Привет всем, кто не боится учиться! 👋
Давайте поговорим о фундаментальном законе физики - законе сохранения энергии.
Если вам потребуется быстро описать суть данного закона, то смело можете говорить людям, далеким от физики: "энергия не создается и не уничтожается, а только превращается из одной формы в другую или передается от одного объекта к другому".
В рамках физики формулировка закона сохранения энергии строже, и для ее понимания нам потребуется вспомнить несколько физических терминов.
Приступим!
Но сначала подписывайтесь на мой телеграм-канал, там я выкладываю посты в другом формате, так что их легко можно использовать для своих докладов и презентаций.
Итак, запишем закон сохранения энергии:
📌Полная механическая энергия тела или замкнутой системы тел, в которой действуют только консервативные силы, сохраняется.
Для успешного применения данного закона нужно четко понимать, что такое:
- замкнутая система тел;
- консервативные силы;
- полная механическая энергия.
1. Замкнутая система тел
Перейдем сразу к сути: в физике мы часто рассматриваем не одно тело, а совокупность тел, ее принято называть механической системой или просто системой.
📌Система тел, на которую не действуют внешние силы, называется замкнутой.
Внешние силы - это силы, возникающие в результате взаимодействия тела, принадлежащего системе, с телом, не принадлежащим данной системе.
Так же существуют и так называемые внутренние силы - это силы, возникающие в результате взаимодействия тел, принадлежащих системе. Этот термин пригодится в наших дальнейших рассуждениях.
2. Консервативные силы
Если в пункте выше мы делили силы на внешние и внутренние (по принципу - в результате взаимодействия каких тел они появились), то здесь нам нужно делить силы на консервативные и неконсервативные.
📌Силы, работа которых не зависит от формы траектории и работа которых по замкнутой траектории равна нулю, называют консервативными силами.
Соответственно неконсервативные силы - это силы, работа которых зависит от траектории движения.
Гравитационная сила, сила упругости (в идеальной пружине) являются типичными примерами консервативных сил.
Среди неконсервативных сил выделяют силы трения и сопротивления среды, а также силы, зависящие от скорости движения тела.
3. Полная механическая энергия
Рассмотрим систему тел, состоящую из земного шара и камня, поднятого над поверхностью Земли.
Под действием силы тяжести камень падает вниз. Силу сопротивления воздуха мы учитывать не будем. Работа, совершаемая силой тяжести при перемещении камня из одной точки в другую, равна изменению кинетической энергии камня:
Формула, записанная выше - есть теорема об изменении кинетической энергии (подробнее о ней можно прочитать тут).
В то же время работа силы тяжести при перемещении камня равна изменению потенциальной энергии камня, взятому с противоположным знаком:
Про потенциальную энергию и ее изменение мы говорили здесь.
То есть работа силы тяжести одновременно увеличивает кинетическую энергию камня и уменьшает его потенциальную энергию.
Приравняем правые части записанных уравнений (так как левые их части одинаковы):
Далее мы перенесли изменение потенциальной энергии в левую часть уравнения, поменяв знак, и вынесли за скобки знак "дельта".
📌Величину E, равную сумме кинетической и потенциальной энергий системы, называют полной механической энергией системы (или просто механической энергией):
Закон сохранения энергии
Таким образом, мы разобрали все термины, необходимые для понимания закона сохранения энергии. Обратимся к нему еще раз.
📌Полная механическая энергия тела или замкнутой системы тел, в которой действуют только консервативные силы, сохраняется.
Замечания к закону
Часто при решении задач на закон сохранения энергии силу сопротивления воздуха или силу трения принято не учитывать. Зачем нужно данное допущение.
Во-первых, в ряде случаев влияние данных сил действительно будет незначительным.
Во-вторых, наши рассуждения (и вычисления) без учета данных сил значительно упрощаются. Эти силы - являются внешними для рассматриваемых в задаче систем. В примере выше сила сопротивления воздуха - внешняя сила для системы тел земной шар - камень. Исключая данную силу, мы можем назвать систему замкнутой (в ней действуют только внутренние силы, в нашем примере внутренняя сила - это сила тяжести). Помимо этого сила сопротивления воздуха и сила трения - неконсервативные силы. При их наличии мы не можем использовать закон сохранения энергии.
Закон сохранения энергии обобщается для любого числа тел и любых консервативных сил взаимодействия между ними. Под Ek нужно понимать сумму кинетических энергий всех тел, а под Ep - полную потенциальную энергию системы.
Например, для системы, состоящей из двух тел массами m1 и m2 и пружины, закон сохранения энергии имеет вид:
Подведем итог
Полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий. В замкнутой системе, в которой действуют только консервативные силы, механическая энергия сохраняется.
Значение закона сохранения энергии в механике и в физике вообще огромно. Какую бы систему взаимодействующих тел мы не рассматривали, будь то Солнечная система или сталкивающиеся бильярдные шары, у тел системы имеется ряд величин, которые не изменяются со временем. К таким сохраняющимся величинам (в изолированной системе) относятся импульс (подробнее можно прочитать здесь и здесь), энергия и момент импульса (но об этом немного позже). Все эти законы позволяют сравнительно простым путем, без рассмотрения действующих на тела сил и без прослеживания движения тел системы решать ряд практически важных задач, что мы увидим в дальнейшем.
Если вы дочитали до конца, значит Вас действительно интересует физика! Поэтому подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить следующие статьи, а также ставьте палец вверх👍
Это мотивирует быстрее публиковать новые материалы!