εάν F x, x οµόρροπα εάν F x, x αντίρροπα B = T W T = W B

4 Εργο και Ενέργεια 4.1 Εργο σε µία διάσταση Το έργο µιας σταθερής δύναµης F x, η οποία ασκείται σε ένα σώµα που κινείται σε µία διάσταση x, ορίζεται ως W = F x x Εργο ύναµης = ύναµη Μετατόπιση Εχουµε { W > 0, W < 0, Η µονάδα µέτρησης του έργου είναι : εάν F x, x οµόρροπα εάν F x, x αντίρροπα 1 Joule = 1 Ν 1 m = 1 Kg m s Παράδειγµα 1 T Ανελκυστήρας µε µάζα M ανέρχεται οµαλά. W = h, W T = T h Εάν δεν έχουµε οµαλή κίνηση τότε : = T W T = W T = Ma W T = T h > W = h Άνθρωπος ακίνητος που κρατάει ένα ϐάρος δεν παράγει έργο, αν και καταναλώνεται ενέργεια στους µυς για να κρατήσει το ϐάρος. Αν ο άνθρωπος είναι µέσα σε ανελκυστήρα που κινείται οµαλά προς τα επάνω, τότε για έναν παρατηρητή εκτός ανελκυστήρα δίνεται έργο στο «ϐάρος» για να µετακινηθεί προς τα επάνω. Αν η δύναµη είναι µεταβλητή : F = F (x) τότε χωρίζουµε το διάστηµα µετακίνησης [a, b] σε µικρά τµήµατα, έστω N, και υποθέτουµε τη δύναµη σταθερή σε αυτά τα µικρά διαστήµατα : N N W ολικό = W k = F (x k ) x k k=1 και, τέλος, παίρνουµε τη διαµέριση N, x k 0 W ολικό = lim N x k 0 k=1 N F (x k ) x k = k=1 b a F (x)dx

74 Εργο και Ενέργεια Παράδειγµα Ελατήριο ασκεί δύναµη F (x) = kx σε σωµατίδιο που κινείται από τη ϑέση x 1 = a στη x = b. Ποιο είναι το έργο της δύναµης του ελατηρίου που προσφέρεται στο σώµα ; x x 1 Σχήµα 4.1 W 1 = x 4. Εργο δύναµης στο χώρο x 1 x F (x)dx = k xdx = k ( x x 1 x 1 1) = kx 1 1 kx Εάν το σώµα κινηθεί κατά υπό την επίδραση της δύναµης F, το στοιχειώδες έργο W της δύναµης ορίζεται ως το εσωτερικό γινόµενο της δύναµης επί τη µετατόπιση : Αναλύοντας σε συνιστώσες έχουµε Εάν F W = F = 0. W = F = F cos θ = 1 + F = F x ˆx + F y ŷ + F z ẑ = 1 = xˆx + yŷ + zẑ W = F = F x x + F y y + F z z 1 F Δ Παράδειγµα 3 Κυκλική κίνηση, κεντροµόλος ύναµη F F F = ma k Εργο F = 0 διότι F µετατόπιση. Παράδειγµα 4 T N Ολίσθηση σώµατος σε κεκλιµένο επίπεδο. Εργο αντίδρασης = 0, δύναµη N κάθετη στη µετατόπιση. h s φ φ a W N = 0, W T = T s W = sin φ s = h, W > W T Από το νόµο του Νεύτωνα έχουµε : sin φ T cos φ T = µn = ma = N

