מכניקה · פיתוח 5

משפט עבודה אנרגיה ושימור אנרגיה

זמן יעד: 1:10 (30 עבודה אנרגיה 40 שימור אנרגיה) ⏱ ניסיון חדש

ניסוח מלא

הראו שעבור חלקיק המבצע מסלול במרחב מתקיים W=\intop\vec{F}\cdot\vec{dx}=\Delta E_{k}. הראו שכאשר הכוח שפועל עליו הוא כוח משמר (כלומר העבודה שהוא מבצע אינה תלוית מסלול), אז ניתן להגדיר אנרגיה פוטנציאלית U ביחס לנקודה מסויימת במרחב כך ש- E_{tot}=E_{k}+U=\const.

פתרון

נתחיל עם משפט עבודה אנרגיה:
dW=\vec{F}\cdot\vec{dx}=m\vec{a}\cdot\vec{v}dt=m\vec{v}\cdot\left(\vec{a}dt\right)=m\vec{v}\cdot\vec{dv}=d\left(\frac{1}{2}mv^{2}\right)
\Rightarrow W=\Delta\left(\frac{1}{2}mv^{2}\right)=\Delta E_{k}
כעת כאשר הכוח משמר, נוכל להגדיר את האנרגיה הפוטנציאלית ביחס לנקודה \vec{x}_{0} כלשהי להיות:
U\left(\vec{x}\right)=-\int^{\vec{x}}_{\vec{x_{0}}}\vec{F}\left(x\right)\cdot\vec{dx}
וזה מוגדר היטב, כלומר לא תלוי מסלול בדיוק בגלל שהכוח משמר. נסתכל על גוף שהתחיל ב- \vec{x}=\vec{x}_{1} וסיים ב-\vec{x}=\vec{x}_{2}. אז מאחר שהעבודה אינה תלוית מסלול:
E_{k}\left(\vec{x}_{2}\right)-E_{k}\left(\vec{x}_{1}\right)=W=\int^{\vec{x}_{2}}_{\vec{x_{1}}}\vec{F}\left(x\right)\cdot\vec{dx}=\int^{\vec{x}_{0}}_{\vec{x_{1}}}\vec{F}\left(x\right)\cdot\vec{dx}+\int^{\vec{x}_{2}}_{\vec{x_{0}}}\vec{F}\left(x\right)\cdot\vec{dx}=U\left(\vec{x}_{1}\right)-U\left(\vec{x}_{2}\right)
E_{k}\left(\vec{x}_{1}\right)+U\left(\vec{x}_{1}\right)=E_{k}\left(\vec{x}_{2}\right)+U\left(\vec{x}_{2}\right)=\const
נוכל להוכיח את זה גם דיפרנציאלית. מתקיים dU=-\vec{F}\cdot d\vec{x} (או באופן שקול \vec{\nabla}U=-\vec{F}) ולכן:
d\left(E_{k}+U\right)=dE_{k}+dU=dE_{k}-dW=0
E_{k}+U=\const
הערה: עבור תנועה במימד אחד כל כוח שתלוי רק במיקום הוא משמר (חיכוך הוא תלוי מהירות ולכן אין חובה שיהיה משמר). מתמטית אפשר לכתוב זאת כך:
m\ddot{x}-f\left(x\right)=0
0=m\ddot{x}\dot{x}-\dot{x}f\left(x\right)=\frac{d}{dt}\left(\frac{1}{2}m\dot{x}^{2}+U\left(x\right)\right)
\frac{1}{2}m\dot{x}^{2}+U\left(x\right)=\const
כאשר U\left(x\right)=-\intop f\left(x\right)dx (כלומר f\left(x\right)=-\frac{dU}{dx}). כלומר זאת שיטה להוריד את הסדר של מד"ר מסדר שני שלא תלוי במהירות.
אותו דבר נכון גם במימדים גבוהים יותר, אך כעת כבר לא מובטח שהכוח משמר. במקרה שהוא כן, מתקיים \vec{f}=-\vec{\nabla}U.

ניסיונות וטבלת שיאים

אף אחד עוד לא פתר את הפיתוח הזה.

אין עדיין ניסיונות.