Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Биология»

Законы сохранения Закон сохранения импульса — один из важнейших законов природы — отображается в сути самих законов механики. В самом деле, если взаимодействуют две точки с массами и и начальными скоростями , , то через времяих скорости станут другими — и . Изменение импульса каждой точки определяется по второму закону Ньютона, а именно: , В соответствии с третьим законом механики: , поэтому или . При всяких взаимодействиях точек изолированной системы векторная сумма их импульсов остается постоянной. Изменение импульса может быть использовано для создания силы тяги, что нашло свое использование в реактивных двигателях, обеспечивающих реактивное движение ракет и реактивных самолетов. Примеры реактивного движения можно встретить и в природе. Некоторые животные, например кальмары, осьминоги, каракатицы передвигаются по принципу реактивного движения. Закон сохранения импульса, являясь одним из важнейших законов физики выполняется и для медленно и для быстро движущихся тел, причем как в классической, так и в квантовой физике. Работа, мощность, энергия. Понятие работы является одним из основных физических понятий, оно отражает процесс превращения одних форм движения материи в другие. Термин «работа» употребляется в двух смыслах: в смысле указанного выше процесса и в смысле физической величины, являющейся количественной характеристикой этого процесса. При совершении работы всегда имеются, во-первых, сила, действующая на данное тело со стороны какого-то материального объекта, например, другого тела, и, во-вторых, вызванное этой силой перемещение тела. При отсутствии хотя бы одного из этих признаков отсутствует и работа. Механической работой постоянной силы на перемещении называется скалярная физическая величина, равная произведению модуля силы, модуля перемещения и косинуса угла между этими векторами: Если угол между направлениями силы и перемещения тела острый (), то говорят, что сила совершает положительную работу (). Если же угол между направлениями силы и перемещения тела тупой (, то работа этой силы будет отрицательна. Если же сила перпендикулярна перемещению, то никакую работу в этом случае сила не совершает. Работа постоянной силы обладает следующими свойствами: на любой замкнутой траектории она всегда равна нулю; работа постоянной силы, совершаемая при перемещении тела из одной точки в другую, не зависит от формы траектории, соединяющей эти точки. В общем случае, когда на тело действует переменная сила, то, обозначив проекцию мгновенного значения силы на направление пути через , можно определить работу этой силы на бесконечно малом пути : , а вся работа на пути выразится формулой . Для характеристики процесса совершения работы важно знать также время, за которое она совершается. Быстрота выполнения одной и той же работы может быть разная, а следовательно, требуется еще одно физическое понятие, характеризующее быстроту выполнения работы. Мощностью называется скалярная физическая величина, равная отношению работы ко времени, в течение которого она была совершена: . Напомним, что единицей работы в СИ является 1 Дж (джоуль), а единицей мощности 1 Вт (ватт). Механическая работа и мощность человека. При ходьбе человек совершает работу, так как при этом энергия затрачивается на периодическое небольшое поднятие тела и на ускорение и замедление конечностей. Механическая работа, которую способен совершить человек, зависит от многих факторов, поэтому трудно указать какую-либо ее предельную величину. Это замечание относится и к мощности. Человек массой 75 кг при ходьбе со скоростью 5 км/ч развивает мощность около 60 Вт. При кратковременных усилиях человек может развивать мощность порядка нескольких киловатт. Как было указано ранее, если перемещения нет, то работа равна нулю. Поэтому, когда груз находится на опоре или подвесе, сила тяжести не совершает работу. Однако каждому из нас знакома усталость мышц руки и плеча, если держать неподвижно на вытянутой руке груз. Точно так же устают мышцы спины и поясничной области, если сидящему человеку поместить груз на спину. В обоих случаях груз неподвижен и работы нет. Усталость же свидетельствует о том, что мышцы совершают так называемую статическую работу. Ее выполнение связано с очень мелкими и частыми сокращениями мышц, совершающими работу против сил тяжести. Для измерения работы человека применяют приборы, называемые эргометрами. Энергия. В результате совершения работы происходят определенные изменения в окружающем мире — одни формы движения материи превращаются в другие. Наоборот, чтобы произвести в природе нужные нам изменения, надо совершить работу, т.е. осуществить процесс, в котором имело бы место взаимодействие тел с другими материальными объектами. Этот процесс является основой всей практической деятельности, направленной на преобразование окружающего мира. Таким образом, работа — это процесс превращения, всякая материальная система может совершать лишь ограниченное количество работы, после чего дальнейшая способность производить работу оказывается исчерпанной для этой системы. Способность материального объекта совершать определенную работу при переходе из данного состояния в другое называется энергией. Чем большую работу может совершить система при переходе из одного состояния в другое, тем больше ее энергия в исходном состоянии. Тем же термином «энергия» обозначается и физическая величина, являющаяся количественной характеристикой этой способности и измеряющаяся запасом работы, которую данный материальный объект может совершить. По этой причине энергия измеряется в тех же единицах, что и работа, т.е. единицей энергии в СИ является 1 Джоуль. Энергия может быть выражена через величины, характеризующие строение и состояние материальной системы. Она является функцией состояния материальной системы. В зависимости от того, с какой формой движения материи связано свойство тела совершать работу, т.е. в зависимости от того, какие формы движения, присущие данной системе, могут в данных условиях превращаться в механическое движение тел, говорят о разных формах энергии. Если свойство совершать работу связано с механическим движением, то говорят о механической энергии; если оно связано с беспорядочным движением молекул,— о внутренней энергии; если с электромагнитной формой движения,— об электромагнитной энергии. В механике различают кинетическую и потенциальную энергию. Рис. 1 Кинетическая энергия — есть запас работы, которую может совершить тело вследствие того, что оно обладает определенной скоростью. Если на тело действует сила, оно получает ускорение в соответствии со вторым законом Ньютона: . За промежуток времени точка, двигаясь равноускоренно, пройдет путь . При этом сила совершит работу . Скорость тела увеличится с до . Как известно из кинематики, эти скорости связаны соотношением . Из этих уравнений получим , или . Это значит, что работа постоянной силы на пути выражается как разность значений величины в начальный и конечный моменты движения. Величина представляет собой кинетическую энергию тела. Поэтому можно утверждать, что изменение кинетической энергии тела равно работе всех сил, действующих на тело. Это утверждение получило название теоремы о кинетической энергии. Вторым видом механической энергии является потенциальная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием тел. Потенциальную энергию можно определить по той работе, которая выполняется силой тяжести при свободном падении (рис. 1). Величина этой работы зависит от разницы начального и конечного положений тел. Таким образом, если на тело не действуют внешние силы, то под действием потенциальных сил тела движутся с ускорением. За счет работы этих сил кинетическая энергия тел увеличивается: , и одновременно потенциальная энергия системы уменьшается: . Следовательно, , или . При всяких изменениях в изолированной консервативной системе ее полная энергия остается неизменной. Так можно сформулировать закон сохранения энергии. Задания для самостоятельной работы Ответьте на вопросы и решите задачи. Сформулируйте и объясните закон сохранения импульса. Выведите формулу определения мощности через скорость и силу . Сформулируйте закон сохранения энергии. Оцените развиваемую вами мощность при подпрыгивании с места, если время отталкивания длится . Сформулируйте второй закон Ньютона в импульсном представлении. Рассчитайте скорость, приобретаемую кальмаром после одного сокращения мантийной полости, если выбрасываемая из нее со скоростью вода составляет массы тела кальмара? Определите среднюю мощность, которую развивает человек весом , взбегающий по лестнице на высоту за . Ответ: .

