Неконсервативная сила: в чем разница?

Неконсервативные силы играют важную роль в физике и повседневной жизни. Давайте разберемся, что это такое и в чем их особенности.

Определение неконсервативных сил

Неконсервативная сила - это сила, работа которой зависит от пути, по которому перемещается тело. В отличие от консервативных сил, для неконсервативных сил невозможно определить потенциальную энергию.

Неконсервативными называются силы, работа которых при перемещении тела от точки A до точки B зависит не только от координат этих точек, но и от формы траектории.

К основным примерам неконсервативных сил относятся сила трения и сила сопротивления. Эти силы возникают при движении тел и всегда направлены против этого движения.

• Сила трения возникает при скольжении одного тела относительно поверхности другого.
• Сила сопротивления возникает при движении тела в жидкости или газе.

Формально, неконсервативные силы можно определить следующим образом:

F_неконс(A→B) ≠ F(B→A)

Где F_неконс(A→B) - работа неконсервативной силы при перемещении тела из точки A в точку B, а F(B→A) - работа той же силы при обратном перемещении из точки B в точку A.

Свойства и особенности

Неконсервативные силы обладают рядом уникальных свойств, которые отличают их от других типов сил в физике. Давайте рассмотрим эти свойства подробнее:

1. Работа неконсервативной силы зависит от пути или траектории движения тела. Для одного и того же перемещения между двумя точками работа такой силы может буть разной.
2. Для неконсервативной силы невозможно ввести понятие потенциальной энергии.
3. При действии неконсервативных сил происходит диссипация (рассеяние) энергии физической системы. Часть энергии безвозвратно теряется.
4. В системах с неконсервативными силами не выполняется закон сохранения полной механической энергии. Происходит ее уменьшение за счет потерь.

В этой таблице резюмированы основные отличия неконсервативных сил от консервативных:

Роль в механике и физике

Неконсервативные силы играют важную роль в механике и физике в целом. Их наличие существенно влияет на движение тел.

В частности, силы трения и сопротивления воздуха всегда препятствуют движению тела и со временем приводят к его остановке, если не приложена внешняя сила для поддержания движения.

Потери энергии и ее превращения

Как уже упоминалось ранее, неконсервативные силы приводят к диссипации (рассеянию) энергии системы. На самом деле энергия не исчезает бесследно, а преобразуется в другие формы.

Например, при трении часть кинетической энергии движения превращается во внутреннюю энергию нагрева тел. Это можно почувствовать на ощупь, когда сильно трешь ладони друг о друга.

Нагревание тел при трении

Явление нагревания тел при их трении друг о друга имеет большое практическое значение. В частности, таким образом люди добывала огонь, еще до открытия способов его химического получения.

Современные технологии, вроде автомобильных тормозов, также основаны на трении и превращении движения в тепло. Это позволяет останавливать машины.

Учет внутренней энергии тел

При описании неконсервативных сил в классической механике обычно не учитывается переход энергии во внутренние степени свободы тел и нагрев.

Но на самом деле, если учесть изменение внутренней энергии всех тел, то процесс станет обратимым, а значит силы фактически консервативными в рамках замкнутой системы.

Примеры практических приложений

Рассмотрим несколько примеров использования неконсервативных сил в практических приложениях:

• Тормозные колодки в автомобилях и других транспортных средствах используют силу трения для снижения скорости и полной остановки.
• Сопротивление воздуха позволяет летательным аппаратам совершать маневры и садиться на посадку.
• Парашюты также используют сопротивление воздуха для снижения скорости падения человека.

Советы по учету этих сил

При расчетах и анализе различных механических систем важно правильно учитывать неконсервативные силы и понимать их влияние.

Например, сопротивление воздуха может значительно влиять на дальность полета снаряда. А сила трения определяет срок службы деталей машин, подверженных трению.

Известные неконсервативные силы

Рассмотрим некоторые хорошо изученные примеры неконсервативных сил:

1. Сила трения
2. Сила сопротивления
3. Подъемная сила
4. Сила Магнуса

Сила трения

Сила трения возникает при контакте и относительном движении твердых тел. Она зависит от характеристик контактирующих поверхностей и нормальной силы, действующей между телами.

В общем случае сила трения пропорциональна нормальной силе. Также существует предел текучести материала - при больших давлениях происходит пластическая деформация и сваривание трущихся поверхностей.

Зависимость от скорости

При малых скоростях движения сила трения не зависит от нее. Однако на высоких скоростях и значительном нагреве может наблюдаться зависимость силы трения от скорости - чем выше скорость, тем больше трение из-за интенсивного разогрева и истирания поверхностей.

Сопротивление воздуха и жидкостей

Сопротивление воздуха и жидкостей обусловлено вязкими силами, которые зависят от скорости движущегося в них тела, его формы, шероховатости поверхности и других факторов.

В общем случае сила сопротивления пропорциональна площади поперечного сечения движущегося тела, плотности среды и квадрату скорости движения тела относительно этой среды.

Подъемная сила

Подъемная сила возникает при обтекании тела потоком жидкости или газа. Она перпендикулярна скорости потока и направлена вверх относительно движения тела.

Это позволяет летательным аппаратам взлетать и парить в воздухе. Но для возникновения подъемной силы требуется достаточно большая начальная скорость.

Сила Магнуса

Сила Магнуса действует на вращающееся тело, обтекаемое потоком газа или жидкости. Она обусловлена ​​разностью давлений, возникающей из-за различных скоростей потока вокруг тела.

Это явление используется для придания устойчивости в полете снарядам и ракетам. Также оно проявляется при движении мячей в спортивных играх.