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. Окончательно получим:
$$N=\frac{1}{2}\omega F_{0}A\sin\varphi$$
Ответ
$N=\frac{1}{2}\omega F_{0}A\sin\varphi$