4. Εργο δύναµης στο χώρο 75 F k F 1 Δ k Δ i Δ 1 k 1 i Σχήµα 4. Εργο (µεταβλητής δύναµης) όταν το σώµα κινείται από τη ϑέση Α στη ϑέση Β Χωρίζουµε το δρόµο σε µικρά ευθύγραµµα τµήµατα k µε k = 1,..., N. Υπολογίζουµε το έργο της δύναµης χωριστά σε κάθε τέτοιο ευθύγραµµο τµήµα, εποµένως W k = F ( k ) k W = N F ( k ) k = k=1 F d W = (F x dx + F y dy + F z dz) Παράδειγµα 5 z 0 x 0 Γ Δ y 0 Σχήµα 4.3 F = ˆx [ ay ( y 3z )] + ŷ [ 3ax ( y z )] + ẑ [ 6axyz] (α) Εργο στη διαδροµή Γ (ϐλ. σχήµα 4.3) (ϐ) Εργο της F στην ευθύγραµµη διαδροµή W = 0 + ax 0 y 3 0 3ax 0 y 0 z 0 0 = x 0 ˆx + y 0 ŷ + z 0 ẑ, = 0 t και d = 0 dt, 0 t 1 όπου F 0 = F ( 0 ). W = 1 0 dt (F 0 0 ) t 3 Παράδειγµα 6: Εργο ϐάρους για σταθερό πεδίο ϐαρύτητας

76 Εργο και Ενέργεια 4 1 3 h W ϐάρους = mgh = mgẑ W ϐάρους ανεξάρτητο της διαδροµής που ακολουθούµε. Η διαδροµή 1 και η διαδροµή 3 4 δίνουν το ίδιο αποτέλεσµα. Παράδειγµα 7: Πτώση στο πεδίο ϐαρύτητας µακριά από τη Γη, ακτινική κίνηση ( ) F Σχήµα 4.4 Η δύναµη του ϐάρους είναι F = G Mm ˆ, και η στοιχειώδης µετατόπιση είναι d = dˆ W = εποµένως το σύστηµα κερδίζει ενέργεια. dw = F d = G Mm d dw = W = GMm ( GMm) d ( = ( GMm) 1 ) GMm > 0 4.3 Κινητική Ενέργεια Εργο ύναµης W = = F d = mv dv dt dt = m διότι v = d/dt και από το νόµο του Νεύτωνα m dv dt d = m dv dt d dt dt dv dt dt = 1 m ( v v ) 1 = mv 1 mv F = m dv dt και επίσης dv dt = d dv (v v) = v dt dt Ορίζουµε την κινητική ενέργεια K = 1 mv W = K όπου K = K K Εάν W > 0 K > 0 K > K. Η δύναµη παράγει έργο άρα αυξάνεται η κινητική ενέργεια του συστήµατος.

4.3 Κινητική Ενέργεια Εργο ύναµης 77 Παράδειγµα 8: Εργο σταθερής δύναµης F = ma a = F m v(t) = at + v 0 x(t) = 1 at + v 0 t + x 0 x = 1 at + v 0 t W F = F x = ma x = 1 ma t + mav 0t ± 1 mv 0 = 1 m (at + v 0) 1 mv 0 = 1 mv 1 mv 0 Παράδειγµα 9: Οµαλή κυκλική κίνηση Δ F Σχήµα 4.5 W F = F F d = K = 1 mv 1 mv αλλά W F = 0 K = 0 v = v Παράδειγµα 10: Πτώση κοντά στη Γη h Σχήµα 4.6 W = mgh K = 1 mv mgh = 1 mv Παράδειγµα 11: υναµική Ενέργεια Βαρύτητας W = = z z 1 d = z z 1 ( mgẑ) (dzẑ) ( mg) dz = mgz z = mgz + mgz 1 z 1 Οπως και αν κινηθεί το σώµα ανάµεσα στα δύο σηµεία Α και Β, ϑα έχουµε W = mgz 1 mgz

