Physics For Scientists And Engineers 6E - part 60

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 60

 

 

SECTION 8.6 •  Energy Diagrams and Equilibrium of a System

237

spring.  As  the  block  starts  to  move,  the  system  acquires  kinetic  energy  and  loses  an
equal amount of potential energy. Because the total energy of the system must remain
constant,  the  block  oscillates  (moves  back  and  forth)  between  the  two  points
" #x

max

and " % x

max

, called the turning points. In fact, because no energy is lost

(no  friction),  the  block  will  oscillate  between # x

max

and % x

max

forever.  (We  discuss

these oscillations further in Chapter 15.) From an energy viewpoint, the energy of the
system cannot exceed 

therefore, the block must stop at these points and, be-

cause of the spring force, must accelerate toward " 0.

Another simple mechanical system that has a configuration of stable equilibrium is

a ball rolling about in the bottom of a bowl. Anytime the ball is displaced from its low-
est position, it tends to return to that position when released.

Now consider a particle moving along the axis under the influence of a conserva-

tive force F

x

, where the U-versus-curve is as shown in Figure 8.17. Once again, F

x

"

0 at

" 0, and so the particle is in equilibrium at this point. However, this is a position of 

un-

stable  equilibrium for the following reason: Suppose that the particle is displaced to
the right (, 0). Because the slope is negative for , 0, F

x

" #

dU/dx is positive, and

the  particle  accelerates  away  from  " 0.  If  instead  the  particle  is  at  " 0  and  is  dis-
placed to the left (- 0), the force is negative because the slope is positive for - 0,
and  the  particle  again  accelerates  away  from  the  equilibrium  position.  The  position 
" 0 in this situation is one of unstable equilibrium because for any displacement from
this point, the force pushes the particle farther away from equilibrium. The force pushes
the particle toward a position of lower potential energy. A pencil balanced on its point is
in a position of unstable equilibrium. If the pencil is displaced slightly from its absolutely
vertical position and is then released, it will surely fall over. In general, 

configurations

of unstable equilibrium correspond to those for which U(x) is a maximum.

Finally, a situation may arise where is constant over some region. This is called a

configuration of 

neutral equilibrium. Small displacements from a position in this re-

gion produce neither restoring nor disrupting forces. A ball lying on a flat horizontal
surface is an example of an object in neutral equilibrium.

1

2

kx

2

max

;

0

x

U

Negative slope

x > 0

Positive slope

x < 0

Figure 8.17 A plot of versus for

a particle that has a position of un-

stable equilibrium located at " 0.

For any finite displacement of the

particle, the force on the particle is

directed away from " 0.

Example 8.11 Force and Energy on an Atomic Scale

The potential energy associated with the force between two
neutral  atoms  in  a  molecule  can  be  modeled  by  the
Lennard–Jones potential energy function:

where is the separation of the atoms. The function U(x) con-
tains two parameters . and / that are determined from experi-
ments. Sample values for the interaction between two atoms in
a molecule are . " 0.263 nm and / " 1.51 0 10

#

22

J.

(A)

Using a spreadsheet or similar tool, graph this function

and find the most likely distance between the two atoms.

Solution We  expect  to  find  stable  equilibrium  when  the
two atoms are separated by some equilibrium distance and
the potential energy of the system of two atoms (the mole-
cule) is a minimum. One can minimize the function U(x) by
taking its derivative and setting it equal to zero:

"

4/

 

 

&

#

 

12.

12

x

13

#

#

 

6.

6

x

7

'

"

0

dU(x)

dx

"

4/

 

 

d

dx

 

 

&

(

.

x

)

12

#

(

.

x

)

6

'

"

0

U(x) " 4/

 

 

&

(

.

x

)

12

#

(

.

x

)

6

'

Solving for x—the equilibrium separation of the two atoms
in the molecule—and inserting the given information yields

"

We graph the Lennard–Jones function on both sides of

this critical value to create our energy diagram, as shown in
Figure  8.18a.  Notice  that  U(x)  is  extremely  large  when  the
atoms are very close together, is a minimum when the atoms
are  at  their  critical  separation,  and  then  increases  again  as
the atoms move apart. When U(x) is a minimum, the atoms
are in stable equilibrium; this indicates that this is the most
likely separation between them.

