Мета цієї статті - розкрити сутність поняття «механічна енергія». Фізика широко використовує це поняття як практично, так і теоретично.
Робота і енергія
Механічну роботу можна визначити, якщо відомі сила, що діє на тіло, і переміщення тіла. Існує й інший спосіб для розрахунку механічної роботи. Розглянемо приклад:
На малюнку зображено тіло, яке може перебувати в різних механічних станах (I і II). Процес переходу тіла зі стану I у стан II характеризується механічною роботою, тобто при переході зі стану I у стан II тіло може здійснити роботу. При здійсненні роботи змінюється механічний стан тіла, а механічне стан можна охарактеризувати однією фізичною величиною - енергією.
Енергія - це скалярна фізична величина всіх форм руху матерії і варіантів їх взаємодії.
Чому дорівнює механічна енергія
Механічної енергією називають скалярну фізичну величину, яка визначає здатність тіла виконувати роботу.
А = ДЕ
Оскільки енергія - це характеристика стану системи в певний момент часу, то робота - це характеристика процесу зміни стану системи.
Енергія і робота мають однакові одиницями виміру: [А] = [Е] = 1 Дж.
Види механічної енергії
Механічна вільна енергія ділиться на два види: кінетичну і потенційну.
Кінетична енергія - це механічна енергія тіла, яка визначається швидкістю його руху.
Еk = 1 / 2mv2
Кінетична енергія властива рухомим тілам. Зупиняючись, вони виконують механічну роботу.
У різних системах відліку швидкості одного і того ж тіла в довільний момент часу можуть бути різними. Тому кінетична енергія - відносна величина, вона обумовлюється вибором системи відліку.
Якщо на тіло під час руху діє сила (або одночасно кілька сил), кінетична енергія тіла змінюється: тіло прискорюється або зупиняється. При цьому робота сили або робота рівнодіючої всіх сил, які прикладені до тіла, буде дорівнювати різниці кінетичних енергій:
A = Ek1 - Ek2 = ДЕk
Цьому твердженню і формулою дали назву - теорема про кінетичної енергії.
потенційною енергією іменують енергію, обумовлену взаємодією між тілами.
При падінні тіла масою m з висоти h сила тяжіння виконує роботу. Оскільки робота і зміна енергії пов`язані рівнянням, можна записати формулу для потенційної енергії тіла в полі сили тяжіння:
Ep = mgh
На відміну від кінетичної енергії Ek потенційна Ep може мати від`ємне значення, коли hlt; 0 (Наприклад, тіло, що лежить на дні колодязя).
Ще одним видом механічної потенційної енергії є енергія деформації. Стисла на відстань x пружина з жорсткістю k має потенційну енергію (енергію деформації):
Ep = 1/2 kx2
Енергія деформації знайшла широке застосування на практиці (іграшки), в техніці - автомати, реле та інші.
E = Ep + Ek
Повною механічною енергією тіла називають суму енергій: кінетичної і потенційної.
Закон збереження механічної енергії
Одні з найбільш точних дослідів, які провели в середині XIX століття англійський фізик Джоуль і німецький фізик Майер, показали, що кількість енергії в замкнутих системах залишається незмінною. Вона лише переходить від одних тіл до інших. Ці дослідження допомогли відкрити закон збереження енергії:
Повна механічна енергія ізольованої системи тіл залишається постійною при будь-яких взаємодіях тіл між собою.
На відміну від імпульсу, який не має еквівалентної форми, енергія має багато форм: механічну, теплову, енергію молекулярного руху, електричну енергію з силами взаємодії зарядів і інші. Одна форма енергії може переходити в іншу, наприклад, в теплову кінетична енергія переходить в процесі гальмування автомобіля. якщо сил тертя немає, і тепло не утворюється, то повна механічна енергія не втрачається, а залишається постійною в процесі руху або взаємодії тел:
E = Ep + Ek = const
Коли діє сила тертя між тілами, тоді відбувається зменшення механічної енергії, однак і в цьому випадку вона не губиться безслідно, а переходить в теплову (внутрішню). Якщо над замкнутою системою виконує роботу зовнішня сила, то відбувається збільшення механічної енергії на величину виконаної цією силою роботи. Якщо ж замкнута система виконує роботу над зовнішніми тілами, тоді відбувається скорочення механічної енергії системи на величину виконаної нею роботи.
Кожен вид енергії може перетворюватися повністю в довільний інший вид енергії.
