Механічна енергія і сила тертя

Тіло, отримавши поштовх, рухається вгору, проти сили тяжіння. При цьому його кінетична енергія зменшується. Досягнувши верхньої точки траєкторії, тіло на мить зупиняється і починає зворотний шлях вниз.

Але ось інший приклад. Тіло лежить на горизонтальній негладкою поверхні. Отримавши поштовх, воно починає рухатися. Через дії сили тертя кінетична енергія тіла зменшується. Пройшовши деяку відстань, тіло зупиняється, але не на мить, як в прикладі з кинутим вгору тілом. Воно зупиниться зовсім і в зворотний шлях вже не рушить.

Чому так по-різному веде себе тіло в цих двох начебто схожих випадках? Адже в кожному з них тіло рухається проти деякої сили, яка здійснює негативну роботу, що і призводить до зменшення кінетичної енергії. Вся справа в тому, що в першому прикладі кінетична енергія, поступово зменшуючись, перетворюється в потенційну енергію взаємодії тіла і Землі. За рахунок цієї енергії і відбувається робота при русі тіла вниз. У разі ж рухи тіла по шорсткій поверхні кінетична енергія зменшується, але не перетворюється в потенційну енергію. Тому і тіло не рухається в зворотному напрямку: немає енергії, за рахунок якої могла б бути здійснена робота при такому переміщенні.

Виходить, що, коли на тіло діє сила тертя (сама по собі або разом з іншими силами), порушується закон збереження енергії: кінетична енергія зменшується, а потенційна енергія не з’являється. Отже, повна механічна енергія зменшується.
Таке зменшення механічної енергії ми спостерігаємо навіть при русі падаючого на Землю тіла, якщо падіння відбувається не у вакуумі, а в повітрі. При цьому русі потенційна енергія тіла зменшується на величину mgh, як і під час руху в порожнечі. Але швидкість тіла, коли воно досягне поверхні Землі, буде менше, ніж при вільному падінні. Меншою буде і його кінетична енергія, так що вона вже не буде дорівнює убутку потенційної енергії. За рахунок втраченої енергії була здійснена робота проти сили опору повітря. Хоча ми і знаємо, куди пропала механічна енергія, вона все-таки зникла і закон збереження енергії виявляється ніби порушеним.

Але виявляється, що порушення закону збереження енергії тут лише позірна. Справа в тому, що тертя одного тіла про інше завжди призводить до нагрівання обох тіл, до підвищення їх температури. Температура тел визначається кінетичної енергією рухомих молекул або атомів, з яких складаються всі тіла. Тому при нагріванні тіл, що труться збільшується енергія руху молекул тіла, або, як кажуть, внутрішня енергія тіла. Чи не відбувається це збільшення внутрішньої енергії якраз за рахунок «губиться» кінетичної енергії руху всього тіла? Ретельні вимірювання показали, що коли рухомі тіла через дії сили тертя зменшують свою кінетичну енергію, їх внутрішня енергія (енергія руху молекул в тілі) справді збільшується рівно на стільки, на скільки зменшується механічна енергія. Отже, механічна енергія хоча і зменшується, але не губиться безслідно, а лише переходить в енергію рухомих молекул.

Ми приходимо, таким чином, до дуже важливого висновку, що можливо не тільки перетворення енергії з потенційною в кінетичну і назад. Кінетична енергія може перетворюватися в Немеханічні форму енергії – у внутрішню енергію руху частинок, складових тіло. Енергія і чудова тим, що вона може мати різні форми: кінетичну, потенційну, внутрішню і багато інших форм, з якими ви ознайомитесь пізніше. А закон збереження енергії означає, що зберігається сума всіх видів енергії тіла. І всякий раз, коли при якомусь процесі або явищі спостерігається «пропажа» якогось виду енергії, можна бути впевненим, що в цьому процесі з’явилася енергія якого-небудь іншого виду.

...
ПОДІЛИТИСЯ: