功、能量與功率
保守力(conservative force)
想像你把一本書搬上架子,再搬回原來的位置。重力在你往上搬時從你這裡拿走能量,又在往下搬時原封不動地還回來——這趟來回一毛錢也沒花。保守力(conservative force)就是這樣運作的力:它在一條路徑上拿走多少能量,就在反向的路徑上還回多少,所以繞一整圈剛好打平。
精確地說,一個力若在兩點之間移動物體所做的功只取決於這兩點——起點和終點——而完全與所走的路線無關,它就是保守力。一個等價的檢驗是:它繞任何一條封閉迴路所做的淨功恰好為零。正是這個特殊性質,讓我們能為這個力發明一個位能 U,並定義成做的功等於位能變化的負值,W = -ΔU。對於通不過這項檢驗的力,就無法定義這樣的能量。
重力、理想彈簧的拉力、以及電荷之間的電力,全都是保守力。摩擦力則是經典的反例:拖著木塊繞一圈回到起點,摩擦力一路都在偷走能量、從不歸還,所以它繞一圈並不打平。這個區別極其重要,因為機械能只有在做功的力都是保守力時才守恆。
讓一個無摩擦的冰球從 A 滑到 B,隨你走哪條路——直直穿過,或先上山越過再下來。重力每一次做的淨功都完全相同,因為它只取決於 A 和 B 的高度差,而與路徑的曲折無關。
對保守力而言,只有起點和終點重要——從 A 到 B 的每一條路徑代價都相同。
「保守」並不是「小心」或「省能量」的意思——它指的是與路徑無關。這個名稱是在提示:這種力能讓機械能守恆;而與路徑有關的摩擦力則不能。
又稱
另見