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, діюча 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 із стану I в стан II характеризується механічною роботою, тобто при переході із стану I в 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
Механічною енергією називають скалярну фізичну величину, яка визначає здатність тіла виконувати роботу.
А = ?Е
Оскільки енергія – це характеристика стану системи в певний момент часу, то робота – це характеристика процесу зміни стану системи.
Енергія і робота володіють однаковими одиницями вимірювання: [А] = [Е] = 1 Дж.
Види механічної енергії
Механічна вільна енергія ділиться на два виду: кінетичну і потенційну.
Кінетична енергія – це механічна енергія тіла, яка визначається швидкістю його руху.
Еk = 1/2mv2
Кінетична енергія притаманна рухомим тіл. 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 рівнодійної всіх сил, які прикладені до тіла, буде дорівнювати різниці кінетичних енергій:
A = Ek1 – Ek2 = ?Еk
Цим твердженням, і формулою дали назву – теорема про кінетичної енергії.
Потенційною енергією називають енергію, зумовлену 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 h<0 (наприклад, тіло, що лежало 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 Майєр, 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 та інші. Одна форма енергії може переходити в іншу, наприклад, 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 та взаємодії тіл:
E = Ep + Ek = const
Коли діє сила тертя між тілами, тоді відбувається зменшення механічної енергії, однак і в цьому випадку вона не втрачається 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.