78 Εργο και Ενέργεια z z 1 z y x Σχήµα 4.7 W = K mgz 1 mgz = 1 mv 1 mv 1 1 mv 1 + mgz 1 = 1 mv + mgz 4.3.1 Θεώρηµα ιατήρησης της Μηχανικής Ενέργειας Οπως είδαµε στο προηγούµενο παράδειγµα, υπάρχει µια ποσότητα η οποία διατηρείται σταθερή : Ορισµός υναµικής Ενέργειας E = 1 mv + mgz = σταθερό U(z) = mgz εάν ορίσουµε U(z = 0) = 0 Η ποσότητα E, η οποία είναι το άθροισµα κινητικής ενέργειας και δυναµικής ενέργειας, ονοµάζεται µηχανική ενέργεια. Παράδειγµα 1 Ενα εκκρεµές αποτελείται από µάζα m δεµένη σε νήµα µήκους l. Το εκκρεµές κρατείται αρχικά σε γωνία θ ως προς την κατακόρυφο. Εάν το εκκρεµές αφεθεί ελεύθερο, ποια είναι η τάση του νήµατος όταν το εκκρεµές διέρχεται από την κατακόρυφο ; θ T 1 T (1) () Σχήµα 4.8 h E 1 = 0 + mgh ϑέση (1) E = 1 mv + 0 ϑέση ()

4.4 ιατήρηση της Ενέργειας 79 Το έργο της τάσης του νήµατος είναι µηδέν. 1 mv = mgh Στη ϑέση (): h = l l cos θ = l(1 cos θ) T = m v l 1 mv = mgl(1 cos θ) v = g(1 cos θ) l T = mg(1 cos θ) T = mg + mg mg cos θ T = mg(3 cos θ) 4.4 ιατήρηση της Ενέργειας 4.4.1 ιατηρητικές υνάµεις Για να ορίσουµε τη µηχανική ενέργεια χρειαζόµαστε την έννοια της δυναµικής ενέργειας. Η δυναµική ενέργεια ορίζεται µόνο για τις διατηρητικές δυνάµεις. Πρέπει να ορίσουµε λοιπόν ποιες δυνάµεις είναι διατηρητικές. Για ένα σωµατίδιο που κινείται από τη ϑέση P 1 στη ϑέση P υπό την επίδραση µιας δύναµης που δεν εξαρτάται από την ταχύτητα του σώµατος ή ϱητά από το χρόνο, µπορούµε να ψάξουµε για το εάν η δύναµη είναι διατηρητική ή όχι. Το έργο της δύναµης είναι W 1, = P P 1 F d Η δύναµη είναι διατηρητική εάν το W 1, δεν εξαρτάται από τη διαδροµή που ενώνει τα σηµεία P 1 και P, είναι δηλαδή ίδιο για όλες τις διαδροµές από το P 1 στο P. Επειδή W 1, = W,1, µπορούµε να δείξουµε ότι το έργο σε µια κλειστή διαδροµή από το P 1 στο P 1 είναι µηδέν για ένα διατηρητικό πεδίο δυνάµεων. Παραδείγµατα διατηρητικών δυνάµεων - ϐαρύτητα κοντά στη Γη - ελατήριο, και γενικά για κάθε µονοδιάστατη κίνηση υπό την επίδραση δύναµης, η οποία δεν εξαρτάται από την ταχύτητα. Παραδείγµατα µη-διατηρητικών δυνάµεων - Τριβή σαν µακροσκοπική δύναµη, παράγει αρνητικό έργο, όπως κι αν κινηθεί το σώµα. T W T =-Ts υ υ T W T =-Ts Σχήµα 4.9 Μικροσκοπικά πάνω σε έναν κλειστό δρόµο το σύστηµα δεν επανέρχεται στην ίδια κατάσταση.

