Как пишется энергия равно

Содержание:

Для работы двигателей, приводящих в движение автомобили, трактора, тепловозы, самолёты, необходимо топливо, являющееся источником энергии. За счёт энергии воды, падающей с высоты, вращаются гидротурбины, соединённые с электрическими машинами, вырабатывающими электрический ток. Человеку для того чтобы существовать и работать, также необходим источник энергии. Говорят, что для того, чтобы выполнять любую работу, необходима энергия. Что же такое энергия?

Опыт 1. Поднимем над Землёй мяч. Пока он находится в состоянии покоя, механическая работа не выполняется. Отпустим его. Под действием силы тяжести мяч падает на Землю с определённой высоты. При падении мяча выполняется механическая работа.

Опыт 2. Сожмём пружину, зафиксируем её нитью и поставим на пружину гирю (рис. 171).

Пережжём нить, пружина распрямится и поднимет гирю на некоторую высоту. Пружина выполнила механическую работу.

Опыт 3. На тележке закрепим стержень с блоком на конце (рис. 172). Через блок перекинем  нить, один конец которой намотан на ось тележки, а на втором висит грузик. Отпустим грузик, под действием силы тяжести он будет опускаться вниз и приведёт в движение тележку. Грузик выполнил механическую работу .

Опыт 4. Стальной шарик А, скатившийся по наклонной плоскости (рис. 173), также выполнил механическую работу: он переместил цилиндр В на некоторое расстояние.

Если тело или несколько тел при взаимодействии выполняют механическую работу, то это значит, что они имеют механическую энергию, или энергию.

Мяч, поднятый над Землёй, сжатая пружина, движущийся стальной шарик имеют энергию.

Энергия — физическая величина, характеризующая способность тел выполнять работу.

Энергия (от греческого слова энергия — деятельность) обозначается большой латинской буквой Е. Единицей энергии, а также и работы в СИ является один джоуль (1 Дж). Из приведённых опытов видно, что тело выполняет работу тогда, когда переходит из одного состояния в другое: поднятый над Землёй грузик опускается, сжатая пружина распрямляется, движущийся шарик останавливается. Энергия тела при этом изменяется (уменьшается), а выполненная телом механическая работа равна изменению его механической энергии. Различают два вида механической энергии — потенциальную и кинетическую.

Энергия и механическая работа

Как древние египтяне, строя свои колоссальные пирамиды, поднимали на огромную высоту такие тяжеленные каменные блоки, что их трудно было даже сдвинуть?

Для их подъема использовали, например, рычаги. Рычагами пользовались и древние греки, когда строили огромные храмы.

Опыт:

Убедимся, что с помощью рычага действительно можно получить значительный выигрыш в силе. Положите на короткое плечо рычага тяжелую книгу — и вы сможете поднять ее, надавив на длинное плечо мизинцем (рис. 5.1)!

Однако выигрыш в силе всегда сопровождается проигрышем в перемещении.

Например, если груз, прикрепленный к короткому плечу рычага, поднимают, прикладывая к длинному плечу рычага силу, которая в 10 раз меньше веса этого груза, то длинное плечо рычага надо опустить на расстояние, которое в 10 раз больше высоты, на которую поднимется груз.

Этот и подобный ему опыты показывают, что, используя любые простые механизмы, мы выигрываем в силе как раз во столько раз, во сколько проигрываем в перемещении.

Эта закономерность, обнаруженная еще древними греками, оказалась настолько важной, что со временем ее назвали «золотым правилом механики».

Механическая работа:

Из золотого правила механики следует: если не учитывать трения, произведение силы на перемещение одинаково для каждой из сил, приложенных к плечам рычага. Поэтому ввели физическую величину, которую назвали механической работой. В дальнейшем для простоты мы ограничимся случаем, когда направление силы совпадает с направлением перемещения. В этом случае

Механическая работа силы равна произведению силы на перемещение1.

Механическую работу обозначают буквой . Если сила направлена вдоль перемещения, работа силы , где — модуль силы, a — модуль перемещения.

Единицу работы в SI назвали джоуль (Дж) в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля. Один джоуль — это работа, которую совершает сила в I Н, перемещая тело на I м в направлении действия силы, то есть . Например, поднимая полное ведро воды, вы прикладываете силу, равную примерно 100 Н. Значит, поднимая ведро на высоту 1 м, вы выполняете работу, равную примерно 100 Дж.

Механическую работу часто называют просто работой, однако ее не следует путать с работой в повседневном значении этого слова. Мы еще расскажем об этом в разделе «Хочешь узнать больше?».

Определение энергии

Механическую работу человек давно научился «перекладывать на плечи» машин и механизмов.

Одним из первых таких механизмов была водяная мельница (рис. 5.2): работу здесь выполняет сила, с которой падающая вода давит на лопасти колеса. Современная гидроэлектростанция, заставляющая «работать» огромную реку (рис. 5.3), «выросла» из небольшой водяной мельницы на ручье.

Чтобы мельница работала или электростанция вырабатывала электроэнергию, необходимо создать разность уровней воды. Итак, вода и притягивающая ее Земля образуют систему тел, способную совершить работу.

Способностью совершить работу обладает также движущееся тело. Например, вода, падая, ударяет в подвижные лопасти колеса или турбины, то есть действует на них с некоторой силой. При этом скорость воды уменьшается. Физическую величину, которая характеризует способность тела или системы тел совершать работу вследствие изменения своего состояния, называют энергией.

Физическую величину, которая характеризует способность тела или системы тел совершать работу вследствие изменения своего состояния, называют энергией.

Говорят, что тело (или система тел) обладает энергией, если это тело (или система тел) может совершить работу. Мерой изменения энергии является совершенная работа: когда тело совершает работу, его энергия уменьшается на величину, равную совершенной работе.

Поэтому энергию измеряют в тех же единицах, что и работу: единицей энергии в SI является джоуль. Если тело (система тел) совершает работу в 1 Дж, энергия тела (системы тел) уменьшается на 1 Дж.

Виды энергии

Тело или система тел может совершать работу вследствие различных изменений своего состояния.

Работа может быть совершена вследствие изменения взаимного положения взаимодействующих тел, а также вследствие изменения скоростей тел. В этих случаях изменяется механическая энергия тела или системы тел.

Часть механической энергии, обусловленную взаимодействием тел, называют потенциальной энергией, а часть механической энергии, обусловленную движением тел, — кинетической энергией.

Например, поднятое над Землей тело и Земля притягивают друг друга, то есть взаимодействуют. Благодаря этому тело при падении может выполнить некоторую работу. Значит, поднятое тело обладает потенциальной энергией. При падении тела его потенциальная энергия уменьшается, зато кинетическая — увеличивается, так как увеличивается скорость тела.

Рассмотрим еще один случай, когда тело может совершить работу. Газ, расширяясь в цилиндре, двигает поршень, совершая при этом работу (на этом основано действие автомобильных двигателей). Но, расширяясь, газ охлаждается, то есть его температура понижается. А при этом, как вы скоро узнаете, замедляется хаотическое¹, то есть беспорядочное, движение молекул газа. Значит, расширяясь, газ выполняет работу благодаря уменьшению кинетической энергии хаотического движения молекул.

Энергию, обусловленную хаотическим движением частиц тела и их взаимодействием, называют внутренней энергией.

Когда газ расширяется, он совершает работу, а его внутренняя энергия уменьшается.

Ученые установили, что существуют и другие виды энергии — например, электромагнитная и атомная энергия. О них вы узнаете подробнее из курса физики старших классов.

Энергия является важнейшей физической величиной, поэтому мы и рассказали о ней в начале вашего знакомства с физикой.

Целые эпохи в истории человечества называли «в честь» используемого вида энергии. Так, время паровых двигателей (от второй половины 18-го века до конца 19-го века) называли «веком пара». А 20-й век называли «веком электричества», а также «веком атома».

Закон сохранения энергии

Опыты показывают, что, если можно пренебречь силами трения, механическая энергия взаимодействующих тел, то есть сумма их потенциальной и кинетической энергии, не изменяется. Это — проявление закона сохранения энергии, открытого в 19-м веке.

Закон сохранения энергии: во всех процессах, происходящих в природе, суммарная энергия взаимодействующих тел не изменяется.

Физический смысл закона сохранения энергии состоит в том, что энергия является общей мерой движения и взаимодействия тел и частиц, она никогда не исчезает и не появляется, а лишь преобразуется из одного вида в другой.

Многие происходящие в природе процессы сопровождаются преобразованиями энергии. Например, когда вследствие трения движущееся тело останавливается, его механическая энергия переходит во внутреннюю, потому что вследствие трения тела нагреваются.

Мог ли Архимед сдвинуть землю

Правило рычага установил на опыте выдающийся древнегреческий ученый и инженер Архимед, который жил в 3-м веке до нашей эры в Сиракузах, одном из греческих городов-государств на острове Сицилия.

Архимед достиг такого совершенства в сооружении различных механизмов, что заявил как-то царю Сиракуз: «С помощью своих механизмов я один могу поднять любой груз!» Более того, Архимед утверждал, что он мог бы сдвинуть даже Землю, если бы только нашел «точку опоры» — например, другую Землю, на которую можно стать! Царь очень удивился и предложил Архимеду продемонстрировать свое могущество.

Тогда Архимед попросил загрузить корабль, который с трудом вытянули на берег, и посадить на него весь экипаж. Привязав к кораблю крепкий канат, Архимед начал тянуть канат с помощью изобретенного им механизма. И корабль плавно тронулся по песку к Архимеду — будто поплыл по морю! Царь и все присутствующие были поражены могуществом Архимеда — не могуществом его рук, а могуществом его разума.

Однако, утверждая, что он мог бы сдвинуть даже Землю, Архимед очень переоценил свои возможности. Расчеты показывают, что даже если бы Архимеду фантастически «повезло» и он смог бы найти «точку опоры» и огромный рычаг, то не успел бы заметно сдвинуть Землю не только за всю свою жизнь, но и за все время существования Земли.

Может ли человек устать, не совершая механической работы

Почему очень устаешь, когда долго держишь, например, полное ведро воды? Ведь механической работы при этом не совершаешь, так как перемещение равно нулю! Чтобы убедиться в том, что держание груза не является работой в физическом значении этого слова, поставьте ведро на пол: пол без устали будет «держать» ведро как угодно долго!

Человек же, держа груз, устает из-за напряжения мышц. Положите тот же груз на колени, и вы почувствуете значительное облегчение. Итак, не следует путать механическую работу как физическую величину с работой в повседневном значении слова, то есть с любой деятельностью, которая вызывает усталость. Ведь устать можно, совсем не выполняя механической работы — например, сочиняя музыку или стихи. А больше всего, как известно, устаешь от безделья!

Энергия и способность системы совершить работу

Вы уже узнали, что одной из физических величин, которые обладают свойством сохранения в замкнутой системе, является общий импульс системы. Другой очень важной физической величиной, обладающей свойством сохранения в замкнутой системе, является энергия. Понятие «энергия» часто используется в повседневной жизни (например, энергия является самой обсуждаемой темой на переговорах по международным экономическим вопросам). Вы имеете достаточно информации о различных видах энергии и о ее превращении из одного вида в другой. Самое важное то, что для каждого вида энергии учеными-физиками была определена своя формула. Проведенные с помощью этих формул вычисления каждый раз подтверждают постоянство суммы всех видов энергии замкнутой системы.

Как вы знаете, энергия характеризует способность тела совершать работу. С другой стороны, энергия — общая мера движения и взаимодействия тел. Движение тела характеризуется его кинетической энергией, а взаимодействие тел характеризуется потенциальной энергией.

Работа, совершаемая равнодействующей силой, и кинетическая энергия тела при поступательном движении. Если тело под действием равнодействующей силы совершает работу, то модуль его скорости изменяется от до то есть тело получает ускорение. Для простоты предположим, что тело под действием параллельной горизонту постоянной равнодействующей силы  совершает положительную работу. В этом случае тело, двигаясь равноускоренно с 

ускорением совершает работу:

или    

В последней формуле половина произведения массы на квадрат скорости выражает физическую величину, называемую кинетической энергией.

Кинетическая энергия—это энергия, возникающая в результате движения тела:

Кинетическая энергия зависит от массы тела и модуля его скорости (а не от его направления). Если запишем формулу (3.12) с учетом (3.13), то получим выражение, которое называется теоремой о кинетической энергии-.

Работа, совершаемая над телом постоянной равнодействующей силой, равна изменению кинетической энергии тела:

Где  и — начальное и конечное значения кинетической энергии тела. Кинетическая энергия — скалярная физическая величина и, в отличие от работы, может иметь только положительные значения или равняться нулю (превращается в другой вид энергии). Из выражения (3.14) видно, что:

a) если работа, совершенная постоянной равнодействующей силой, положительна то изменение кинетической энергии тела больше нуля: — кинетическая энергия увеличивается;

b) если работа, совершенная постоянной равнодействующей силой, отрицательна то изменение кинетической энергии тела меньше нуля: — кинетическая энергия уменьшается;

c) если работа, совершенная постоянной равнодействующей силой, равна нулю то и изменение кинетической энергии равно нулю: — кинетическая энергия не изменяется, то есть остается постоянной

Примечание:

1. При доказательстве теоремы о кинетической энергии не было отмечено, какова природа силы, совершающей работу. Это значит, что теорема о кинетической энергии справедлива для любых сил (сила тяжести, сила трения, сила упругости или их равнодействующая сила), действующих на тело.
2. Кинетическая энергия, так же как и скорость движения, зависит от выбора системы отсчета. Например, если скорость пассажира в движущемся вагоне относительно системы отсчета, связанной с вагоном, равна нулю, то и кинетическая энергия пассажира относительно этой системы отсчета равна нулю. Однако кинетическая энергия пассажира относительно системы отсчета, связанной с Землей, отлична от нуля.

Из теоремы о кинетической энергии видно, что единицей измерения кинетической энергии, как и работы, в СИ является джоуль

Так как скорость связана с импульсом, то и кинетическая энергия связана с импульсом:

Если масса тела известна, то его скорость и импульс можно выразить через кинетическую энергию:

Потенциальная энергия

Работа силы тяжести и потенциальная энергия:

Предположим, что замкнутая система состоит из Земли и тела, поднятого на определенную высоту над ее поверхностью. Если тело свободно выпустить с этой высоты, то оно начинает движение под действием силы тяжести в направлении поверхности Земли. Сила тяжести, перемещая тело на до определенной высоты от поверхности Земли, совершает положительную работу (при совпадении направлений силы тяжести и перемещения (с):

Где модуль перемещения свободно падающего тела с высоты на высоту

Если тело брошено вертикально вверх с высоты  то в момент достижения его высоты модуль перемещения будет равен (d). Так как в этом случае 

угол между направлением силы тяжести и вектором перемещения равен  a то сила тяжести совершит отрицательную работу:

Выражение (3.19) схоже с выражением (3.18), то есть тело, брошенное вертикально вверх, и свободно падающее тело совершают под действием силы тяжести одинаковую работу.

