Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии – один из основных законов всей физики. Данная тема будет встречаться как в механике, так и в электродинамике и применима даже для квантовой физики. Но мы начнем с закона сохранения энергии в механике.

Прежде чем говорить о законе сохранения энергии, поговорим о том, что такое замкнутая система. Замкнутой системой называется система, которая не взаимодействует с окружающей средой, или ее полная сила взаимодействия с окружающей средой равна нулю. Другими словами, в такой системе отсутствуют внешние силы, либо все внешние силы друг друга компенсируют.

Так вот, в такой системе полная механическая энергия будет сохраняться.

А полная механическая энергия – это всегда сумма кинетической и потенциальной энергий в определенный момент времени.

Чем нам интересны такие системы? А тем, что у нас автоматически есть одно уравнение, которое всегда выполняется.

Нередко бывают случаи, когда в начальный момент вся полная энергия сосредоточена в потенциальной энергии, потом она переходит в кинетическую, и в определенный момент времени вся потенциальная энергия переходит в кинетическую, наступает момент максимума кинетической энергии. В таком случае мы можем говорить, что максимум кинетической энергии будет равен максимуму потенциальной энергии, потому что обе эти энергии равны полной механической энергии. Сейчас может возникнуть ощущение, что ничего не понятно, но давайте разберем конкретный случай, и всё встанет на свои места.

Пример:

У нас есть математический маятник. Мы отвели шарик в крайнее правое положение и отпустили. После чего маятник начал колебаться. Будем считать для простоты, что колебания незатухающие (такой мини вечный двигатель, который будет колебаться вечно). Также для определения потенциальной энергии примем за нулевую высоту нижнюю точку траектории (потенциальная энергия в нижней точке траектории равна нулю).

1) В таком случае в начальный момент, когда мы отвели шарик в крайнее правое положение, высота шарика над нижней точкой траектории максимальна. Соответственно, потенциальная энергия тоже максимальна, примем её равной:Скорость в начальный момент будет равна нулю, потому что шарик еще не успел разогнаться, соответственно кинетическая энергия будет равна нулю: Запишем выражение для полной механической энергии:

2) Далее рассмотрим момент, когда шарик проходит нижнюю точку траектории. Мы уже решили, что потенциальная энергия в этой точке будет равна нулю. Скорость же будет достигать максимального значения, потому что после прохождения этой точки шарик начнет подниматься вверх и замедляться. Соответственно, кинетическая энергия тоже принимает максимальное значение:Запишем выражение для полной механической энергии: Полная механическая энергия сохраняется, поэтому: Следовательно:Это не единственный случай, в котором полная механическая энергия системы сохраняется. Но нужно помнить, что если есть диссипативные силы (сила сопротивления, сила трения), то энергия уже не будет сохраняться, а будет расходоваться на работу против сил сопротивления.

Получить бесплатный урок по любому предмету!

#егэ #егэпофизике #физика