80 Εργο και Ενέργεια 4.4. υναµική Ενέργεια Εστω ότι το πεδίο δυνάµεων είναι διατηρητικό, διαλέγουµε ένα σηµείο P 0 στο χώρο σαν σηµείο αναφοράς (στην αρχή των αξόνων, στο άπειρο, εκεί που οι δυνάµεις µηδενίζονται, κάποιο αυθαίρετο σηµείο) και ορίζουµε εκεί ότι η δυναµική ενέργεια U(P 0 ) = 0 (ή κάτι άλλο αυθαίρετα πεπερασµένο): P U(P ) = F d + U(P 0 ) P 0 και υπολογίζουµε το ολοκλήρωµα κατά µήκος οποιουδήποτε συγκεκριµένου δρόµου. Κρατώντας το P 0 σταθερό U(P ) είναι συνάρτηση µόνο του άνω ορίου P P U(P ) U(P 1 ) = F d + P 0 = P P1 P 0 P 1 F d = W P1 P W F P 1 P = U(P 1 ) U(P ) P1 P P1 F d = F d F d + F d P 0 P 1 P 0 U(P 1 ) U(P ) = Από το προηγούµενο κεφάλαιο W1 F = K = K K 1 P P 1 F d U(P 1 ) U(P ) = K K 1 K 1 + U(P 1 ) = K + U(P ) Η µηχανική ενέργεια E = K + U διατηρείται σταθερή. Παραδείγµατα (Α) Πεδίο ϐαρύτητας της Γης κοντά στη Γη : P 0 = αρχή των αξόνων U(z) = mgz (Β) ελατήριο : P 0 (x = 0) U(x = 0) = 0 x x U(x) = F (x )dx = ( kx )dx = 1 0 0 kx (Γ) ύναµη F (x) = x, P 0 =, U(x = ) = 0 U(x) = x F (x )dx = + x ( + ) dx = x x x = x ( ) Πεδίο ϐαρύτητας της Γης µακριά από τη Γη U(x) = x F = GMm ˆ, το πεδίο είναι διατηρητικό P 0 =, (η µάζα δεν εκτείνεται µέχρι το άπειρο) U() = F d = U ( = ) = 0 ( GMm ) d = GMm

4.4 ιατήρηση της Ενέργειας 81 P (1) 8 () (3) 8 Σχήµα 4.10: Οι διαδροµές (1) και ()+(3) είναι ισοδύναµες. Εάν έχουµε διατηρητικές δυνάµεις F και µη διατηρητικές δυνάµεις T, τότε W F 1 + W T 1 = K U (1) U () + W T 1 = K όπου K = K K 1, U = U () U (1). W T 1 = K + U υναµική Ενέργεια από το πεδίο ϐαρύτητας κοντά στη Γη U() = GMm = GMm ( = GMm + h = GMm 1 1 + h/ = GMm 1 h ( ) ) h + +... + GMm h +... U(h) = GM mh = mgh, Μετράµε µόνο µεταβολές της δυναµικής ενέργειας GM όπου g = U( + h) = U() + GMm h U(h) = U( + h) U() = GM mh και η ακτίνα της Γης. 4.4.3 Οι κεντρικές δυνάµεις F () = F ()ˆ είναι διατηρητικές (π.χ. δύναµη ϐαρύτητας) W C1 = F d, C 1 W C = F d C Χωρίζουµε τους δύο δρόµους C 1 και C σε µικρά κοµµάτια παίρνοντας οµόκεντρες σφαίρες ακτίνας και + d: dw 1 = F 1 d 1 = F ()d 1 cos θ 1 = F ()d όπου d 1 cos θ 1 είναι η προβολή του d 1 στην ακτίνα = d dw = F d = F ()d cos θ = F ()d Συνολικά dw 1 = dw για κάθε τέτοια στοιχειώδη διαδροµή W C1 = dw = W C εποµένως, το έργο από το σηµείο Α έως το Β είναι το ίδιο για κάθε διαδροµή, και άρα η δύναµη είναι διατηρητική.

8 Εργο και Ενέργεια C 1 d 1 θ 1 F 1 θ F d C +d Σχήµα 4.11 4.4.4 Υπολογισµός ύναµης από τη υναµική Ενέργεια Είδαµε ότι για µια απειροστή µετακίνηση d µόνο P U = U(P ) U(P 1 ) = F d P 1 du = F d όπου du = U ( + d) U() Εάν έχουµε µια µονοδιάστατη κίνηση, τότε du = F x dx F y dy F z dz U = U(x) du = du dx = F (x)dx dx F (x) = du dx Για τις τρεις διαστάσεις U = U(x, y, z). Για µια τέτοια συνάρτηση έχουµε τη µερική παράγωγο και το ολικό διαφορικό της U, εποµένως du = U x F x = U x, U U dx + dy + y z dz F y = U y, Παράδειγµα : Ελατήριο, U(x) = (1/)kx F (x) = kx F z = U z Παράδειγµα : Πεδίο ϐαρύτητας GMm U = x + y + z F = GMm (x + y + z ) ˆ, όπου = x + y + z F x = U x = du d d dx = du d x + y + z = du x d 1 x x + y + z = du x d F y = du y d και F z = du z d, F = ˆxF x + ŷf y + ẑf z = GMm F = GMm ˆ du d = gmm xˆx + yŷ + zẑ

