§ 12. Работа в физике
Чаще всего энергию передают от одного тела другому при помощи специального рабочего тела (механизма). Говорят, что при этом рабочее тело выполняет работу. В идеальном случае механизм передает энергию без потерь. В реальном мире всегда существуют потери энергии. Это означает, что источник отдаёт больше энергии, чем получает приемник.
Работу принято обозначать символом А.
Механическую работу определяют как произведение силы на перемещение: A = Fs (12.1). Значит, работа измеряется в джоулях: [A] = [Fs] = [Нм] = Дж. Энергия тоже измеряется в джоулях, но между энергией и работой мало общего. Энергия – это природная величина, которой обладает любое тело. Энергию можно запасать. Например, дамоклов меч можно подвесить и он будет иметь запас потенциальной энергии. В отличие от энергии, работа всегда связана с движением. Представим, ракетный двигатель испытывают на стенде. Сила тяги действует, но перемещение равно нулю, ведь стенд неподвижен. Из (12.1) следует, что работа тоже равна нулю, хотя прибор может показать, что двигатель развивает силу тяги F = 10 кН. В чём тут смысл? Особого смысла нет, просто принято считать, что работа равна энергии, отданной источником другому телу, например, стенду. Но у стенда не изменяется ни потенциальная энергия, ни кинетическая. Стенд не приобрел ничего, следовательно, работа A=Fs тоже равна нулю. В этом смысле можно написать: А = Е.
Рассмотрим как энергия поля гравитации переходит в механическую работу на примере часов «с кукушкой». Чтобы завести часы с кукушкой, надо поднять гирю на цепи. Допустим, вес гири равен 6 Н, а длина цепи – 0.5 м. Значит, заводя часы, мы совершили работу А = Fs = Ph = 6*0.5 = 3 (Дж). Эта работа превратилась в потенциальную энергию гири: Е = А. Вес гири Р направлен вниз. Вес – это сила, которая вращает стрелки часов. Пока гиря опускается, часы работают. При этом гравитационная энергия гири преобразуется в работу механических часов. Примерно через сутки гиря опустится на всю длину цепи и часы остановятся. Энергия, равная 3 Дж, полностью израсходована. В основном она потрачена на преодоление трения в часах. Трение приводит к нагреванию. Хотя три джоуля – энергия небольшая, в комнате с работающими часами должно быть немного теплее, чем в комнате без часов.
Для оценки производительности машин и приборов используют понятие мощности, которую чаще обозначают буквой Р (от английского power – мощность). Мощность машины численно равна механической работе, выполненной за одну секунду: P = A/t (12.2). Можно было бы измерять мощность просто в джоулях за секунду. Но для неё ввели специальную единицу ватт (Вт). Таким образом: 1 Вт = 1 Дж/с. Мощность устройства это важная характеристика, её указывают в техническом паспорте изделия. К примеру, на цоколе электролампы написано: «220 В, 95 Вт». Лампа «горела» в течение часа. Вопрос: какое количество электроэнергии было израсходовано? Решение: E = A = Pt. E = 95*3600 = 342000 (Вт*с) (12.3). Число получилось неудобно большим. Для повышения удобства в технике электроэнергию считают в кВт*часах. Для этого результат (12.3) нужно разделить на 3600 (число секунд в 1 часе) и на 1000 (число ватт в 1 киловатте). В итоге получаем Е = 0.095 кВт*час. Это небольшая величина, меньше рубля в денежном эквиваленте. Следует сказать, Россия богата энергетическими ресурсами.
Строго говоря, не вся затраченная энергия превращается в полезную работу. Какая-то часть расходуется на трение, на перемагничивание и тому подобное. Для оценки совершенства машины вводят понятие коэффициента полезного действия, сокращённо КПД. Его определяют по формуле: КПД = 100 %*А/Е, где А – полезная работа, равная переданной энергии, Е – затраченная энергия. Таким образом, КПД измеряют в процентах. К примеру, если в лампе накаливания 80 % энергии уходит на тепло, а только 20 % – на освещение, значит, КПД лампы, как осветительного прибора, равен 20 %. Это невысокий КПД. Но если эту лампу использовать в качестве нагревателя в инкубаторе для цыплят, её КПД будет равен 80 %. Это нормальный КПД.
Тело, в отличие от частицы, имеет видимые размеры. Поэтому его вращением пренебрегать нельзя. Вращение придаёт телу энергию, дополнительную к энергии поступательного движения. Эта энергия была получена от внешнего источника, закрутившего тело вокруг оси. Возьмём, к примеру, особое вращение бумеранга. Его не объяснить вторым законом Ньютона, который описывает поступательное движение тел (без вращения).
Если в качестве тела отсчета (см. § 10) взять вращающееся тело, например, карусель с подвесными люльками, в уравнении второго закона Ньютона придется ввести дополнительную силу, отвечающую за отклонение подвеса люлек от вертикали. Известны попытки, когда некоторые авторы пытались использовать эту «даровую» центробежную силу инерции в устройствах типа инерцоид. Разумеется, у них ничего не получалось. Система отсчёта, которая движется с ускорением, не является инерциальной. В такой системе возникают фиктивные силы вроде центробежной силы инерции, силы противодействия и т. п. Это происходит потому, что в неинерциальной системе отсчета не выполняются законы Ньютона. Следует подчеркнуть, что фиктивные силы существуют только на бумаге, работать они не могут. Представим на секунду, что в классическом опыте для демонстрации ускорения рабочий устал и убрал руки с тележки. Разве «сила противодействия» откатит тележку назад? Нет, тележка покатится дальше по инерции, согласно первому закону Ньютона.
Вращение имеет особое значение в технике, так как все машины имеют вращающиеся части. Уравнения, связывающие вращательную энергию тела с частотой вращения, помогают конструкторам подобрать наилучшее сочетание размеров и скоростей вращения деталей машин. Следует сказать, что существует соблазн принять за тело отсчёта вращающийся корпус машины. Ещё бы! При таком приёме уравнения движения будут иметь самый простой вид. Но выполняется ли при этом первый закон Ньютона? Разумеется, нет. Законы Ньютона верны относительно инерциальной системы отсчёта, которая должна перемещаться прямолинейно и равномерно. Но вращение не является прямолинейным движением. К примеру, если взять за тело отсчёта Землю, то возникает иллюзия вращения небесного свода вокруг неё. Можно сложить массы всех звёзд и умножить на квадрат скорости вращения небосвода. Получится колоссальная энергия! Жаль, что она существует только на бумаге. Стоит вылететь в открытый космос, как всё встаёт на свои места. Солнце и звёзды неподвижны, вращается сама Земля, а вечный источник даровой энергии остаётся бумажной фикцией. Таким образом, если использовать неинерциальную систему, в ней появляются фиктивные силы. С другой стороны, если этот математический прием поможет упростить расчеты, его, наверное, можно использовать, не забывая о фиктивности сил инерции. Базисом для нас по-прежнему будет энергия.
§ 14. Движение по окружности
Простейшим видом вращения является движение тела по окружности с постоянной скоростью. Представим себе центрифугу для тренировки космонавтов. Она содержит кабинку, закрепленную на рычаге, который может вращаться в горизонтальной плоскости, сначала медленно, затем быстрее. Посадим космонавта в кабинку и запустим центрифугу. Мы увидим через телекамеру, что космонавта вдавила в кресло сила инерции (см. § 11). В системе отсчёта, связанной с центрифугой, эта сила направлена вдоль рычага по радиусу от центра вращения кабины. Её называют центробежной силой инерции Fцб. Эта сила считается силой противодействия. В примере с тележкой сила инерции противодействовала ускоряющей силе. Значит, при вращении центробежная сила противодействует какой-то ускоряющей силе, устремленной к центру вращения. Назовем её центростремительной силой Fцс. По определению, Fцс = Fцб (14.1). Очевидно, сила Fцс – это сила связи, которая удерживает кабинку на круговой орбите. Её источник – рычаг центрифуги, связанный с электромотором. Попробуем найти уравнение, связывающее силу Fцс со скоростью v кабинки при её вращении по окружности радиуса R. Применим, как обычно, наш энергетический подход: E = А = Fs (14.2).
Центростремительная сила Fцс характеризует работу А электромотора, который передает энергию Е через рычаг кабинке. Применяя уравнение (14.2) к вращению центрифуги, мы должны учесть, что сила Fцс зависит от радиуса вращения. Известно, что при вращении карусели центробежная сила в центре равна нулю, а на краю карусели она максимальна. Если путь s от центра до окружности равен R, значит, нужно взять среднее значение силы: F = Fцс/2. Подставляя данные в уравнение (14.2), получаем уравнение вращения: E = Fцс*R/2 (14.3). С другой стороны, Е = А= Рt, где Р – мощность электродвигателя. Работа электродвигателя преобразуется в кинетическую энергию кабинки Ек = mv2/2 (14.4). Очевидно, эти величины равны, так как одна переходит в другую: Е = Ек. Приравняем их: Fцс*R/2 = mv2/2. Решая относительно Fцс, получаем искомое уравнение: Fцс = mv2/R (14.5).
