Перетворення енергії: закон збереження енергії

Уявіть собі ревучий водоспад. Грізно шумлять потужні потоки води, іскряться на сонці краплі, біліє піна. Красиво, чи не так? Але з точки зору фізика все набагато складніше, ніж здається на перший погляд…

Перетворення одного виду механічної енергії в інший

А як ви вважаєте, чи володіє ця стихія енергією? Ніхто не буде сперечатися з тим, що так. А ось якою енергією володітиме вода – кінетичною або потенційною? І ось тут виявляється, що ні перший, ні другий варіанти відповіді не будуть вірні. А вірним виявиться відповідь – падаюча вниз вода воодіє обома видами енергії. Тобто, одне і те ж тіло може володіти обома видами енергії. Їх суму називають повною механічною енергією тіла:

E = Eк + En

Більше того, вода в даному випадку не тільки володіє обома видами енергії, але їх величина змінюється по ходу руху води. Коли наша вода знаходиться у верхній точці водоспаду і ще не почала падати, то вона має максимальне значення потенційної енергії. Кінетична ж енергія в даному випадку дорівнює нулю. Коли вода починає падати вниз, у неї з’являється кінетична енергія руху. По ходу руху вниз потенційна енергія зменшується, тому що зменшується висота, а кінетична, навпаки, зростає, оскільки збільшується швидкість падіння води. Тобто, відбувається перетворення одного виду енергії в інший. При цьому повна механічна енергія зберігається. У цьому і полягає закон збереження і перетворення енергії.

Закон збереження повної механічної енергії

Закон збереження повної механічної енергії говорить: повна механічна енергія тіла, на яке не діють сили тертя і опору, в процесі його руху залишається незмінною. Коли ж присутнє, наприклад, тертя ковзання, тіло змушене витрачати частину енергії на його подолання, і енергія, природно буде зменшуватися. Тому в реальності, при передачі енергії практично завжди існують втрати, які доводиться враховувати.

Закон збереження енергії можна представити у вигляді формули. Якщо ми позначимо початкову та кінцеву енергію тіла як E1 і E2, то закон збереження енергії можна виразити так:

E1 = E2

У початковий момент часу тіло мало швидкість v1 і висоту h1:

E1 = (mv12)/2 + mgh1

У кінцевий момент часу зі швидкістю v2 на висоті h2 енергія

E2 = (mv22)/2 + mgh2

Відповідно до закону збереження енергії:

(Mv12)/2 + mgh1 = (mv22)/2 + mgh2.

Якщо ми знаємо початкові значення швидкості та енергії, то ми можемо вирахувати кінцеву швидкість на висоті h, або, навпаки, знайти висоту, на якій тіло буде мати задану швидкість. При цьому маса тіла не має значення, так як вона скоротиться з рівняння.

Енергія також може передаватися від одного тіла до іншого. Так, наприклад, при випуску стріли з лука потенційна енергія тятиви, перетворюється в кінетичну енергію стріли, що летить.

Посилання на основну публікацію