Условие
3.4.14. Частица при действии на нее силы $F=F_{0}\cos\omega t$ колеблется по закону $x=A\cos(\omega t-\varphi)$ . Какова средняя мощность этой силы?
Решение
По определению средняя мощность силы:
$$N=\left\langle F\cdot \upsilon \right\rangle$$
усреднение будет идти по времени. Скорость частицы найдем дифференцированием координаты:
$$\upsilon=\frac{dx}{dt}=-A\omega \sin(\omega t-\varphi)$$
Подставим в выражение для средней мощности силу и скорость:
$$N=\left\langle F_{0}\cos\omega t\cdot (-A\omega \sin(\omega t-\varphi)) \right\rangle$$ $$N=-AF_{0}\omega\left\langle \cos\omega t\cdot \sin(\omega t-\varphi) \right\rangle \tag{1}$$
Воспользуемся тригонометрической формулой:
$$\cos\omega t\cdot \sin(\omega t-\varphi)=\frac{1}{2}\left[ \sin(2\omega t-\varphi)-\sin\varphi \right] \tag{2}$$
Подставим (2) в (1) :
$$N=-AF_{0}\omega\left\langle \frac{1}{2}\left[ \sin(2\omega t-\varphi)-\sin\varphi \right] \right\rangle=-\frac{1}{2}A\omega F_{0}\left\langle \sin(2\omega t-\varphi) \right\rangle+\frac{1}{2}A\omega F_{0}\sin\varphi$$
Среднее значение за период функции $\sin(2\omega t-\varphi)$ равно 0 (одинаковый вклад как положителных значений, так и отрицательных). Окончательно получим:
$$N=\frac{1}{2}\omega F_{0}A\sin\varphi$$
Альтернативное решение
Мощность по определению
$$P=Fv.$$
Скорость
$$v=\dot x=-A\omega\sin\left(\omega t-\varphi\right).$$
По формуле приведения это пишем через косинус
\begin{align*} v=&-A\omega\sin\left(\pi/2+\omega t-\varphi-\pi/2\right)=\\ &-A\omega\cos\left(\omega t-\varphi-\pi/2\right). \end{align*}
Подставляем это в мощность с учетом для силы
$$P=-F_0A\omega\cos\left(\omega t\right)\cos\left(\omega t-\varphi-\pi/2\right)$$
и используем тригонометрическое
$$2\cos\alpha\cos\beta=\cos(\alpha+\beta)+\cos(\alpha-\beta),$$
что дает
$$P=-\frac{F_0A\omega}{2}\left[\cos\left(2\omega t-\varphi-\pi/2\right)+\cos(\varphi+\pi/2)\right].$$
или
$$P=-\frac{F_0A\omega}{2}\left[\cos\left(2\omega t-\varphi-\pi/2\right)-\sin\varphi\right].$$
Средняя мощность за период
$$\langle P\rangle=\langle-\frac{F_0A\omega}{2}\left[\cos\left(2\omega t-\varphi-\pi/2\right)-\sin\varphi\right]\rangle.$$
Равна сумме средних правой части
$$\langle P\rangle=\frac{1}{2}\omega F_{0}A\sin\varphi$$
(использовали, что среднее первого слагаемого равно нулю).
Литература
[1] И. Яковлев. Среднее значение функции. Материалы по физике. mathus.ru.
[2] Зельдович Я.Б. Высшая математика для начинающих физиков и техников. ИТФ Ландау. 1982.
[3] И. Яковлев. Тригонометрические формулы. mathus.ru.
Ответ
$N=\frac{1}{2}\omega F_{0}A\sin\varphi$