• Работа силы тяжести не зависит от формы траектории движения тела, она зависит от начального и конечного положения центра тяжести тела.
• Силы, под действием которых совершается работа, не зависящая от траектории движения тела, называются консервативными силами. Это значит, что сила тяжести является консервативной силой.

Формулу (3.18) можно записать и так:

или 

Это означает, что работа, совершаемая силой тяжести, равна изменению величины взятой с противоположным знаком. Эта величина является энергией взаимодействия тела, находящегося на высоте  над поверхностью Земли, с самой Землей.

Энергия, которой обладают взаимодействующие тела (или частицы), называется потенциальной энергией:

Приняв во внимание выражение (3.21) в выражении (3.20), получаем выражение, которое называется теоремой о потенциальной энергии:

Работа, совершаемая силой тяжести, равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:

Из теоремы о потенциальной энергии видно, что единицей измерения потенциальной энергии, так же, как и работы, в СИ является джоуль

Потенциальная энергия тела, на которое действует сила тяжести, зависит от выбора нулевого уровня. За нулевой уровень можно принять уровень моря, поверхность стола, пол комнаты и другие. Потенциальная энергия тела, находящегося на какой-либо высоте относительно этих уровней, будет иметь разные значения. Однако разность потенциальных энергий двух, соответственно, разных положений тела не зависит от выбора нулевого положения, и она измеряется работой, совершенной силой тяжести. Из этого получаем физический смысл потенциальной энергии: Потенциальная энергия тела на высоте  равна работе, совершаемой силой тяжести в случае падения данного тела с этой высоты на нулевой уровень.

В зависимости от выбора нулевого уровня потенциальная энергия может быть, как положительной, так и отрицательной. Так, потенциальная энергия тела, помещенного на определенной высоте  от нулевого уровня, положительна, а потенциальная энергия тела, помещенного на определенной глубине от нулевого уровня, отрицательна.

• Заказать решение задач по физике

Работа силы упругости и потенциальная энергия:

Еще одной консервативной силой является сила упругости. Поэтому работа, совершенная силой упругости, также должна быть равна изменению потенциальной энергии тела. Исследуем это: прикрепим один конец пружины к опоре, другой же конец прикрепим к телу (шарику), способному двигаться по гладкому стержню. Сдвинув шарик вправо, растянем пружину на  Модуль силы упругости, возникшей в пружине, равен Под действием этой силы свободно отпущенный шарик движется влево, например, из положения 1 в положение 2 (е).

Так как в этом положении деформация пружины равна то модуль перемещения шарика равен разности растяжений пружины: Так как направление перемещения совпадает с направлением действия силы упругости, то работа, совершенная этой силой, положительна, однако должно быть принято во внимание, что модуль силы упругости не постоянен: он изменяется от значения до значения  На этом участке среднее значение модуля силы упругости равно среднеарифметическому значению его начального  и конечного значений:

Таким образом, упруго деформированная пружина совершает положительную работу:

или 

Эту формулу можно записать и так:

Как видно, работа, совершенная силой упругости, зависит от начальной и конечной деформации пружины.

Из сравнения формул (3.20) и (3.23) видно, что работа силы упругости также равна изменению некоторой величины, в этом случае  которая тоже является энергией взаимодействия:

Потенциальная энергия упругодеформированного тела равна половине произведения ее жесткости на квадрат растяжения (или сжатия):

Полная механическая энергия и закон сохранения энергии

Полная механическая энергия:

Система тел одновременно может обладать как кинетической, так и потенциальной энергией. Например, самолет, летящий на некоторой высоте с определенной скоростью, обладает наряду с кинетической энергией, также и потенциальной энергией вследствие взаимодействия с Землей.

Сумму кинетической и потенциальной энергий системы тел называют полной механической энергией:

Закон сохранения полной механической энергии:

Вы уже знаете, что работа силы тяжести и упругости, являющихся консервативными силами, равна изменению потенциальной энергии системы, взятому с противоположным знаком. С другой стороны, эта работа также равна изменению кинетической энергии системы:

Таким образом, получается, что:

Сгруппировав соответствующие величины, это выражение можно записать в следующим виде:

Полученное равенство является выражением закона сохранения полной механической энергии.

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих друг с другом консервативными силами, остается неизменной.

Закон сохранения полной механической энергии является результатом однородности времени.

Однородность времени — это симметрия относительно переноса во времени: физические свойства замкнутой системы не зависят от выбора начального момента времени, то есть все моменты времени эквивалентны (равноправны).

Согласно закону сохранения полной механической энергии, увеличение потенциальной энергии системы сопровождается соответствующим уменьшением ее кинетической энергии, и наоборот. Превращение потенциальной энергии в кинетическую или кинетической в потенциальную, т.е. сохранение полной механической энергии является одним из самых важных законов в природе.

Частные случаи:

1. Полная механическая энергия для тела, движущегося под действием силы тяжести:

Где — высота над нулевым уровнем, на котором находится тело в данный момент времени, — скорость его движения. Значение полной механической энергии, оставаясь постоянным, зависит от данных условий. Например:

a)    если тело было брошено с нулевого уровня вверх с начальной скоростью то его полная механическая энергия будет равна:

В этом случае, закон сохранения полная механическая энергии в произвольной точке траектории движения записывается так (с):

b) если тело, брошенное вертикально вверх, поднимется на максимальную высоту  то его полная механическая энергия будет:

В этом случае закон сохранения полной механической энергии тела, брошенного вертикально вверх, в произвольной точке траектории движения записывается так (d):

2. Если оттянуть и отпустить шарик массой закрепленный к одному из концов невесомой пружины жесткостью и способный двигаться вдоль гладкого стержня (другой конец пружины закреплен к неподвижной опоре), то выражение полной механической энергии колебательного движения системы «шарик-пружина» будет следующим (е):

Закон сохранения полной энергии

Известно, что полная механическая энергия свободно падающего тела во всех точках траектории одинакова.

• — Что происходит при падении тела и его остановке на поверхности Земли?
• — Можно ли в этом случае сказать, что «как кинетическая, так и потенциальная энергия тела равны нулю, то есть механическая энергия исчезает и нарушается закон сохранения энергии «?

Механическая энергия тел, составляющих замкнутую систему, не исчезает! Механическая энергия превращается в другой вид энергии — внутреннюю энергию системы: в результате соударения тела с поверхностью Земли система нагревается и ее внутренняя энергия увеличивается.

Можно привести примеры превращения энергии также и в других замкнутых системах. Например, в системе автомобиль-шоссе при торможении движущего автомобиля его кинетическая энергия в результате трения превращается во внутреннюю энергию нагретых покрышек.

Таким образом, говоря о законе сохранения полной энергии, подразумевается сохранение всех видов энергии (механической, внутренней, электромагнитной и другие), превращающихся друг в друга, в замкнутой системе:

Энергия не исчезает и не возникает из ничего, она превращается из одного вида в другой.

Слово энергия мы слышим очень часто. Жизненная энергия, внутренняя энергия, электроэнергия, атомная энергия… Но попробуйте дать точный ответ на вопрос, что такое энергия? Здесь задумается практически каждый. Так же и с работой. Все ходят на работу, у всех полно работы. Но что такое работа? А ответ прямо здесь, в нашей статье!

Полезная и интересная информация по другим темам – на нашем канале в телеграм.

Энергия

Пойдем по принципу «чем проще – тем лучше». Среди всех определений энергии можно выделить одно:

Энергия – одно из основных свойств материи и мера способности совершать работу.

Энергия в классической механике измеряется в Джоулях и чаще всего обозначается буквой E.

И тут мы плавно подходим к работе. Конечно, работать мало кто любит, отдыхать гораздо приятнее. Но давайте и про работу почитаем.

Работа

Работа – мера воздействия силы на тело или систему тел.

