Нулевая работа силы — движение по окружности
Сила действует на тело, тело движется — а работа при этом равна нулю. Звучит как противоречие, но это одна из самых частых ловушек в задачах по физике, и понимание этого случая помогает сразу упрощать многие сложные задачи.
Когда работа силы равна нулю
УСЛОВИЕ
Работа силы равна нулю, если сила перпендикулярна перемещению (угол 90°), так как cos 90° = 0. Сила при этом никак не помогает и не мешает движению вдоль его направления — она лишь меняет направление скорости, но не её величину.
Классика: движение по окружности
Самый важный пример нулевой работы — равномерное движение по окружности. Центростремительная сила всегда направлена к центру окружности, то есть перпендикулярно скорости тела (которая направлена по касательной к траектории) в каждый момент времени.
ВАЖНЫЙ ВЫВОД
Работа центростремительной силы при равномерном движении по окружности всегда равна нулю. Именно поэтому скорость тела при таком движении не меняется по модулю — сила только «поворачивает» вектор скорости, не разгоняя и не тормозя тело.
Другие примеры нулевой работы
Сила реакции опоры при горизонтальном движении
Когда тело скользит по горизонтальной поверхности, сила реакции опоры (N) направлена вертикально вверх, а перемещение — горизонтально. Угол 90°, работа силы реакции опоры равна нулю.
Сила натяжения нити при вращении груза на верёвке
Если груз крутят на верёвке по окружности, сила натяжения направлена вдоль верёвки к центру, а груз движется по касательной. Это тот же случай, что и с центростремительной силой — работа равна нулю.
Решение задач
Задача 1. Спутник на орбите
Условие: спутник движется по круговой орбите вокруг Земли с постоянной по модулю скоростью. Какую работу совершает сила гравитации за один полный оборот?
Решение:
Сила гравитации всегда направлена к центру Земли, то есть перпендикулярно скорости спутника (движение по окружности). Значит, работа силы гравитации на каждом малом участке пути равна нулю, а значит и за весь оборот тоже.
Ответ: A = 0 Дж.
Задача 2. Тело на горизонтальном столе
Условие: брусок массой 3 кг проехал по горизонтальному столу 2 м под действием горизонтальной силы. Найди работу силы тяжести и силы реакции опоры на этом участке.
Решение:
И сила тяжести (вниз), и сила реакции опоры (вверх) перпендикулярны горизонтальному перемещению бруска — угол 90° в обоих случаях.
Ответ: обе работы равны нулю, независимо от массы тела и пройденного пути.
Краткий итог
ГЛАВНОЕ
Если сила в любой момент времени перпендикулярна скорости тела (движение по окружности, реакция опоры на горизонтальной поверхности), её работа равна нулю. Такая сила меняет направление движения, но не его скорость по модулю.
Вопросы и ответы
Оцените урок:
