Physics For Scientists And Engineers 6E - part 48

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 48

 

 

SECTION 7.4 •  Work Done by a Varying Force

189

Example 7.4 Calculating Total Work Done from a Graph

A  force  acting  on  a  particle  varies  with  x, as  shown  in
Figure 7.8. Calculate the work done by the force as the parti-
cle moves from # 0 to # 6.0 m.

Solution The work done by the force is equal to the area
under  the  curve  from  x

A

#

0  to  x

C

#

6.0  m.  This  area  is

equal  to  the  area  of  the  rectangular  section  from  ! to  "
plus  the  area  of  the  triangular  section  from  " to  #.  The
area of the rectangle is (5.0 N)(4.0 m) # 20 J, and the area
of the triangle is 

. Therefore, the to-

tal work done by the force on the particle is 

25 J.

1

2

(5.0

 

N)(2.0

 

m) # 5.0

  

J

Example 7.5 Work Done by the Sun on a Probe

Graphical  Solution The  negative  sign  in  the  equation  for
the  force  indicates  that  the  probe  is  attracted  to  the  Sun. 
Because  the  probe  is  moving  away  from  the  Sun,  we  expect 
to obtain a negative value for the work done on it. A spread-
sheet  or  other  numerical  means  can  be  used  to  generate  a
graph like that in Figure 7.9b. Each small square of the grid 
corresponds  to  an  area  (0.05 N)(0.1 * 10

11

m) # 5 * 10

8

J. 

The work done is equal to the shaded area in Figure 7.9b. Be-
cause  there  are  approximately  60  squares  shaded,  the  total

The  interplanetary  probe  shown  in  Figure  7.9a  is  attracted
to the Sun by a force given by

in  SI  units,  where  is  the  Sun-probe  separation  distance.
Graphically  and  analytically  determine  how  much  work  is
done by the Sun on the probe as the probe

Sun separation

changes from 1.5 * 10

11

m to 2.3 * 10

11

m.

F  #  &

1.3 * 10

22

x

2

1

2

3

4

5

6

x(m)

0

5

F

x

(N)

#

!

"

Figure 7.8 (Example 7.4) The force acting on a particle is con-

stant for the first 4.0 m of motion and then decreases linearly

with from x

B

#

4.0 m to x

C

#

6.0 m. The net work done by

this force is the area under the curve.

If the size of the displacements is allowed to approach zero, the number of terms in
the sum increases without limit but the value of the sum approaches a definite value
equal to the area bounded by the F

x

curve and the axis:

Therefore, we can express the work done by F

x

as the particle moves from x

i

to x

f

as

(7.7)

This equation reduces to Equation 7.1 when the component F

x

#

cos ! is constant.

If more than one force acts on a system and the system can be modeled as a particle, the

total work done on the system is just the work done by the net force. If we express the
net force in the direction as +F

x

, then the total work, or net work, done as the particle

moves from x

i

to x

f

is

(7.8)

If  the  system  cannot  be  modeled  as  a  particle  (for  example,  if  the  system  consists  of
multiple particles that can move with respect to each other), we cannot use Equation
7.8.  This  is  because  different  forces  on  the  system  may  move  through  different  dis-
placements. In this case, we must evaluate the work done by each force separately and
then add the works algebraically.

#

W

net

#

$

x

f

x

i

 

%

#

 

F

x

&

 

dx

#

$

x

f

x

i

 F

x

 

dx

lim

"

:0

#

x

f

x

i

 F

x

"

#

$

x

f

x

i

 F

x

dx

(a)

F

x

Area  =  

A = F

x

 

x

F

x

x

x

f

x

i

x

(b)

F

x

x

x

f

x

i

Work

Figure 7.7 (a) The work done by

the force component F

x

for the

small displacement "is F

x

"

x,

which equals the area of the shaded

rectangle. The total work done for

the displacement from x

i

to x

f

is ap-

proximately equal to the sum of the

areas of all the rectangles. (b) The

work done by the component F

x

of

the varying force as the particle

moves from x

i

to x

f

is exactly equal to

the area under this curve. 

