Потенційна і кінетична енергія

В уроці “Робота тіла і зміна його стану. Поняття про енергію” було з’ясовано, що коли тіла, які взаємодіють один з одним силою пружності або силою тяжіння, здійснюють роботу, то змінюється взаємне розташування тіл або їх частин. А коли роботу виконує рух тіло, то змінюється його швидкість. Але при здійсненні роботи змінюється енергія тел. Звідси можна зробити висновок, що енергія тіл, взаємодіючих силою пружності або силою тяжіння, залежить від взаємного розташування цих тіл або їх частин. Енергія ж рухомого тіла залежить від його швидкості.

Енергію тел, якою вони володіють внаслідок взаємодії один з одним, називають потенційною енергією. Енергію ж тіл, якою вони володіють внаслідок свого руху, називають кінетичної енергією.
Отже, енергія, якою володіє Земля і знаходиться поблизу неї тіло, – це потенційна енергія системи Земля – тіло. Для стислості прийнято говорити, що цією енергією володіє саме тіло, що знаходиться поблизу поверхні Землі.

Енергія деформованої пружини – це теж потенційна енергія. Вона визначається взаємним розташуванням витків пружини.
Кінетична енергія – це енергія руху. Кінетичної енергією може володіти тіло і не взаємодіє з іншими тілами.

Тіла можуть мати одночасно і потенційної, і кінетичної енергією. Наприклад, штучний супутник Землі має кінетичної енергією, тому що він рухається, і потенційною енергією, тому що він взаємодіє силою всесвітнього тяжіння з Землею. Вантаж, що падає теж володіє і кінетичної, і потенційною енергією.
Подивимося тепер, як можна обчислити енергію, яку має тіло в даному стані, а не тільки її зміна. Для цієї мети потрібно з різних станів тіла або системи тіл вибрати одне певне стан, з яким порівнюватимуться всі інші.

Назвемо це стан «нульовим станом». Тоді енергія тел в будь-якому стані буде дорівнює роботі, яка відбувається під час переходу з цього стану в нульове стан. (Очевидно, що в нульовому стані енергія тіла дорівнює нулю.) Нагадаємо, що робота, що здійснюються силою тяжіння і силою пружності, не залежить від траєкторії руху тіла. Вона залежить тільки від його початкового і кінцевого положень. Точно так же робота, що здійснюються при зміні швидкості тіла, залежить тільки від початкової і кінцевої швидкості тіла.

Який стан тел вибрати за нульове, байдуже. Але в деяких випадках вибір нульового стану напрошується сам собою. Наприклад, коли мова йде про потенційної енергії пружно деформованої пружини, природно вважати, що недеформированная пружина знаходиться в нульовому стані. Енергія недеформованою пружини дорівнює нулю. Тоді потенційна енергія деформованої пружини дорівнюватиме тій роботі, яку зробила б ця пружина, перейшовши в недеформоване стан. Коли нас цікавить кінетична енергія рухомого тіла, природно прийняти за нульове то стан тіла, в якому його швидкість дорівнює нулю. Кінетичну енергію тіла, що рухається ми отримаємо, якщо обчислимо роботу, яку вона вчинила б, рухаючись до повної зупинки.

Інша річ, коли йдеться про потенційну енергії тіла, піднятого на деяку висоту над Землею. Ця енергія залежить, звичайно, від висоти підняття тіла. Але тут немає «природного» вибору нульового стану, т. Е. Того положення тіла, від якого потрібно відраховувати його висоту. Можна вибрати за нульове то стан тіла, коли воно знаходиться на підлозі кімнати, на рівні моря, на дні шахти і т. Д. Необхідно лише при визначенні енергії тіла на різних висотах відраховувати ці висоти від одного і того ж рівня, висота якого прийнята рівною нулю. Тоді значення потенційної енергії тіла на даній висоті дорівнюватиме роботі, яка була б здійснена при переході тіла з цієї висоти на нульовий рівень.
Виходить, що в залежності від вибору нульового стану енергія одного і того ж тіла має різні значення! У цьому немає ніякої біди. Адже для обчислення роботи, яку здійснюють тілом, нам потрібно знати зміна енергії, т. Е. Різницю двох значень енергії. А ця різниця ніяк не залежить від вибору нульового рівня. Наприклад, для того щоб визначити, на скільки вершина однієї гори вище іншої, байдуже, звідки відлічується висота кожної вершини. Важливо лише, щоб вона відраховується від одного і того ж рівня (наприклад, від рівня моря).

Зміна як кінетичної, так і потенційної енергії тіл завжди одно по абсолютній величині роботі, досконалої діючими на ці тіла силами. Але між обома видами енергії є важлива відмінність. Зміна кінетичної енергії тіла при дії на нього сили дійсно одно досконалої цією силою роботі, т. Е. Збігається з нею як за абсолютною величиною, так і за знаком. Це безпосередньо випливає з теореми про кінетичної енергії. Зміна ж потенційної енергії тіл дорівнює роботі, досконалої силами взаємодії, тільки за абсолютною величиною, а за знаком протилежно їй. Справді, коли тіло, на яке діє сила тяжіння, переміщається вниз, відбувається позитивна робота, а потенційна енергія тіла при цьому зменшується. Те ж відноситься до деформованої пружини: при скороченні розтягнутої пружини сила пружності здійснює позитивну роботу, а потенційна енергія пружини зменшується. Нагадаємо, що зміна величини – це різниця між наступним і попереднім значенням цієї величини. Тому, коли зміна якої-небудь величини полягає в тому, що вона збільшується, ця зміна має позитивний знак. Навпаки, якщо величина зменшується, її зміна негативно.

...
ПОДІЛИТИСЯ: