Уменьшение механической энергии под действием сил трения

Мы уже много раз говорили о том, что силы трения способствуют потерям энергии. В этом легко можно убедиться, покатив мяч по земле. Мяч через некоторое время остановится, а, следовательно, потеряет всю свою кинетическую энергию. При этом его потенциальная энергия не увеличится. Это значит, что силы трения, как и другие силы сопротивления, не являются консервативными. Как бы тело ни двигалось, силы сопротивления будут препятствовать этому движению, независимо от того, двигается это тело по замкнутому контуру или нет.

Рассмотрим простой пример: вы подбрасываете мяч вверх. Вы прекрасно знаете, что сила тяжести совершает отрицательную работу, препятствуя движению мяча вверх.

Но, как только мяч достигнет наивысшей точки, он начнет падать вниз, набирая скорость, и сила тяжести будет совершать положительную работу. Сила сопротивления воздуха же, в любом случае направлена в сторону, противоположную движению мяча. Поэтому, независимо от того, двигается ли мяч вверх или вниз, сила сопротивления воздуха совершает отрицательную работу. Значит, её суммарная работа на замкнутом контуре не равна нулю, и, поэтому, сила сопротивления воздуха неконсервативная. Используя подобные аргументы, вы легко можете доказать неконсервативность других сил сопротивления.

Таким образом, силы сопротивления всегда совершают отрицательную работу. Конечно, это не значит, что неконсервативные силы способны уничтожать энергию. Просто механическая энергия переходит в другие формы энергии (как правило — во внутреннюю энергию) в результате нагревания тел под действием сил сопротивления.

Если вы возьмете деревянный брусок и потрете его о поверхность стола достаточно сильно (или долго), то убедитесь, что соприкасающиеся поверхности нагрелись. При ударе молотком о наковальню, кинетическая энергия молотка также перейдет во внутреннюю энергию: кинетическая энергия молекул молотка и наковальни увеличится. Из курса физики восьмого класса, вы знаете, что повышение температуры — это и есть повышение средней кинетической энергии молекул.

Пример решения задачи.

Задача. Мальчик на санках скатывается с холма высотой 10 м. Общая масса мальчика и саней равна 45 кг. Найдите работу силы тяжести и работу силы трения, если у подножья холма мальчик достиг скорости, равной 12 м/с.