190

CHAPTE R 7 •  Energy and Energy Transfer

Mars’s

orbit

Earth’s orbit

Sun

(a)

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

x(

× 10

11

m)

0.0

–0.1

–0.2

–0.3

–0.4

–0.5

–0.6

–0.7

–0.8

–0.9

–1.0

F(N)

(b)

Figure 7.9 (Example 7.5) (a) An interplanetary

probe moves from a position near the Earth’s or-

bit radially outward from the Sun, ending up near

the orbit of Mars. (b) Attractive force versus dis-

tance for the interplanetary probe. 

Spring force

area (which is negative because the curve is below the axis)
is about & 3 * 10

10

J. This is the work done by the Sun on

the probe.

Analytical Solution We can use Equation 7.7 to calculate
a more precise value for the work done on the probe by the
Sun.  To  solve  this  integral,  we  make  use  of  the  integral

with # & 2:

# &

3.0 * 10

10

 J

  # (&

 

1.3 * 10

22

)

%

&

 

1

2.3 * 10

11

&

&

 

1

1.5 * 10

11

&

  # (&

 

1.3 * 10

22

)

%

x

&

 

1

&

 

1

&'

2.3*10

11

1.5*10

11

  # (&1.3 * 10

22

)

$

2.3*10

11

1.5*10

11

x

&

2

dx

W  #

$

2.3*10

11

1.5*10

11

%

&

1.3 * 10

22

x

2

&

 

dx

$x

n

dx  #  x

n)1

/() 1)

Work Done by a Spring

A model of a common physical system for which the force varies with position is shown
in Figure 7.10. A block on a horizontal, frictionless surface is connected to a spring. If
the  spring  is  either  stretched  or  compressed  a  small  distance  from  its  unstretched
(equilibrium) configuration, it exerts on the block a force that can be expressed as

(7.9)

where is the position of the block relative to its equilibrium (# 0) position and is
a positive constant called the 

force constant or the spring constant of the spring. In

other words, the force required to stretch or compress a spring is proportional to the
amount  of  stretch  or  compression  x.  This  force  law  for  springs  is  known  as 

Hooke’s

law. The value of is a measure of the stiffness of the spring. Stiff springs have large k
values, and soft springs have small values. As can be seen from Equation 7.9, the units
of are N/m.

The negative sign in Equation 7.9 signifies that the force exerted by the spring is al-

ways directed opposite to the displacement from equilibrium. When , 0 as in Figure
7.10a, so that the block is to the right of the equilibrium position, the spring force is di-
rected to the left, in the negative direction. When ' 0 as in Figure 7.10c, the block
is to the left of equilibrium and the spring force is directed to the right, in the positive
direction.  When  # 0  as  in  Figure  7.10b,  the  spring  is  unstretched  and  F

s

#

0.

F

s

# &

kx

SECTION 7.4 •  Work Done by a Varying Force

191

Because  the  spring  force  always  acts  toward  the  equilibrium  position  (# 0),  it  is
sometimes called a restoring force. If the spring is compressed until the block is at the
point  & x

max

and  is  then  released,  the  block  moves  from & x

max

through  zero  to

)

x

max

. If the spring is instead stretched until the block is at the point ) x

max

and is

then  released,  the  block  moves  from ) x

max

through  zero  to & x

max

.  It  then  reverses

direction, returns to )x

max

, and continues oscillating back and forth.

Suppose the block has been pushed to the left to a position &x

max

and is then re-

leased. Let us identify the block as our system and calculate the work W

s

done by the

spring  force  on  the  block  as  the  block  moves  from  x

i

# &

x

max

to  x

f

#

0.  Applying

(c)

(b)

(a)

x

x = 0

F

s

 is negative.

  x is positive.

x

x = 0

F

s

 = 0

 x = 0

x

x = 0

x

x

F

s

 is positive.

  x is negative.

F

s

x

0

kx

max

x

max

F

s

 = –kx

(d)

Area = – kx

2

max

1
2

Active Figure 7.10 The force exerted by a spring on a block varies with the block’s

position relative to the equilibrium position # 0. (a) When is positive (stretched

spring), the spring force is directed to the left. (b) When is zero (natural length of

the spring), the spring force is zero. (c) When is negative (compressed spring), the

spring force is directed to the right. (d) Graph of F

s

versus for the block

spring

system. The work done by the spring force as the block moves from &x

max

to 0 is 

the area of the shaded triangle, 

.