И работа, и энергия – скалярные физические величины. Как и энергия, работа в классической механике измеряется в Джоулях.

Допустим, мы взяли тележку c кирпичами (пусть она весит m килограмм), начали ее толкать с определенной силой F и переместили тем самым все это добро на расстояние s.

Тогда работа, которую мы совершили (а мы определенно совершили работу, пусть и бессмысленную), будет вычисляться по соответствующей формуле для работы в механике:

При этом пока мы толкали тележку, она приобрела какую-то скорость v, а значит, и энергию.

Кинетическая энергия (энергия движения) тележки вычисляется по формуле:

Если мы поднатужимся и закатим нашу телегу на горку высотой h, то она приобретет потенциальную  энергию, которую тоже легко можно вычислить:

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы. 

Работа не совершается сама по себе. Работа совершается за счет изменения энергии. Какова связь между работой и энергией?

Например, работа силы тяжести по модулю равна изменению потенциальной энергии тела.

Существует теорема о кинетической энергии системы. Она гласит, что изменение кинетической энергии системы равно работе всех внутренних и внешних сил, действующих на тела системы.

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии – фундаментальный закон природы, о котором никогда не стоит забывать.

Общее количество энергии замкнутой физической системы не прибывает и не убывает, а переходит из одной формы в другую, всегда оставаясь постоянным.

Так, если телега скатится с горки, ее потенциальная энергия перейдет в кинетическую. Силы трения (диссипативные силы) мы здесь не рассматриваем. В реальном мире  телега, конечно, затормозит, но энергия не исчезнет, а перейдет во внутреннюю энергию молекул вследствие трения колес о поверхность.

Закон сохранения энергии применим не только в рамках классической механики. Это закон, применимый к целой Вселенной. Вот что говорил о законе сохранения энергии Ричард Фейман:

Это математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного… Просто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним.

Пример решения задачи

А теперь рассмотрим пример задачи, в которой нужно найти работу

Какой бы сложной ни казалась задача, эксперты профессионального студенческого сервиса обязательно смогут быстро подобрать к ней ключ! Не стесняйтесь обращаться к нам, помощь профессионалов еще ни для кого не была лишней!

Энергия
,
Размерность
Единицы измерения
СИ	Дж
СГС	эрг

Эне́ргия (др.-греч. ἐνέργεια — «действие, деятельность, сила, мощь») — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется во времени. Это утверждение носит название закона сохранения энергии. Понятие введено Аристотелем в трактате «Физика».

Фундаментальный смысл

С фундаментальной точки зрения энергия представляет собой интеграл движения (то есть сохраняющуюся при движении величину), связанный, согласно теореме Нётер, с однородностью времени. Таким образом, введение понятия энергии как физической величины целесообразно только в том случае, если рассматриваемая физическая система однородна во времени.

Энергия и работа

Энергия является мерой способности физической системы совершить работу, поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.

• Механическая работа численно равна изменению механической энергии.

В специальной теории относительности

Энергия и масса

Согласно специальной теории относительности между массой и энергией существует связь, выражаемая знаменитой формулой Эйнштейна

где E — энергия системы, m — её масса, c — скорость света. Несмотря на то, что исторически предпринимались попытки трактовать это выражение как полную эквивалентность понятия энергии и массы, что, в частности, привело к появлению такого понятия как релятивистская масса, в современной физике принято сужать смысл этого уравнения, понимая под массой массу тела в состоянии покоя (так называемая масса покоя), а под энергией — только внутреннюю энергию, заключённую в системе.

Энергия тела, согласно законам классической механики, зависит от системы отсчета, то есть неодинакова для разных наблюдателей. Если тело движется со скоростью v относительно некоего наблюдателя, то для другого наблюдателя, движущегося с той же скоростью, оно будет казаться неподвижным. Соответственно, для первого наблюдателя кинетическая энергия тела будет равна, , где m — масса тела, а для другого наблюдателя — нулю.

Эта зависимость энергии от системы отсчета сохраняется также в теории относительности. Для определения преобразований, происходящих с энергией при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой используется сложная математическая конструкция — тензор энергии-импульса.

Зависимость энергии тела от скорости рассматривается уже не так, как в ньютоновской физике, а согласно вышеназванной формуле Эйнштейна:

,

где  — инвариантная масса. В системе отсчета, связанной с телом, его скорость равна нулю, а энергия, которую называют энергией покоя, выражается формулой:

.

Это минимальная энергия, которую может иметь массивное тело. Значение формулы Эйнштейна также в том, что до неё энергия определялась с точностью до произвольной постоянной, а формула Эйнштейна находит абсолютное значение этой постоянной.

Энергия и импульс

Специальная теория относительности рассматривает энергию как компоненту 4-импульса (4-вектора энергии-импульса), в который наравне с энергией входят три пространственные компоненты импульса. Таким образом энергия и импульс оказываются связанными и оказывают взаимное влияние друг на друга при переходе из одной системы отсчёта в другую.

В квантовой механике

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 12 мая 2011.

В квантовой механике величина энергии пропорциональна частоте и двойственна времени. В частности, в силу фундаментальных причин принципиально невозможно измерить абсолютно точно энергию системы в каком-либо процессе, время протекания которого конечно. При проведении серии измерения одного и того же процесса значения измеренной энергии будут флуктуировать, однако среднее значение всегда определяется законом сохранения энергии. Это приводит к тому, что иногда говорят, что в квантовой механике сохраняется средняя энергия.

В общей теории относительности

В общей теории относительности время не является однородным, поэтому возникают определённые проблемы при попытке введения понятия энергии. В частности, оказывается невозможным определить энергию гравитационного поля как тензор относительно общих преобразований координат.

Энергия и энтропия

Внутреняя энергия (или энергия хаотического движения молекул) является самым «деградированным» видом энергии — она не может превращаться в другие виды энергии без потерь (см.: энтропия).

Физическая размерность

Энергия E имеет размерность, равную:

Описание	Формула
Силе, умноженной на длину	E ~ F·l
Давлению, умноженному на объём	E ~ P·V
Импульсу, умноженному на скорость	E ~ p·v
Массе, умноженной на квадрат скорости	E ~ m·v²
Заряду, умноженному на напряжение	E ~ q·U
Мощности, умноженной на время	E ~ N·t

В системе величин LMT энергия имеет размерность .

Соотношения между единицами энергии

Единица	Эквивалент
в Дж	в эрг	в межд. кал	в эВ
1 Дж	1	107	0,238846	0,624146·1019
1 эрг	10−7	1	2,38846·10−8	0,624146·1012
1 межд. Дж[1]	1,00020	1,00020·107	0,238891	0,624332·1019
1 кгс·м	9,80665	9,80665·107	2,34227	6,12078·1019
1 кВт·ч	3,60000·106	3,60000·1013	8,5985·105	2,24693·1025
1 л·атм	101,3278	1,013278·109	24,2017	63,24333·1019
1 межд. кал (calIT)	4,1868	4,1868·107	1	2,58287·1019
1 термохим. кал (калТХ)	4,18400	4,18400·107	0,99933	2,58143·1019
1 электронвольт (эВ)	1,60219·10−19	1,60219·10−12	3,92677·10−20	1

Виды энергии

Виды энергии:
	Механическая
	Электрическая
	Электромагнитная
	Химическая
	Ядерная
‹♦›	Тепловая
	Вакуума
Гипотетические:
	Тёмная

Механика различает потенциальную энергию (или, в более общем случае, энергию взаимодействия тел или их частей между собой или с внешними полями) и кинетическую энергию (энергия движения). Их сумма называется полной механической энергией.

Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную и ядерную энергии (также может быть разделена на энергию слабого и сильного взаимодействий).