(B)

Determine F

x

(x)—the force that one atom exerts on the

other in the molecule as a function of separation—and ar-
gue  that  the  way  this  force  behaves  is  physically  plausible
when the atoms are close together and far apart.

Solution Because the atoms combine to form a molecule, the
force must be attractive when the atoms are far apart. On the
other  hand,  the  force  must  be  repulsive  when  the  two  atoms
are very close together. Otherwise, the molecule would collapse
in on itself. Thus, the force must change sign at the critical sep-
aration,  similar  to  the  way  spring  forces  switch  sign  in  the
change  from  extension  to  compression.  Applying  Equation
8.18 to the Lennard–Jones potential energy function gives

2.95 0 10

#

10

 m.

Neutral equilibrium

Unstable equilibrium

238

CHAPTE R 8 •  Potential Energy

"

4/

 

&

12.

12

x

13

#

6.

6

x

7

'

F

x

" #

 

dU(x)

dx

"

 

#

4/  

d

dx

&

(

.

x

)

12

#

(

.

x

)

6

'

This result is graphed in Figure 8.18b. As expected, the force
is positive (repulsive) at small atomic separations, zero when
the atoms are at the position of stable equilibrium [recall how
we found the minimum of U(x)], and negative (attractive) at
greater  separations.  Note  that  the  force  approaches  zero  as
the separation between the atoms becomes very great.

–20

–15

–10

–5.0

0

5.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

x(10

–10 

m)

U( 10

–23 

J )

3.0

0

6.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

F(10

–12 

N)

x(10

–10 

m)

–3.0

–6.0

(a)

(b)

Figure 8.18 (Example 8.11) (a) Potential energy curve associated with a molecule.

The distance is the separation between the two atoms making up the molecule. 

(b) Force exerted on one atom by the other.

If a particle of mass is at a distance above the Earth’s surface, the 

gravitational po-

tential energy of the particle–Earth system is

(8.2)

The 

elastic potential energy stored in a spring of force constant is

(8.11)

A reference configuration of the system should be chosen, and this configuration is of-
ten assigned a potential energy of zero.

A force is 

conservative if the work it does on a particle moving between two points

is independent of the path the particle takes between the two points. Furthermore, a
force is conservative if the work it does on a particle is zero when the particle moves
through an arbitrary closed path and returns to its initial position. A force that does
not meet these criteria is said to be 

nonconservative.

The 

total mechanical energy of a system is defined as the sum of the kinetic en-

ergy and the potential energy:

(8.8)

E

mech

 

!

 

U

U

s

 

 

 

1

2

 

kx

2

U

g

 

  

 

mg y

S U M M A R Y

Take a Practice Test for

this chapter by clicking on
the Practice Test link at
http://www.pse6.com.

the car, and in what form is it after the car stops? Answer
the same question for the case in which the brakes do not
lock, but the wheels continue to turn.
You  ride  a  bicycle.  In  what  sense  is  your  bicycle  solar-
powered?

10. In  an  earthquake,  a  large  amount  of  energy  is  “released”

and  spreads  outward,  potentially  causing  severe  damage.
In what form does this energy exist before the earthquake,
and by what energy transfer mechanism does it travel?
A  bowling  ball  is  suspended  from  the  ceiling  of  a  lecture
hall by a strong cord. The ball is drawn away from its equi-
librium  position  and  released  from  rest  at  the  tip  of  the
demonstrator’s nose as in Figure Q8.11. If the demonstrator
remains stationary, explain why she is not struck by the ball
on its return swing. Would this demonstrator be safe if the
ball were given a push from its starting position at her nose?

12. Roads  going  up  mountains  are  formed  into  switchbacks,

with the road weaving back and forth along the face of the
slope such that there is only a gentle rise on any portion of
the roadway. Does this require any less work to be done by
an  automobile  climbing  the  mountain  compared  to  dri-
ving  on  a  roadway  that  is  straight  up  the  slope?  Why  are
switchbacks used?

