zmagazynowaną energię potencjalną.

Definicja siły konserwatywnej

Spójrz jeszcze raz na tę filiżankę kawy. Czy kubek jest podrzucany w górę powyżej talii osoby, zanim zostanie złapany w ręce na wysokości talii, czy też jest po prostu unoszony prosto do wysokości pasa, ilość potencjalnej energii grawitacyjnej, którą kielich zawiera na końcu, pozostaje na podobnie. Będzie miał taki sam spadek, jeśli spadnie z wysokości talii w obu przypadkach.

Innymi słowy, ilość energii potencjalnej, jaką obiekt uzyskuje z doświadczenia siły zachowawczej, wynosiniezależny od ścieżki: to zależy tylko od obiektuprzemieszczenie końcowe (różnica między pozycją końcową a pozycją początkową), a nie całkowitą przebytą odległość. Podczas gdy w pierwszym przypadku puchar podróżowałdalej w sumiez punktu a do punktu b – poruszanie się w górę, natychmiastowe zatrzymywanie, a następnie opadanie do rąk to złapało – nadal zaczynało się i kończyło w tych samych pozycjach, co puchar, który po prostu podniesiono w górę. To powoduje całkowitą zmianę energii potencjalnej potentialod siły grawitacjidla każdej filiżanki to samo.

W przeciwieństwie do tego, siła niekonserwatywna nie skutkuje zmagazynowaną energią. Zamiast tego energia wykorzystywana przez niekonserwatywną siłę do pracyrozprasza się do otaczającego środowiska jako ciepło (energia cieplna) i nie mogą być ponownie wykorzystane.

Inną powszechną definicją siły konserwatywnej jest taka, w której praca netto wykonana na ścieżce zamkniętej wynosi zero. Ścieżka zamknięta to taka, w której obiekt zaczyna się i kończy w tej samej pozycji (jego przemieszczenie wynosi zero). Dlategopracaw fizyce jest siłafadziałanie na obiekt razy jego przemieszczeniere

W=Fd

z tego wynika, że ​​jeśli przemieszczenie obiektu wynosi zero, to praca całkowita jest taka sama. Siła, która nim kierowała, musiała być więc konserwatywna.

Przykłady sił konserwatywnych

Podobnie jak grawitacja, inne siły konserwatywne powodują zmianę położenia obiektu, co skutkuje zmagazynowaną energią. Na przykład siła sprężyny w zwiniętej zabawce, takiej jak Slinky lub strzała naciągnięta na łuk, są siłami konserwatywnymi, podobnie jak elektrostatyka siły utrzymujące dwie naładowane cząstki w pewnej odległości od siebie lub siły magnetyczne utrzymujące bieguny północny i południowy lub dwa magnesy sztabkowe niezależnie.

Jak tylko obiekty zostaną „odpuszczone” w którymkolwiek z tych przypadków, przesuną się. Slinky wyskoczy, strzała poleci do celu lub cząstki przyciągną się lub odepchną.

Dlaczego siły konserwatywne mają znaczenie

Siły konserwatywne pozwalają ludziom magazynować energię, którą później można wykorzystać do użytecznej pracy. Są źródłem energii wielokrotnego użytku – obiekt można podnosić z ziemi, aby siła grawitacji działała na niego wielokrotnie, a łuk i strzałę można wielokrotnie ustawiać i wypuszczać.

Oczywiście w rzeczywistości siły konserwatywne nie istnieją w izolacji. W każdej z opisanych sytuacji,część energii jest zawsze rozpraszana w postaci ciepła z siły tarcia, siła niekonserwatywna i nie jest już w stanie powrócić bezpośrednio do energii zmagazynowanej w tym systemie.

Również siły konserwatywne same w sobie nie są nieograniczone. W pewnym momencie rozciągnięta sprężyna osiągnie granicę elastyczności i pęknie. Filiżanka kawy upuszczona ze zbyt wysokiego poziomu roztrzaska się i nie da się jej naprawić. Ale dzięki solidnemu zrozumieniu ograniczeń tych obiektów, fizyk lub inżynier może stworzyć tamy, zegary, akumulatory samochodowe i niezliczone inne urządzenia, które mogą robić użyteczne rzeczy.

  • Dzielić
instagram viewer