Термодинамика рассматривает внутреннюю энергию и иные термодинамические потенциалы.

В химии рассматриваются такие величины, как энергия связи и энтальпия, имеющие размерность энергии, отнесённой к количеству вещества. См. также: химический потенциал.

Энергия взрыва иногда измеряется в тротиловом эквиваленте.

Кинетическая

Кинетическая энергия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Единица измерения в системе СИ — Джоуль. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением.

Потенциальная

Потенциальная энергия  — скалярная физическая величина, характеризует запас энергии некоего тела (или материальной точки), находящегося в потенциальном силовом поле, который идет на приобретение (изменение) кинетической энергии тела за счет работы сил поля. Другое определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы.^[2]

Термин «потенциальная энергия» был введен в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином. Единицей измерения энергии в СИ является Джоуль. Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Процесс выбора данной конфигурации называется нормировкой потенциальной энергии.

Электромагнитная

Гравитационная

Гравитационная энергия — потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным тяготением. Гравитационно-связанная система — система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимо энергии покоя). Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационную энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии постоянна, для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными.

Ядерная

Ядерная энергия (атомная энергия) — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.

Энергия связи — энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента.

Внутренняя

Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между её значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Химический потенциал

Химический потенциал  — один из термодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы.

Энергия взрыва

Основная статья: Взрыв

Взрыв — физический или/и химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов.

При химическом взрыве, кроме газов, могут образовываться и твёрдые высокодисперсные частицы, взвесь которых называют продуктами взрыва. Энергию взрыва иногда измеряют в тротиловом эквиваленте — мере энерговыделения высокоэнергетических событий, выраженной в количестве тринитротолуола (ТНТ), выделяющем при взрыве равное количество энергии.

Проблемы энергопотребления

Существует довольно много форм энергии, большинство^[3] из которых так или иначе используются в энергетике и различных современных технологиях.

Темпы энергопотребления растут во всем мире, поэтому на современном этапе развития цивилизации наиболее актуальна проблема энергосбережения.

Условно источники энергии можно поделить на два типа: невозобновляемые и постоянные. К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, неэкологична, и многие из них истощаются. К постоянным источникам можно отнести энергию солнца, энергию, получаемую на ГЭС и т. д.

История термина

Термин «энергия» происходит от слова energeia, которое впервые появилось в работах Аристотеля.

Маркиза Эмили дю Шатле в книге «Уроки физики» (фр. Institutions de Physique, 1740), объединила идею Лейбница с практическими наблюдениями Виллема Гравезанда, чтобы показать: энергия движущегося объекта пропорциональна его массе и квадрату его скорости (не скорости самой по себе как полагал Исаак Ньютон).

В 1807 году Томас Юнг первым использовал термин «энергия» в современном смысле этого слова взамен понятия живая сила.^[4] Гаспар-Гюстав Кориолис впервые использовал термин «кинетическая энергия» в 1829 году, а в 1853 году Уильям Ренкин впервые ввёл понятие «потенциальная энергия».

Несколько лет велись споры, является ли энергия субстанцией (теплород) или только физической величиной.

Развитие паровых двигателей требовало от инженеров разработать понятия и формулы, которые позволили бы им описать механический и термический КПД своих систем. Инженеры (Сади Карно), физики (Джеймс Джоуль), математики (Эмиль Клапейрон и Герман Гельмгольц^{[уточнить]}) — все развивали идею, что способность совершать определённые действия, называемая работой, была как-то связана с энергией системы. В 1850-х годах, профессор натурфилософии из Глазго Уильям Томсон и инженер Уильям Ренкин начали работу по замене устаревшего языка механики с такими понятиями как «кинетическая и фактическая (actual) энергии».^[4] Уильям Томсон соединил знания об энергии в законы термодинамики, что способствовало стремительному развитию химии. Рудольф Клаузиус, Джозайя Гиббс и Вальтер Нернст объяснили многие химические процессы, используя законы термодинамики. Развитие термодинамики было продолжено Клаузиусом, который ввёл и математически сформулировал понятие энтропии, и Джозефом Стефаном, который ввёл закон излучения абсолютно чёрного тела. В 1853 году Уильям Ренкин ввёл понятие «потенциальная энергия».^[4] В 1881 году Уильям Томсон заявил перед слушателями:^[5]

В течение следующих тридцати лет эта новая наука имела несколько названий, например, «динамическая теория тепла» (англ. dynamical theory of heat) и «энергетика» (англ. energetics). В 1920-х годах общепринятым стало название «термодинамика» — наука о преобразовании энергии.

Особенности преобразования тепла и работы были показаны в первых двух законах термодинамики. Наука об энергии разделилась на множество различных областей, таких как биологическая термодинамика и термоэкономика (англ. thermoeconomics). Параллельно развивались связанные понятия, такие как энтропия, мера потери полезной энергии, мощность, поток энергии за единицу времени, и так далее. В последние два века использование слова энергия в ненаучном смысле широко распространилось в популярной литературе.

В 1918 году было доказано, что закон сохранения энергии есть математическое следствие трансляционной симметрии времени, величины сопряжённой энергии. То есть энергия сохраняется, потому что законы физики не отличают разные моменты времени (см. Теорема Нётер, изотропия пространства).

В 1961 году выдающийся преподаватель физики и нобелевский лауреат, Ричард Фейнман в лекциях так выразился о концепции энергии:^[6]

Существует факт, или, если угодно, закон, управляющей всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его — сохранение энергии. Он утверждает, что существует определённая величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и весьма отвлечено. Это по существу математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним.

Оригинальный текст  (англ.)  

There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law—it is exact so far we know. The law is called conservation of energy; it states that there is a certain quantity, which we call energy that does not change in manifold changes which nature undergoes. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity, which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number, and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same.

— Фейнмановские лекции по физике^[7]

См. также

• Тензор энергии-импульса
• Эквивалентность массы и энергии
• Тёмная энергия
• Количество теплоты
• Виды норм удельной затраты энергии и требования к ним

Примечания

Ссылки

• Энергия в Физической энциклопедии

Энергия.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: работа силы, мощность, кинетическая энергия, потенциальная энергия, закон сохранения механической энергии.

Мы приступаем к изучению энергии — фундаментального физического понятия. Но предварительно нужно разобраться с другой физической величиной — работой силы.

к оглавлению ▴

Работа.

Пусть на тело действует постоянная сила и тело, двигаясь прямолинейно по горизонтальной поерхности, совершило перемещение . Сила не обязательно является непосредственной причиной перемещения (так, сила тяжести не является непосредственной причиной перемещения шкафа, который передвигают по комнате).

Предположим сначала, что векторы силы и перемещения сонаправлены (рис. 1; остальные силы, действующие на тело, не указаны)

Рис. 1.A=Fs

В этом простейшем случае работа определяется как произведение модуля силы на модуль перемещения:

. (1)

Единицей измерения работы служит джоуль (Дж): Дж=Н м. Таким образом, если под действием силы 1 Н тело перемещается на 1 м, то сила совершает работу 1 Дж.

Работа силы, перпендикулярной перемещению, по определению считается равной нулю. Так, в данном случае сила тяжести и сила реакции опоры не совершают работы.

Пусть теперь вектор силы образует с вектором перемещения острый угол (рис. 2).

Разложим силу на две составляющие: (параллельную перемещению) и (перпендикулярную перемещению). Работу совершает только . Поэтому для работы силы получаем:

. Итак,

. (2)

Если вектор силы образует с вектором перемещения тупой угол , то работа по-прежнему определяется формулой (2). В этом случае работа оказывается отрицательной.

