Номер 5, страница 173 - гдз по физике 9 класс учебник Грачев, Погожев

Глава 4. Механическая работа. Механическая энергия. Закон сохранения механической энергии. Параграф 27. Потенциальная энергия. Вопросы - номер 5, страница 173.

Условие.

5. Какие потенциальные силы вы знаете?

Решение.

Решение

Потенциальными (или консервативными) силами называются силы, работа которых при перемещении тела из одной точки пространства в другую не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением тела. Работа таких сил по любому замкнутому контуру равна нулю. Для потенциальных сил можно ввести понятие потенциальной энергии $\text{U}$, так что работа силы $\text{A}$ при перемещении тела из точки 1 в точку 2 равна убыли потенциальной энергии: $A_{12} = U_1 - U_2 = -\Delta U$. Сама сила связана с потенциальной энергией соотношением $\vec{F} = -\nabla U$, где $\nabla U$ – градиент потенциальной энергии.

К наиболее известным примерам потенциальных сил относятся:

Сила тяжести (гравитационная сила)
Это сила взаимного притяжения между любыми двумя телами, обладающими массой. В поле тяготения Земли вблизи ее поверхности работа силы тяжести при перемещении тела массой $\text{m}$ зависит только от изменения высоты $\text{h}$ и не зависит от траектории. Потенциальная энергия тела, поднятого на высоту $\text{h}$ над нулевым уровнем, равна $U = mgh$. В общем случае для двух точечных масс $m_1$ и $m_2$, находящихся на расстоянии $\text{r}$ друг от друга, гравитационная сила является центральной и потенциальной. Ее потенциальная энергия (при условии, что на бесконечности она равна нулю) выражается формулой $U = -G\frac{m_1 m_2}{r}$, где $\text{G}$ – гравитационная постоянная.

Сила упругости
Это сила, возникающая в теле при его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное состояние. Согласно закону Гука, для упругой деформации (например, растяжения или сжатия пружины) сила упругости пропорциональна смещению $\text{x}$ от положения равновесия: $\vec{F}_{упр} = -k\vec{x}$. Работа этой силы зависит только от начальной и конечной деформации. Потенциальная энергия упруго деформированного тела (пружины) равна $U = \frac{kx^2}{2}$, где $\text{k}$ – коэффициент жесткости.

Электростатическая (кулоновская) сила
Это сила взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами. Согласно закону Кулона, сила взаимодействия между двумя точечными зарядами $q_1$ и $q_2$, находящимися на расстоянии $\text{r}$ друг от друга, является центральной силой и, следовательно, потенциальной. Работа этой силы не зависит от пути перемещения заряда. Потенциальная энергия взаимодействия двух точечных зарядов равна $U = k_e\frac{q_1 q_2}{r}$, где $k_e$ – коэффициент пропорциональности в законе Кулона.

Следует отметить, что не все силы являются потенциальными. Например, сила трения является диссипативной (непотенциальной) силой, так как ее работа зависит от пройденного пути и всегда отрицательна, что приводит к рассеянию механической энергии.

Ответ: Основными примерами потенциальных сил являются: сила тяжести (гравитационная сила), сила упругости и электростатическая (кулоновская) сила.