4.5 υναµική ενέργεια και σηµεία αναστροφής, έσµιες τροχιές, σηµεία ισορροπίας 83 Γενικό αποτέλεσµα Εάν U = U(), =, τότε F = du d ˆ Ορίζουµε και du = U d. = ˆx x + ŷ y + ẑ z F = ˆx U x ŷ U y ẑ U z = U Τοπικό κριτήριο για τις διατηρητικές δυνάµεις Εως τώρα το κριτήριο για το εάν µια δύναµη ήταν συντηρητική διατηρητική ήταν ότι το έργο της δύναµης σε κάθε διαδροµή από το Α στο Β είναι το ίδιο, δηλαδή το έργο από το Α στο Α είναι µηδέν F d = F d F d = 0 C 1 C Αυτό το κριτήριο για τον έλεγχο µιας δύναµης δύσκολα εφαρµόζεται. Υπάρχει ένα ισοδύναµο (τοπικό) κριτήριο που αποτελεί αναγκαία και ικανή συνθήκη για τις διατηρητικές δυνάµεις F = 0 (διαβάζεται culf = 0) για κάθε σηµείο στο χώρο. ˆx ŷ ẑ ( Fz F = = ˆx x y z y F ) ( y Fx + ŷ z z F ) ( z Fy + ẑ x x F ) x y F x F y F z Εάν η δύναµη είναι συντηρητική, τότε F = U F = U = 0 όπως µπορείτε εύκολα να δείτε κάνοντας τις παραγωγίσεις. 4.5 υναµική ενέργεια και σηµεία αναστροφής, έσµιες τροχιές, σηµεία ισορροπίας Θα αναφερθούµε στην περίπτωση της µίας διάστασης. E = 1 mv + U(x) = σταθερή Σχεδιάζουµε πρώτα την καµπύλη της δυναµικής ενέργειας και µετά µε ϐάση τη γραφική παράσταση της δυναµικής ενέργειας ϑα εξετάσουµε τις διάφορες δυνατές κινήσεις. E U(x) E γ α x 0 β E 1 U 0

84 Εργο και Ενέργεια Εάν το σώµα έχει ενέργεια E 1, τότε η κίνησή του γίνεται υποχρεωτικά ανάµεσα στα σηµεία α και β, που είναι σηµεία αναστροφής (v = 0), E = U(α) = U(β) και η τροχιά λέγεται δέσµια. Εάν E = U 0 v = 0, άρα το σώµα ακίνητο σε κατάσταση ευσταθούς ισορροπίας (για µικρές αποκλίσεις γύρω από τη ϑέση ευσταθούς ισορροπίας έχουµε περιοδική κίνηση). Στην ϑέση ευσταθούς ισορροπίας ισχύει : du dx = 0, x=x0 d U dx > 0 x=x0 Εάν E = E, τότε το σώµα µπορεί να κινηθεί από τα σηµεία γ έως το άπειρο, µη δέσµια τροχιά. Για κάθε ϑέση του σώµατος έχουµε : v = [E U(x)] 0 m Παράδειγµα 1 dx x dt = ± m [E U(x)] t 1 t = x 1 U(x) = b x c du dx x, b > 0, c > 0 ( x = x 0 = b ) = 0 c dx (E U(x)) m U (x 0 = b/c) = c b d U dx (x 0) = c4 b 3 > 0, ελάχιστο, σηµείο ευσταθούς ισορροπίας. Παράδειγµα : Ελατήριο E α 0 β Σχήµα 4.1 x U(x) = 1 kx Περιοδική κίνηση ανάµεσα στα σηµεία α και β, ταλάντωση v = [E U(x)] m E = 1 kα = 1 kβ α = β καθώς κινείται από το 0 στο β το σώµα επιβραδύνεται, η ταχύτητα ελαττώνεται, η δυναµική ενέργεια αυξάνεται, καθώς κινείται από το β στο 0 η ταχύτητα αυξάνεται και η δυναµική ενέργεια ελαττώνεται. Παράδειγµα 3: Πεδίο ϐαρύτητας της Γης

