Энергия – физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одной формы в другие формы движения.
В зависимости от вида движения энергию условно разделяют на механическую, тепловую, электромагнитную, ядерную и др.
Механическая энергия – физическая величина, являющаяся универсальной количественной мерой движения и взаимодействия тел. Существует два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная энергии.
Состояние системы определяется положением тел относительно друг друга и их скоростями.
Выясним, как энергия тел зависит от их скоростей.
Чтобы количественно характеризовать переход энергии из одного вида в другой или передачу энергии между взаимодействующими телами, вводится понятие работы силы.
В простейшем случае постоянная силаF, действующая на прямолинейно движущееся тело и направленная вдоль положительного направления оси ОХ, совершает работу A
Согласно второму закону Ньютона :
Если на тело действует постоянная сила, оно будет двигаться с постоянным ускорением а вдоль оси ОХ. Изменение его координатыDх при переходе из начального положения в конечное определим из уравнения кинематики
Подставляя формулы (2) и (3) в уравнение (1), получим:
Формула (4) получена для случая прямолинейного движения под действием постоянной силы. Она справедлива и в тех случаях, когда на тело действует переменная сила и оно движется по криволинейной траектории.
Величина:
Она определяется работой, которую надо совершить, чтобы сообщить телу данную скорость. Кинетическая энергия измеряется в Дж (джоуль). Если силу, под действием которой тело движется, направить в противоположную сторону перемещения тела, работа будет отрицательная, а кинетическая энергия будет убывать.
Кинетическая энергия зависит от выбора системы отсчета. В разных инерциальных системах отсчета, движущихся друг относительно друга, скорость тела, а, значит, и его кинетическая энергия будут разные.
Кинетическая энергия является функцией состояния системы, так как зависит только от массы и скорости тела в данный момент времени, она всегда положительная величина.
С учетом формулы (5) уравнение (4) можно записать в виде:
Равенство (6) есть теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии тела за некоторый промежуток времени равно работе, совершенной за это же время силой, действующей на тело.
Потенциальная энергия – часть механической энергии системы, которая определяется взаимным расположением тел (или их частей) и характером сил взаимодействия между ними. Обозначим потенциальную энергию через Ер.
Рассмотрим взаимодействие тел, осуществляемое посредством потенциальных полей (поле гравитационных сил, поле упругих сил). Силы, действующие на тело в потенциальных полях, называются консервативными, так как работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений тела.
Потенциальное поле – сила тяжести Земли. На небольших расстояниях от поверхности Земли сила тяжести постоянная и равна mg. Если тело первоначально находилось на высоте h1, а затем на высотеh2, работа силы тяжести:
Нулевой уровень – это высота, для которой потенциальная энергия принята равной нулю Еп=0..
Так как начало отсчета выбирается произвольно, то потенциальная энергия может иметь отрицательное значение, в отличие от кинетической энергии, которая всегда положительная. Знак минус перед изменением потенциальной энергии означает, что при отрицательной работе (тело брошено вертикально вверх) потенциальная энергия тела увеличивается и, наоборот, при положительной работе (тело падает) потенциальная энергия тела уменьшается.
Если за нулевой уровень взять поверхность Земли, то на дне колодца глубиной h1 потенциальная энергия тела будет иметь отрицательное значение
E = –m×g×h1
Знак и численное значение потенциальной энергии зависит от выбора нулевого уровня. Работа, которая совершается при перемещении тела, не зависит от выбора нулевого уровня, так как она равна изменению потенциальной энергии.
В отличие от кинетической потенциальная энергия не зависит от скорости движения тела, поэтому потенциальной энергией обладает покоящееся тело.
Рассмотрим, как определяется потенциальная энергия для упругодеформированного тела. Работа сил упругости:
Работу всех консервативных сил можно выразить через изменение потенциальной энергии. Под изменением величины понимают разность между ее конечным и начальным значениями. Следовательно, уравнения (7) и (8) можно записать в виде:
Уравнение (9) выражает теорему об изменении потенциальной энергии: изменение потенциальной энергии равно работе, совершаемой консервативными силами, взятой с противоположным знаком.
Подпишись и будь
в курсе новых событий и новостей!
