功、能量與功率

功能定理(work-energy theorem)

推購物車,它會加速;拖著腳,它會減速。功能定理(work-energy theorem)就是把推和速度之間這層關係講清楚的漂亮陳述。它說:對物體所做的總功(淨功)會完全轉化為它動能的改變——帳目上一點也不會漏掉。

用符號寫,W_net = ΔK = K_f - K_i = 1/2 m v_f^2 - 1/2 m v_i^2,其中 W_net 是所有力合起來的淨功,K_i 與 K_f 是前後的動能。如果淨功為正,物體加速;為負,減速;為零,速率不變(即使方向轉了)。這直接由牛頓第二運動定律推得——它就是把 F = m a 從力與時間的語言,改寫成能量與距離的語言。

它的威力在於:讓你能從力直接跳到速率,而不必逐時逐刻追蹤加速度那些繁瑣細節。想知道雲霄飛車在低谷底部的速率?把整段軌道上重力和摩擦力所做的功加起來,令它等於 1/2 m v^2 的變化,解出來就好——不需要時鐘,也不需要一步步追運動。就算力沿途一直在變,它照樣成立。

一個 0.5 kg 的冰球以 4 m/s 滑行,被球桿推了一下,球桿對它做了 6 J 的功。新的動能:K_f = K_i + W = (1/2 x 0.5 x 4^2) + 6 = 4 + 6 = 10 J。於是 1/2 x 0.5 x v_f^2 = 10,得 v_f^2 = 40,v_f 約為 6.3 m/s。

把功加到起始動能上得到末動能,再讀出新的速率。

定理用的是淨功——所有力做的功加總起來。常見的錯誤是只代入你關心的那個力(例如你的推力)所做的功,卻忘了摩擦力或重力可能也在做功;要把它們全部連同正負號一起算進去。

又称
work-KE theorem功能定理