4.6 Θερµότητα και Ισχύς 85 E Γ Μέγιστο ύψος Σχήµα 4.13 m M Γ F = GM Γm U() = GM Γm ˆ ιατήρηση Μηχανικής Ενέργειας 1 mv GM Γm = σταθερό = E Ταχύτητα ιαφυγής E(επιφάνεια της Γης) = E(σε άπειρη απόσταση) 1 mv Γ GM Γm = 1 Γ mv εποµένως, εάν v = 0, τότε 1 mv Γ = G M Γm v Γ = GM Γ Γ Γ Ενέργεια Σελήνης σε κυκλική κίνηση γύρω από τη Γη E GM Γ M Σ v = M Σ = 1 M Σv GM ΓM Σ E = 1 GM ΓM Σ < 0 4.6 Θερµότητα και Ισχύς Θερµότητα : Μακροσκοπικά µια άλλη µορφή ενέργειας µη διατηρητικές δυνάµεις µικροσκοπικά έχουµε κινητική και δυναµική ενέργεια των µορίων του σώµατος. Ισχύς ύναµης : P = dw dt Μονάδα Ισχύος : 1 Watt = 1 J/s, 1 hp = 745, 7 W P = dw dt = F d dt = F v

86 Εργο και Ενέργεια M O θ sinθ l m dθ Σχήµα 4.14 4.7 Πεδίο Βαρύτητας Σφαιρικού Φλοιού Ολική µάζα σφαιρικού ϕλοιού ίση µε M άρα επιφανειακή πυκνότητα= M/4π. ϕλοιό σε δακτυλίδια µε επίπεδο κάθετο στη γραµµή ΟΑ. Χωρίζουµε το σφαιρικό και M(θ) = dm δακτ = M M (π sin θ) (dθ) = M 4π 4π π sin θdθ sin θdθ du δακτ = G dm δακτm l U = δακτυλίδια = G M msin θdθ l δυναµικών ενεργειών από κάθε δακτυλίδι = GMm π 0 sin θdθ l Τρίγωνο ΟΑΒ l = + cos θ ldl = sin θdθ dl sin θdθ = l Για τα όρια ολοκλήρωσης έχουµε : θ = 0 l =, θ = π l = + U = GMm 1 + dl = GMm 1 ( + ( )) U = GMm Εάν η µάζα ϐρίσκεται µέσα στο ϕλοιό, τότε 1 + = GMm dl = όταν έχουµε > U = GMm εποµένως όταν η µάζα είναι µέσα δεν δέχεται καµία δύναµη, = σταθερή για κάθε όταν έχουµε < F = du d = 0 Εάν λοιπόν ϑέλουµε να υπολογίσουµε τη δύναµη της Γης σε µάζα µέσα στη Γη, τότε χωρίζουµε τη Γη σε δύο συµπαγείς ϕλοιούς, έναν µε ακτίνα (0, ) και έναν µε ακτίνα (, Γ ). Ο εξωτερικός ασκεί δύναµη µηδέν στη m, ενώ για τον εσωτερικό έχουµε F = G M()m F = GM Γm 3 Γ = G M Γ 3 3 m Γ για < Γ

4.7 Πεδίο Βαρύτητας Σφαιρικού Φλοιού 87 και F = GM Γm για > Γ. F Γ Σχήµα 4.15 U() = = GM Γm Γ Γ F d = Γ ( F d GM Γm 3 Γ όπου η απόσταση από το κέντρο της Γης, < Γ. ) Γ F d = GM Γm Γ d =... = 3 GM Γ m Γ Γ F d + GM Γm 3 Γ