Одним из самых важных законов механики является закон сохранения энергии. Применительно к механике к названию добавляют логичную приписку "механической". Стоит отметить, что закон сохранения работает в природе повсеместно. Относится это не только к энергии, но и скажем, к веществу. Тематика входит в раздел #классическая механика .
Прежде, чем говорить о сохранении энергии, рационально вспомнить что вообще такое энергия.
Здесь мы встречаемся с первым парадоксом. Никто до сих пор толком и не понял до конца, что такое энергия. Про это мы подробно писали в этом материале. Но более или менее доходчивое определение есть.
Энергия (в переводе с греческого мощь) это скалярная физическая величина, являющаяся мерой форм движения и взаимодействия материи или мерой перехода движения материи из одних форм в другие.
В целом-то, определение понятное и логичное. Нужно было каким-то образом описать, сколько "воздействия" один объект может передать другому. Для этого ввели данный термин.
В случае перехода к механике всё ещё проще. Нужно как-то охарактеризовать, сколько работы запасено в некоторой ситуации. Иначе не скажешь. Та самая висящая на веревке гиря прекрасный тому пример. Если веревку обрезать, то гиря может совершить работу. Значит, гиря обладает потенциальной энергией. Потенциальная энергия превратится впоследствии в кинетическую.
Механическая энергия - это способность тела совершать механическую работу.
Вот полетел камень, происходит превращение энергии и работа совершается.
Теперь вернемся к закону сохранения механической энергии.
Мы помним, что выделяется энергия потенциальная и энергия кинетическая. Потенциальная энергия фигурирует всегда, когда есть ситуации, аналогичные подвешенной гире. Кинетическая энергия - это энергия движения и она тоже есть всегда, когда происходит механическое движение. Подвешенная гиря, которая была срезана и начала движение, обладает уже кинетической энергией.
Из этих нехитрых примеров следует, что при механических воздействия энергия может неограниченное количество раз превращаться одна в другую. Потенциальная энергия переходит в кинетическую, а кинетическая переходит в потенциальную.
Вист кирпич на веревке и обладает потенциальной энергией. Веревку отрезают, кирпич летит и потенциальная энергия практически полностью превратилась в кинетическую. Упал кирпич на балкон и вновь обладает потенциальной энергией. Ведь он и дальше притягивается к земле, даже этажом ниже своего прежнего расположения.
Когда речь идёт о механической энергии важно понимать, что всегда рассматривается сумма механической и потенциальной энергий.
Рассуждения же о превращении энергии одна в другую подталкивают к мысли, что на самом-то деле энергия не появляется и не пропадает. Она просто превращается из одной формы энергии в другую. И браво, коллеги, мы пришли к закону сохранения механической энергии.
Закон сохранения и превращения энергии гласит, что энеpгия ниоткуда не возникает и никуда не пропадает. Энергия лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому.
Как вы заметили, слово "механической" тут отсутствует. Этот закон справедлив не только для механики. Он работает во всей нашей вселенной. Во всех областях физики и во всех сферах нашей жизни. Но применительно к механике закон сохранения энергии учитывает преимущественно кинетическую энергию тела, потенциальную энергию тела и иногда ещё внутреннюю энергию тела (если происходит передача энергии движения в нагрев и т.п.)
Теперь посмотрим, как сформулирован закон сохранения механической энергии в книгах:
В замкнутой и консервативной системе тел полная механическая энергия сохраняется: ΔЕ = 0 или Е потенциальная 1 + Е кинетическая 1 = Е потенциальная 2 + Е кинетическая 2
Почему замкнутой? Потому что если система не замкнутая, то она будет обмениваться энергией с другими участниками процесса и энергия в итоге рассеивается.
Скажем, запустили мы всем известные шарики для демонстрации закона сохранения импульса. Они качаются и передают друг другу энергию в одной замкнутой системе. Замкнутая система тут - это рама с нитями и сами шарики. Будь система не замкнутая, шарики должны были бы бить, скажем, по внешней стенке.
Почему консервативная и что это значит? Потому что если на систему воздействуют внешние силы, то они внесут свой вклад в процесс и уравнение, где общее изменение энергии равно нулю уже будет несправедливым.
Все действующие на систему внешние и внутренние непотенциальные силы не должны совершать работы, а все потенциальные силы должны быть стационарны. Это и будет консервативная система.
Следовательно, если рассматривать систему, где происходит механическое движение и подул ветер, который заставил тело получить внешнюю энергию, уже не консервативная. Модель движения автомобиля по дороге далеко не консервативная.
Правда тут возникает один интересный вопрос...Часто обозначенные выше обстоятельства воспринимаются как те, которые мешают работать закону сохранения энергии.
Обратите внимание, что закон сохранения энергии работает всегда. Вне зависимости от того, консервативная ли система и замкнутая ли она. Только вот записать тогда его в форме, привычной нам из школьного учебника уже не получится. Реальная картина будет намного сложнее. Приведенная формулировка закона сохранения механической энергии используется для упрощения ситуации.
Так, простой пример с падением срезанной с веревки гири на пол можно значительно усложнить. Гиря висела на веревке, обладала потенциальной энергией. Веревку отрезали. Потенциальная энергия должна была полностью передаться падающей гири и превратиться в кинетическую, но мы не учли, что была ещё веревка, которая тоже получила часть этой энергии. Пока гиря падала, она воздействовала на воздух и испытывала трение. Нагрелись воздух и гиря. При падении она частично сломала пол, на который упала и перешла во внутреннюю энергию. И пусть всё это значения с приставкой микро-, но реальная картина должна учитывать всё это. Именно поэтому прыгающий мяч рано или поздно остановится.
Отсюда было логично предложено упрощать подобные взаимодействия и рассматривать гипотетические консервативные и замкнутые системы.