Механическая энергия. Закон сохранения и превращения энергии в механике
Кинетическая энергия движущегося тела: E_k = (m · v²) / 2. Потенциальная энергия тела в поле тяжести: E_p = m · g · h и упруго деформированной пружины: E_p = (k · x²) / 2. Закон сохранения полной механической энергии. Теорема о кинетической энергии.
Энергия — единая количественная мера различных форм движения и взаимодействия материи.
Кинетическая энергия (Ek) — энергия механического движения тела, зависящая от его массы и скорости движения:
Кинетическая энергия — величина скалярная и всегда строго неотрицательная (Ek ≥ 0). В СИ измеряется в Джоулях (Дж).
Теорема об изменении кинетической энергии: работа равнодействующей всех сил, приложенных к телу, равна изменению его кинетической энергии:
Если работа сил положительна (A > 0), кинетическая энергия тела возрастает (скорость растет); если отрицательна (A < 0), кинетическая энергия убывает (торможение).
Потенциальная энергия (Ep) — энергия взаимного расположения взаимодействующих тел или частей одного и того же тела.
Тело массы m, поднятое на высоту h над поверхностью Земли, обладает потенциальной энергией гравитационного взаимодействия:
Нулевой уровень отсчета потенциальной энергии выбирается произвольно (поверхность Земли, пол лаборатории, дно карьера). Физический смысл имеет не само абсолютное значение Ep, а её изменение (разность ΔEp) при перемещении тела.
Работа силы тяжести не зависит от формы траектории перемещения тела и равна убыли потенциальной энергии, взятой с противоположным знаком:
Aтяж = -ΔEp = m · g · (h₁ - h₂).
При упругой деформации растяжения или сжатия пружины (или любого упругого тела) частицы вещества смещаются относительно положения равновесия, совершая работу против сил межатомного взаимодействия.
Потенциальная энергия деформированной пружины равна работе внешней силы по её растяжению от нуля до деформации x:
где k — коэффициент жесткости пружины (Н/м), x = Δl — величина абсолютного удлинения или сжатия (м).
Применение: заводные пружины механических часов, лук и арбалет, рессоры и амортизаторы автомобилей, трамплины для прыжков в воду, железнодорожные буферы.
Полной механической энергией тела (или системы тел) называют сумму его кинетической и потенциальной энергий:
Закон сохранения механической энергии: в замкнутой механической системе, в которой действуют только консервативные силы (силы тяготения и силы упругости), полная механическая энергия остается строго постоянной при любых движениях тел системы:
В процессе движения кинетическая энергия может непрерывно переходить в потенциальную и обратно: при падении тела с высоты h потенциальная энергия убывает, превращаясь в кинетическую (m·g·h = m·v²/2 → v = √(2gh)), а при подъеме брошенного мяча кинетическая энергия переходит в потенциальную.
Выбрать нулевой уровень Ep = 0
Записать энергию в состоянии 1
Записать энергию в состоянии 2 и приравнять
Если в механической системе действуют неконсервативные силы (силы трения скольжения, сопротивления воздуха, вязкого трения жидкости), полная механическая энергия системы НЕ сохраняется, а убывает со временем.
Теорема об изменении механической энергии: изменение полной механической энергии системы равно работе внешних сил трения и сопротивления:
ΔE = E₂ - E₁ = Aтр < 0.
Диссипация энергии (рассеяние) — процесс перехода упорядоченной механической энергии во внутреннюю энергию беспорядочного теплового движения молекул соприкасающихся тел и окружающей среды:
Q = |Aтр| = E₁ - E₂.
Всеобщий закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе никогда не исчезает бесследно — механическая энергия с точностью до долей процента превращается в эквивалентное количество теплоты!
Торможение поезда:
При торможении скоростного поезда вся его кинетическая энергия (десятки миллионов джоулей) через работу сил трения тормозных колодок переходит в раскаленный нагрев дисков и окружающего воздуха.
- 1. Кинетическая энергия. Теорема об изменении кинетической энергии~5 мин
- 2. Потенциальная энергия гравитационного поля: E_p = m · g · h~5 мин
- 3. Потенциальная энергия упругодеформированного тела: E_p = k · x² / 2~5 мин
- 4. Фундаментальный закон сохранения механической энергии~5 мин
- 5. Диссипация энергии: работа сил трения и переход в тепло~5 мин