Например, работа силы трения скольжения, действующей на тело в рассмотренных ситуациях, будет отрицательной, так как сила трения направлена противоположно перемещению. В этом случае имеем:

, и для работы силы трения получаем:

,

где — масса тела, — коэффициент трения между телом и опорой.

Соотношение (2) означает, что работа является скалярным произведением векторов силы и перемещения:

.

Это позволяет вычислять работу через координаты данных векторов:

.

Пусть на тело действуют несколько сил и — равнодействующая этих сил. Для работы силы имеем:

,

или

,

где — работы сил . Итак, работа равнодействующей приложенных к телу сил равна сумме работ каждой силы в отдельности.

к оглавлению ▴

Мощность.

Часто имеет значение быстрота, с которой совершается работа. Скажем, на практике важно знать, какую работу сможет выполнить данное устройство за фиксированное время.

Мощность — это величина, характеризующая скорость совершения работы. Мощность есть отношение работы ко времени , за которое эта работа совершена:

.

Мощность измеряется в ваттах (Вт). 1 Вт = 1 Дж/с, то есть 1 Вт — это такая мощность, при которой работа в 1 Дж совершается за 1 с.

Предположим, что силы, действующие на тело, уравновешены, и тело движется равномерно и прямолинейно со скоростью . В этом случае существует полезная формула для мощности, развиваемой одной из действующих сил .

За время тело совершит перемещение . Работа силы будет равна:

.

Отсюда получаем мощность:

,

или

,

где -угол между векторами силы и скорости.

Наиболее часто эта формула используется в ситуации, когда — сила «тяги» двигателя автомобиля (которая на самом деле есть сила трения ведущих колёс о дорогу). В этом случае , и мы получаем просто:

.

к оглавлению ▴

Механическая энергия.

Энергия является мерой движения и взаимодействия любых объектов в природе. Имеются различные формы энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная. . .

Опыт показывает, что энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, она лишь переходит из одной формы в другую. Это самая общая формулировка закона сохранения энергии.

Каждый вид энергии представляет собой некоторое математическое выражение. Закон сохранения энергии означает, что в каждом явлении природы определённая сумма таких выражений остаётся постоянной с течением времени.

Измеряется энергия в джоулях, как и работа.

Механическая энергия является мерой движения и взаимодействия механических объектов (материальных точек, твёрдых тел).

Мерой движения тела является кинетическая энергия. Она зависит от скорости тела. Мерой взаимодействия тел является потенциальная энергия. Она зависит от взаимного расположения тел.

Механическая энергия системы тел равна сумме кинетической энергии тел и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

к оглавлению ▴

Кинетическая энергия.

Кинетической энергией тела (принимаемого за материальную точку) называется величина

,

где — масса тела, — его скорость.

Кинетической энергией системы из тел называется сумма кинетических энергий каждого тела:

.

Если тело движется под действием силы , то кинетическая энергия тела, вообще говоря, меняется со временем. Оказывается, именение кинетической энергии тела за некоторый промежуток времени равно работе силы . Покажем это для случая прямолинейного равноускоренного движения.

Пусть — начальная скорость, — конечная скорость тела. Выберем ось вдоль траектории тела (и, соответственно, вдоль вектора силы ). Для работы силы получаем:

.

(мы воспользовались формулой для , выведенной в статье «Равноускоренное движение»). Заметим теперь, что в данном случае проекция скорости отличается от модуля скорости разве что знаком; поэтому и . В результате имеем:

,

что и требовалось.

На самом деле соотношение справедливо и в самом общем случае криволинейного движения под действием переменной силы.

Теорема о кинетической энергии. Изменение кинетической энергии тела равно работе, совершённой приложенными к телу внешними силами за рассматриваемый промежуток времени.

Если работа внешних сил положительна, то кинетическая энергия увеличивается (, тело разгоняется).

Если работа внешних сил отрицательна, то кинетическая энергия уменьшается (, тело замедляет движение). Пример — торможение под действием силы трения, работа которой отрицательна.

Если же работа внешних сил равна нулю, то кинетическая энергия тела за это время не меняется. Нетривиальный пример — равномерное движение по окружности, совершаемое грузом на нити в горизонтальной плоскости. Сила тяжести, сила реакции опоры и сила натяжения нити всегда перпендикулярны скорости, и работа каждой из этих сил равна нулю в течение любого промежутка времени. Соответственно, кинетическая энергия груза (а значит, и его скорость) остаётся постоянной в процессе движения.

Задача. Автомобиль едет по горизонтальной дороге со скоростью и начинает резко тормозить. Найти путь , пройденный автомобилем до полной остановки, если коэффициент трения шин о дорогу равен .

Решение. Начальная кинетическая энергия автомобиля , конечная кинетическая энергия . Изменение кинетической энергии .

На автомобиль действуют сила тяжести , реакция опоры и сила трения . Сила тяжести и реакция опоры, будучи перпендикулярны перемещению автомобиля, работы не совершают. Работа силы трения:

.

Из теоремы о кинетической энергии теперь получаем:

.

к оглавлению ▴

Потенциальная энергия тела вблизи поверхности Земли.

Рассмотрим тело массы , находящееся на некоторой высоте над поверхностью Земли. Высоту считаем много меньше земного радиуса. Изменением силы тяжести в процессе перемещения тела пренебрегаем.

Если тело находится на высоте , то потенциальная энергия тела по определению равна:

где — ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли.

Высоту не обязательно отсчитывать от поверхности Земли. Как мы увидим ниже (формулы (3), (4)), физическим смыслом обладает не сама по себе потенциальная энергия, но её изменение. А изменение потенциальной энергии не зависит от уровня отсчёта. Выбор нулевого уровня потенциальной энергии в конкретной задаче диктуется исключительно соображениями удобства.

Найдём работу, совершаемую силой тяжести при перемещении тела. Предположим, что тело перемещается по прямой из точки , находящейся на высоте , в точку , находящуюся на высоте (рис. 3).

Рис. 3.A=mg(h1-h2)[/math]

Угол между силой тяжести и перемещением тела обозначим . Для работы силы тяжести получим:

.

Но, как видно из рис. 3, . Поэтому

,

или

. (3)

Учитывая, что , имеем также:

. (4)

Можно доказать, что формулы (3) и (4) справедливы для любой траектории, по которой тело перемещается из точки в точку , а не только для прямолинейного отрезка.

Работа силы тяжести не зависит от формы траектории, по которой перемещается тело, и равна разности значений потенциальной энергии в начальной и конечной точках траектории. Иными словами, работа силы тяжести всегда равна изменению потенциальной энергии с противоположным знаком. В частности, работа силы тяжести по любому замкнутому пути равна нулю.

Сила называется консервативной, если при перемещении тела работа этой силы не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением тела. Сила тяжести, таким образом, является консервативной. Работа консервативной силы по любому замкнутому пути равна нулю. Только в случае консервативной силы возможно ввести такую величину, как потенциальная энергия.

к оглавлению ▴

Потенциальна яэнергия деформированной пружины.

Рассмотрим пружину жёсткости . Начальная деформация пружины равна . Предположим,
что пружина деформируется до некоторой конечной величины деформации . Чему равна при этом работа силы упругости пружины?

В данном случае силу на перемещение не умножишь, так как сила упругости меняется в процессе деформации пружины. Для нахождения работы переменной силы требуется интегрирование. Мы не будем приводить здесь вывод, а сразу выпишем конечный результат.

Оказывается, сила упругости пружины также является консервативной. Её работа зависит лишь от величин и и определяется формулой:

.

Величина

называется потенциальной энергией деформированной пружины (x — величина деформации).

Следовательно,

,

что полностью аналогично формулам (3) и (4).

к оглавлению ▴

Закон сохранения механической энергии.