Похожие:

	Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» Пища как экологический фактор. Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» для студентов, обучающихся по специальности...		Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный... Отчизноведение. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности социально-культурный сервис и туризщм – Воронеж: вгпу,...
	Учебное пособие Москва 2014 министерство образования и науки российской федерации Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей исторических факультетов, обучающихся по специальности «История», а...		Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся... Г46 Гигиена труда : учебное пособие / авт сост. Л. В. Козачук. — Балашов : Изд-во «Николаев», 2005. — 60 с
	Учебное пособие автор: панкин сергей фёдорович объем 38,54 А. Л.... Методическое сопровождение к презентации урока для учащихся 8 класса по теме “зож основа счастливого человека”		Учебное пособие А информатики и икт в школьном образовании, а также методические примеры, образцы выполнения лабораторных работ в курсе Теории и...
	Психология Учебное пособие Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения и обучающихся в сокращенные сроки		Учебное пособие для студентов специальности 271200 «Технология продуктов... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, аспирантов и преподавателей, может быть полезно практическим работникам
	Особенности наблюдения за д Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Педиатрия». …		Учебно-методическое пособие самара 2005 удк 657 Рецензенты Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения Международного института рынка, обучающихся по специальности «Финансы...
	Учебное пособие по дисциплине «Теория государства и права» Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по очной, заочной формам, в том числе с использованием дистанционных технологий...		Гогунов Е. Н., Мартьянов Б. И. Г 58 Психология физического воспитания... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физическая культура и спорт»
	Учебное пособие. / Сост Учебное пособие предназначено для студентов уровня Intermediate и Upper-Intermediate, обучающихся по специальности связи с общественностью,...		Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной формы обучения для проведения теоретических и практических занятий...
	Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное... Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов заочного отделения биолого-почвенного факультета,...		Учебное пособие Допущено Научно-методическим советом по изучению... Учебное пособие предназначено для обучения по специальности «теология» ивключает план, информационный блок, вопросы для самопроверки,...