13. As a sled moves across a flat snow-covered field at constant

velocity,  is  any  work  done?  How  does  air  resistance  enter
into the picture?

14. You are working in a library, reshelving books. You lift a

book from the floor to the top shelf. The kinetic energy
of the book on the floor was zero, and the kinetic energy
of the book on the top shelf is zero, so there is no change

11.

9.

If a system is isolated and if no nonconservative forces are acting on objects inside the
system, then the total mechanical energy of the system is constant:

(8.9)

If  nonconservative  forces  (such  as  friction)  act  on  objects  inside  a  system,  then  me-
chanical energy is not conserved. In these situations, the difference between the total
final  mechanical  energy  and  the  total  initial  mechanical  energy  of  the  system  equals
the energy transformed to internal energy by the nonconservative forces.

potential energy function can be associated only with a conservative force. If

a  conservative  force 

F acts  between  members  of  a  system  while  one  member  moves

along the axis from x

i

to x

f

, then the change in the potential energy of the system

equals the negative of the work done by that force:

(8.16)

Systems can be in three types of equilibrium configurations when the net force on a
member  of  the  system  is  zero.  Configurations  of

stable  equilibrium  correspond  to

those  for  which  U(x)  is  a  minimum. Configurations  of

unstable  equilibrium  corre-

spond to those for which U(x) is a maximum. 

Neutral equilibrium arises where is

constant as a member of the system moves over some region.

U

f

#

U

i

" #

%

x

f

x

i

 F

x

 dx

K

f

%

U

f

"

K

i

%

U

i

Questions

239

1. If the height of a playground slide is kept constant, will the

length of the slide or the presence of bumps make any dif-
ference  in  the  final  speed  of  children  playing  on  it?  As-
sume  the  slide  is  slick  enough  to  be  considered  friction-
less. Repeat this question assuming friction is present.

2. Explain why the total energy of a system can be either posi-

tive or negative, whereas the kinetic energy is always positive.
One person drops a ball from the top of a building while
another  person  at  the  bottom  observes  its  motion.  Will
these  two  people  agree  on  the  value  of  the  gravitational
potential energy of the ball–Earth system? On the change
in potential energy? On the kinetic energy?

4. Discuss  the  changes  in  mechanical  energy  of  an

object–Earth  system  in  (a)  lifting  the  object,  (b)  holding
the object at a fixed position, and (c) lowering the object
slowly. Include the muscles in your discussion.

5. In  Chapter  7,  the  work–kinetic  energy  theorem,  " !K,

was  introduced.  This  equation  states  that  work  done  on  a
system appears as a change in kinetic energy. This is a spe-
cial-case  equation,  valid  if  there  are  no  changes  in  any
other  type  of  energy  such  as  potential  or  internal.  Give
some examples in which work is done on a system, but the
change in energy of the system is not that of kinetic energy.

6. If three conservative forces and one nonconservative force

act  within  a  system,  how  many  potential-energy  terms  ap-
pear in the equation that describes the system?

7. If only one external force acts on a particle, does it neces-

sarily change the particle’s (a) kinetic energy? (b) velocity?

8. A driver brings an automobile to a stop. If the brakes lock

so that the car skids, where is the original kinetic energy of

3.

Q U E S T I O N S

240

CHAPTE R 8 •  Potential Energy

in  kinetic  energy.  Yet  you  did  some  work  in  lifting  the
book. Is the work–kinetic energy theorem violated?

15. A ball is thrown straight up into the air. At what position is

its  kinetic  energy  a  maximum?  At  what  position  is  the
gravitational  potential  energy  of  the  ball–Earth  system  a
maximum?

16. A  pile  driver  is  a  device  used  to  drive  objects  into  the

Earth by repeatedly dropping a heavy weight on them. By
how much does the energy of the pile driver–Earth system
increase when the weight it drops is doubled? Assume the
weight is dropped from the same height each time.

17. Our  body  muscles  exert  forces  when  we  lift,  push,  run,

jump, and so forth. Are these forces conservative?

18. A block is connected to a spring that is suspended from the

ceiling. If the block is set in motion and air resistance is ne-
glected,  describe  the  energy  transformations  that  occur
within the system consisting of the block, Earth, and spring.

19. Describe  the  energy  transformations  that  occur  during 

(a)  the  pole  vault  (b)  the  shot  put  (c)  the  high  jump.
What is the source of energy in each case?

20. Discuss  the  energy  transformations  that  occur  during  the

operation of an automobile.

21. What would the curve of versus look like if a particle

were in a region of neutral equilibrium?

22. A ball rolls on a horizontal surface. Is the ball in stable, un-

stable, or neutral equilibrium?

23. Consider a ball fixed to one end of a rigid rod whose other

end pivots on a horizontal axis so that the rod can rotate
in a vertical plane. What are the positions of stable and un-
stable equilibrium?

Figure Q8.11

Section 8.1 Potential Energy of a System

1. A  1  000-kg  roller  coaster  train  is  initially  at  the  top  of  a

rise, at point !It then moves 135 ft, at an angle of 40.0°
below the horizontal, to a lower point "(a) Choose point
"

to  be  the  zero  level  for  gravitational  potential  energy.

Find  the  potential  energy  of  the  roller  coaster–Earth  sys-
tem  at  points  ! and  ",  and  the  change  in  potential  en-
ergy as the coaster moves. (b) Repeat part (a), setting the
zero reference level at point !.

2.

A 400-N child is in a swing that is attached to ropes 2.00 m
long.  Find  the  gravitational  potential  energy  of  the
child–Earth  system  relative  to  the  child’s  lowest  position
when  (a)  the  ropes  are  horizontal,  (b)  the  ropes  make  a
30.0° angle with the vertical, and (c) the child is at the bot-
tom of the circular arc.

3.

A person with a remote mountain cabin plans to install her
own  hydroelectric  plant.  A  nearby  stream  is  3.00 m  wide
and 0.500 m deep. Water flows at 1.20 m/s over the brink
of  a  waterfall  5.00 m  high.  The  manufacturer  promises
only 25.0% efficiency in converting the potential energy of
the  water–Earth  system  into  electric  energy.  Find  the
power she can generate. (Large-scale hydroelectric plants,
with a much larger drop, are more efficient.)

1

2

3

= straightforward, intermediate, challenging

= full solution available in the Student Solutions Manual and Study Guide

= coached solution with hints available at http://www.pse6.com

= computer useful in solving problem

= paired numerical and symbolic problems

P R O B L E M S

Section 8.2 The Isolated System—Conservation of

Mechanical Energy

4.

At 11:00 

A

.

M

. on September 7, 2001, more than 1 million

British  school  children  jumped  up  and  down  for  one
minute.  The  curriculum  focus  of  the  “Giant  Jump”  was
on  earthquakes,  but  it  was  integrated  with  many  other
topics, such as exercise, geography, cooperation, testing
hypotheses,  and  setting  world  records.  Children  built
their  own  seismographs,  which  registered  local  effects.
(a)  Find  the  mechanical  energy  released  in  the  experi-
ment.  Assume  that  1 050 000  children  of  average  mass
36.0 kg  jump  twelve  times  each,  raising  their  centers  of
mass  by  25.0 cm  each  time  and  briefly  resting  between
one  jump  and  the  next.  The  free-fall  acceleration  in
Britain is 9.81 m/s

2

. (b) Most of the energy is converted

very rapidly into internal energy within the bodies of the
children  and  the  floors  of  the  school  buildings.  Of  the
energy  that  propagates  into  the  ground,  most  produces
high-frequency “microtremor” vibrations that are rapidly
damped  and  cannot  travel  far.  Assume  that  0.01%  of
the energy is carried away by a long-range seismic wave.
The magnitude of an earthquake on the Richter scale is
given by

 

 

 

 

 

 

 

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