1

2

kx

2

max

At the Active Figures

link at http://www.pse6.com,
you can observe the block’s
motion for various maximum
displacements and spring
constants.

192

CHAPTE R 7 •  Energy and Energy Transfer

Equation 7.7 and assuming the block may be treated as a particle, we obtain

(7.10)

where we have used the integral 

with # 1. The work done by

the spring force is positive because the force is in the same direction as the displace-
ment of the block (both are to the right). Because the block arrives at # 0 with some
speed, it will continue moving, until it reaches a position )x

max

. When we consider the

work done by the spring force as the block moves from x

i

#

0 to x

f

#

x

max

, we find that

because for this part of the motion the displacement is to the right and

the spring force is to the left. Therefore, the net work done by the spring force as the
block moves from x

i

# &

x

max

to x

f

#

x

max

is zero.

Figure  7.10d  is  a  plot  of  F

s

versus  x.  The  work  calculated  in  Equation  7.10  is  the

area of the shaded triangle, corresponding to the displacement from &x

max

to 0. Be-

cause the triangle has base x

max

and height kx

max

, its area is 

the work done by

the spring as given by Equation 7.10.

If  the  block  undergoes  an  arbitrary  displacement  from  x

i

to  x

f

,  the  work

done by the spring force on the block is

(7.11)

For example, if the spring has a force constant of 80 N/m and is compressed 3.0 cm
from  equilibrium,  the  work  done  by  the  spring  force  as  the  block  moves  from
x

i

# &

3.0 cm to its unstretched position x

f

#

0 is 3.6 * 10

&

2

J. From Equation 7.11 we

also see that the work done by the spring force is zero for any motion that ends where
it began (x

i

#

x

f

). We shall make use of this important result in Chapter 8, in which we

describe the motion of this system in greater detail.

Equations 7.10 and 7.11 describe the work done by the spring on the block. Now let

us consider the work done on the spring by an external agent that stretches the spring very
slowly from x

i

#

0 to x

f

#

x

max

, as in Figure 7.11. We can calculate this work by noting

that at any value of the position, the applied force

F

app

is equal in magnitude and opposite

in direction to the spring force 

F

s

, so that F

app

# &

(&kx) # kx. Therefore, the work done

by this applied force (the external agent) on the block–spring system is

This  work  is  equal  to  the  negative  of  the  work  done  by  the  spring  force  for  this  dis-
placement.

The work done by an applied force on a block–spring system between arbitrary po-

sitions of the block is

(7.12)

Notice that this is the negative of the work done by the spring as expressed by Equa-
tion 7.11. This is consistent with the fact that the spring force and the applied force are
of equal magnitude but in opposite directions.

W

F

app

#

$

x

f

x

i

F

app

dx #

$

x

f

x

i

kx dx #

1

2

kx

2

f

&

1

2

kx

2

i

W

F

app

#

$

x

max

0

F

app

dx #

$

x

max

0

kx dx #

1

2

kx

2

max

W

s

#

$

x

f

x

i

(&

 

kx)dx #

1

2

kx

2

i

&

1

2

kx

2

f

1

2

kx

2

max

,

W

s

# &

1

2

kx

2

max

$x

n

dx x

n)1

/() 1)

W

s

#

$

x

f

x

i

F

s

dx #

$

0

&

x

max

(&

 

kx)dx #

1

2

 

kx

2

max

x

i

 = 0

x

f

 = x

max

F

s

F

app

Figure 7.11 A block being pulled

from x

i

#

0 to x

f

#

x

max

on a fric-

tionless surface by a force F

app

. If

the process is carried out very

slowly, the applied force is equal in

magnitude and opposite in direc-

tion to the spring force at all times. 

Quick Quiz 7.5

A dart is loaded into a spring-loaded toy dart gun by pushing

the spring in by a distance d. For the next loading, the spring is compressed a distance
2d. How much work is required to load the second dart compared to that required to
load the first? (a) four times as much (b) two times as much (c) the same (d) half as
much (e) one-fourth as much.

Work done by a spring

 

 

 

 

 

 

 

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