Консервативные силы называются так потому, что сохраняют механическую энергию замкнутой системы тел.

Механическая энергия тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергий:

.

Механическая энергия системы тел равна сумме их кинетических энергий и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Предположим, что тело совершает движение под действием силы тяжести и/или силы упругости пружины. Будем считать, что трения нет. Пусть в начальном положении кинетическая и потенциальная энергии тела равны и , в конечном положении — и . Работу внешних сил при перемещении тела из начального положения в конечное обозначим .

По теореме о кинетической энергии

.

Но работа консервативных сил равна разности потенциальных энергий:

.

Отсюда получаем:

,

или

.

Левая и правая части данного равенства представляют собой механическую энергию тела в начальном и конечном положении:

.

Следовательно, при движении тела в поле силы тяжести и/или на пружине механическая энергия тела остаётся неизменной при отсутствии трения. Справедливо и более общее утверждение.

Закон сохранения механической энергии. Если в замкнутой системе действуют только консервативные силы, то механическая энергия системы сохраняется.

При этих условиях могут происходить лишь превращения энергии: из кинетической в потенциальную и наоборот. Общий запас механической энергии системы остаётся постоянным.

к оглавлению ▴

Закон изменения механической энергии.

Если между телами замкнутой системы имеются силы сопротивления (сухое или вязкое трение), то механическая энергия системы будет уменьшаться. Так, автомобиль останавливается в результате торможения, колебания маятника постепенно затухают и т. д. Силы трения неконсервативны: работа силы трения очевидным образом зависит от пути, по которому перемещается тело между данными точками. В частности, работа силы трения по замкнутому пути не равна нулю.

Снова рассмотрим движение тела в поле силы тяжести и/или на пружине. Вдобавок на тело действует сила трения, которая за рассматриваемый промежуток времени совершает отрицательную работу . Работу консервативных сил (тяжести и упругости) по-прежнему обозначаем .

Изменение кинетической энергии тела равно работе всех внешних сил:

.

Но , следовательно

.

Отсюда

,

или

.

В левой части стоит величина — изменение механической энергии тела:

.

Итак,при движении тела в поле силы тяжести и/или на пружине изменение механической энергии тела равно работе силы трения. Так как работа силы трения отрицательна,изменение механической энергии также отрицательно: механическая энергия убывает.
Справедливо и более общее утверждение.

Закон изменения механической энергии. Изменение механической энергии замкнутой системы равно работе сил трения, действующих внутри системы.

Ясно, что закон сохранения механической энергии является частным случаем данного утверждения.

Конечно, убыль механической энергии не противоречит общефизическому закону сохранения энергии. В данном случае механическая энергия превращается в энергию теплового движения частиц вещества и их потенциальную энергию взаимодействия друг с другом, т. е. переходит во внутреннюю энергию тел системы.

Что на самом деле означает знаменитая формула Эйнштейна?

23

17.03.2013,

обновлено 19.03.2013

Уравнение E=mc² мелькает везде: от кепок до наклеек на бамперах. В 2008 году Мэрайя Кэри даже назвала так свой альбом. Но что, в сущности, означает знаменитое уравнение относительности, выведенное Альбертом Эйнштейном?

Для начала, E — это энергия, M — это масса, измерение количества вещества. Энергия и материя взаимозаменяемы. Кроме того, важно помнить, что во Вселенной есть установленное количество энергии и материи. Энергия постоянно перетекает в материю и обратно. Ничего не исчезает бесследно.

Теперь поговорим о c². Это часть уравнения, которая обозначает скорость света в квадрате. Получается, что энергия равна количеству массы, умноженной на скорость света в квадрате.

Почему нам нужно умножать материю на скорость света, чтобы получить энергию? Причина в том, что энергия, будь это световые волны или радиация, движется со скоростью света. Это 300 000 километров в секунду. Когда мы разбиваем атомы в ядерном реакторе или атомной бомбе, энергия вырывается со скоростью света.

Но почему скорость света в квадрате? Причина в том, что кинетическая энергия или энергия движения пропорциональна массе. Когда вы ускоряете объект, кинетическая энергия увеличивается на сумму скорости в квадрате. Вот отличный пример, с которым сталкивается любой водитель: если вы увеличите скорость в два раза, тормозной путь будет в четыре раза дольше, потому что тормозной путь равен квадрату скорости.

Скорость света в квадрате — колоссальное число, демонстрирующее, какое огромное количество энергии есть даже в небольшом количестве вещества. Возьмем 1 грамм воды — если вся масса конвертируется в чистую энергию по формуле E=mc², выйдет 20 000 тонн в тротиловом эквиваленте. Вот почему небольшой кусочек урана или плутония может произвести суровый атомный взрыв.

Уравнение Эйнштейна открыло двери для многочисленных технологических достижений в разных сферах, от ядерной энергетики и ядерной медицины до «одомашнивания солнца». Не так давно мы писали, что NASA планирует оснастить небольшим термоядерным реактором каждый дом и автомобиль, только основан он будет не на энергии распада, а на энергии синтеза. Дело очень непростое, но только подумайте: небольшое количество вещества может обеспечить вас энергией до конца ваших дней. Эйнштейн был весьма незаурядным физиком, и многие склонны искать причину его гениальности в мозге.

Читайте подробнее о «сером веществе» автора теории относительности.

Для отправки комментария вы должны или

Энергия: что это такое

Если мы погуглим определение слова «Энергия», то скорее всего найдем что-то про формы взаимодействия материи. Это верно, но совершенно непонятно.

Поэтому давайте условимся здесь и сейчас, что энергия — это запас, который пойдет на совершение работы.

Энергия бывает разных видов: механическая, электрическая, внутренняя, гравитационная и так далее. Измеряется она в Джоулях (Дж) и чаще всего обозначается буквой E.

Механическая энергия

Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.

Она представляет собой совокупность кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия — это энергия действия. Потенциальная — ожидания действия.

Представьте, что вы взяли в руки канцелярскую резинку, растянули ее и отпустили. Из растянутого положения резинка просто «полетит», как только вы ей позволите это сделать. В этом процессе в момент натяжения резинка обладает потенциальной энергией, а в момент полета — кинетической.

Еще один примерчик: лыжник скатывается с горы. В самом начале — на вершине — у него максимальная потенциальная энергия, потому что он в режиме ожидания действия (ждущий режим 😂), а внизу горы он уже явно двигается, а не ждет, когда с ним это случится — получается, внизу горы кинетическая энергия.

Кинетическая энергия

Еще разок: кинетическая энергия — это энергия действия. Величина, которая очевиднее всего характеризует действие — это скорость. Соответственно, в формуле кинетической энергии точно должна присутствовать скорость.

Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия. И наоборот — чем медленнее, тем меньше кинетическая энергия.

Задачка раз

Определить кинетическую энергию собаченьки массой 10 кг, если она бежала за мячом с постоянной скоростью 2 м/с.

Решение:

Формула кинетической энергии

Подставляем значения

Дж

Ответ: кинетическая энергия пёсы равна 20 Дж.

Задачка два

Найти скорость бегущего по опушке гнома, если его масса равна 20 кг, а его кинетическая энергия — 40 Дж

Решение:

Формула кинетической энергии

Выразим скорость:

Подставляем значения

Ответ: гном бежал со скоростью 2 м/с.

Онлайн-уроки физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Потенциальная энергия

В отличие от кинетической энергии, потенциальная чаще всего тем меньше, чем скорость больше. Потенциальная энергия — это энергия ожидания действия.

Например, потенциальная энергия у сжатой пружины будет очень велика, потому что такая конструкция может привести к действию, а следовательно — к увеличению кинетической энергии. То же самое происходит, если тело поднять на высоту. Чем выше мы поднимаем тело, тем больше его потенциальная энергия.

Задачка раз

Найти потенциальную энергию рака массой 0,1 кг, который свистит на горе высотой 2500 метров. Ускорение свободного падения считать равным 9,8 м/с².

Решение:

Формула потенциальной энергии Е_п = mgh

Подставляем значения

E_п = 0,1 · 9,8 · 2500 = 2450 Дж

Ответ: потенциальная энергия рака, свистящего на горе, равна 2450 Дж.

Задачка два

Найти высоту горки, с которой собирается скатиться лыжник массой 65 кг, если его потенциальная энергия равна 637 кДж. Ускорение свободного падения считать равным 9,8 м/с².

Решение:

Формула потенциальной энергии Е_п = mgh

Выразим высоту:

Переведем 637 кДж в Джоули.

637 кДж = 637000 Дж

Подставляем значения

м

Ответ: высота горы равна 1000 метров.

Задачка три

Два шара разной массы подняты на разную высоту относительно поверхности стола (см. рисунок). Сравните значения потенциальной энергии шаров E₁ и E₂. Считать, что потенциальная энергия отсчитывается от уровня крышки стола.

Решение:

Потенциальная энергия вычисляется по формуле: E = mgh

По условию задачи

m₁ = m

h₁ = 2h

m₂ = 2m

h₂ = h

Таким образом, получим, что

E₁ = mg2h = 2mgh,

а E₂ = 2mgh,

то есть E₁ = E₂.

Ответ: E₁ = E₂.

Закон сохранения энергии

В физике и правда ничего не исчезает бесследно. Чтобы это как-то выразить, используют законы сохранения. В случае с энергией — Закон сохранения энергии.

Полная механическая энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергий. Математически этот закон описывается так:

Задачка раз

Мяч бросают вертикально вверх с поверхности Земли. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Как изменится высота подъёма мяча при увеличении начальной скорости мяча в 2 раза?

Решение:

Должен выполняться закон сохранения энергии:

В начальный момент времени высота равна нулю, значит Е_п = 0. В этот же момент времени Е_к максимальна.

В конечный момент времени все наоборот — кинетическая энергия равна нулю, так как мяч уже не может лететь выше, а вот потенциальная максимальна, так как мяч докинули до максимальной высоты.

Это можно описать соотношением:

Е_п1 + Е_к1 = Е_п2 + Е_к2

0 + Е_к1 = Е_п2 + 0

Е_к1 = Е_п2

Разделим на массу левую и правую часть

Из соотношения видно, что высота прямо пропорциональна квадрату начальной скорости, значит при увеличении начальной скорости мяча в два раза, высота должна увеличиться в 4 раза.

Ответ: высота увеличится в 4 раза

Задачка два

Тело массой m, брошенное с поверхности земли вертикально вверх с начальной скоростью v₀, поднялось на максимальную высоту h₀. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Чему будет равна полная механическая энергия тела на некоторой промежуточной высоте h?

Решение

По закону сохранения энергии полная механическая энергия изолированной системы остаётся постоянной. В максимальной точке подъёма скорость тела равна нулю, а значит, оно будет обладать исключительно потенциальной энергией Е_мех = Е_п = mgh₀.

Таким образом, на некоторой промежуточной высоте h, тело будет обладать и кинетической и потенциальной энергией, но их сумма будет иметь значение Е_мех = mgh₀.

Ответ: Е_мех = mgh₀.

Задачка три

Мяч массой 100 г бросили вертикально вверх с поверхности земли с начальной скоростью 6 м/с. На какой высоте относительно земли мяч имел скорость 2 м/с? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Решение:

Переведем массу из граммов в килограммы:

m = 100 г = 0,1 кг

У поверхности земли полная механическая энергия мяча равна его кинетической энергии:

Дж

На высоте h потенциальная энергия мяча есть разность полной механической энергии и кинетической энергии:

Дж

м

Ответ: мяч имел скорость 2 м/с на высоте 1,6 м

Переход механической энергии во внутреннюю

Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотичного теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. То есть та энергия, которая запасена у тела за счет его собственных параметров.

Часто механическая энергия переходит во внутреннюю. Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом. Например, если сгибать и разгибать проволоку — она будет нагреваться.

Или если кинуть мяч в стену, часть энергии при ударе перейдет во внутреннюю.

Задачка

Какая часть начальной кинетической энергии мяча при ударе о стену перейдет во внутреннюю, если полная механическая энергия вначале в два раза больше, чем в конце?

Решение:

В самом начале у мяча есть только кинетическая энергия, то есть Е_мех = Е_к.

В конце механическая энергия равна половине начальной, то есть Е_мех/2 = Е_к/2

Часть энергии уходит во внутреннюю, значит Е_полн = Е_мех/2 + Е_внутр

Е_мех = Е_мех/2 + Е_внутр

Е_мех/2 = Е_внутр

Е_внутр = Е_к/2

Ответ: во внутреннюю перейдет половина начальной кинетической энергии

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Чтобы закон сохранения энергии для тепловых процессов был сформулирован, было сделано два важных шага. Сначала французский математик и физик Жан Батист Фурье установил один из основных законов теплопроводности. А потом Сади Карно определил, что тепловую энергию можно превратить в механическую.

Вот что сформулировал Фурье:

Таким образом, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие без участия внешних сил тепловые процессы необратимы.

Дальше Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает на­гретое тело, непосредственно невозможно превратить в механиче­скую энергию для производства работы. Это можно сделать, только если часть тепловой энергии тела с большей температурой передать другому телу с меньшей температурой и, следовательно, нагреть его до более высокой температуры.

Математически его можно описать так:

Данное равенство называется уравнением теплового баланса. В реальных опытах обычно получается, что отданное более нагретым телом количество теплоты больше количества теплоты, полученного менее нагретым телом:

Это объясняется тем, что некоторое количество теплоты при теплообмене передаётся окружающему воздуху, а ещё часть — сосуду, в котором происходит теплообмен.

Чтобы разобраться в задачках, читайте нашу статью про агрегатные состояния вещества.

Задачка раз

Сколько граммов спирта нужно сжечь в спиртовке, чтобы нагреть на ней воду массой 580 г на 80 °С, если учесть, что на нагревание пошло 20% затраченной энергии.

Удельная теплота сгорания спирта 2,9 · 10₇ Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг · °С).

Решение:

При нагревании тело получает количество теплоты

Q = cmΔt ,

где c — удельная теплоемкость вещества

При сгорании тела выделяется энергия

Q_сгор = q · m_сгор,

где q — удельная теплота сгорания топлива

По условию задачи нам известно, что на нагревание воды пошло 20% энергии, полученной при горении спирта.

То есть:

Ответ: масса сгоревшего топлива равна 33,6 г.

Задачка два

Какое минимальное количество теплоты необходимо для превращения в воду 500 г льда, взятого при температуре −10 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь. Удельная теплоемкость льда равна 2100 Дж/кг · ℃, удельная теплота плавления льда равна 3,3 · 10⁵ Дж/кг.

Решение:

Для нагревания льда до температуры плавления необходимо:

Q_нагрев = cmΔt

Q_нагрев = 2100 · 0,5 · (10 − 0) = 10 500 Дж

Для превращения льда в воду:

Q_пл = λm

Q_пл = 3,3 · 10⁵ · 0,5 = 165 000 Дж

Таким образом, для превращения необходимо затратить:

Q = Q_нагрев + Q_пл = 10 500 + 165 000 = 175 500 Дж = 175,5 кДж

Ответ: чтобы превратить 0,5 кг льда в воду при заданных условиях необходимо 175,5 кДж тепла.