Потенціальна енергія

Якщо тіла взаємодіють між собою, тобто якщо між ними діють сили, то в процесі їхнього взаємного руху також може відбуватися механічна робота. Отже, можна говорити, що взаємодіючі тіла володіють енергією. Енергія, обумовлена ​​взаємодією тіл, їх взаємним розташуванням, називається потенційної. Якщо сила взаємодії здійснює позитивну роботу, то потенційна енергія цієї взаємодії зменшується на величину досконалої роботи.

Як ми покажемо надалі, багато взаємодії володіють найважливішою властивістю: робота цих сил не залежить від форми траєкторії руху, а повністю визначається початковим і кінцевим положенням тіла. Сили, які задовольняють цій умові, називаються потенційними, або консервативними [1]. При вивченні енергетичних характеристик різних взаємодій питання про залежність (або незалежності) роботи від форми траєкторії є найважливішим, тому при вивченні взаємодій ми завжди будемо його аналізувати. Якщо взаємодії задовольняє умові потенційності, то можна ввести спеціальну функцію від координат всіх взаємодіючих тіл, що описує взаємодію – потенційну енергію U. Строго кажучи, ця функція від взаємного розташування всіх взаємодіючих тіл. Однак у багатьох випадках можна розглядати рух одного тіла, за умови, що інші тіла нерухомі, тоді можна говорити про потенційної енергії окремого тіла і розглядати потенційну енергію як функцію координат тільки цього рухомого тіла U (x, y, z). Ця функція має наступний фізичний сенс: робота потенційної сили при переміщенні тіла з однієї точки з координатами (x1, y1, z1) в іншу, з координатами (x2, y2, z2) дорівнює зміні потенційної енергії, взятому з протилежним знаком.

Звернемо увагу на ще одне загальне обставина, загальне для різних видів потенційної енергії. Як випливає з визначення, фізичний зміст має зміна потенційної енергії, так як тільки зміна енергії визначає експериментально вимірювані величини – роботу і силу. Отже, якщо до функції потенційної енергії U (x, y, z) у всіх точках додати постійний доданок, то ця добавка ніяк не позначиться на поведінці системи. Тому часто кажуть, що потенційна енергія визначається з точністю до довільного доданка, або нульовий рівень потенційної енергії вибирається довільно.

Тепер ми можемо дати ще одне тлумачення потенційної енергії.

Потенційна енергія тіла U (x, y, z), що знаходиться в точці з координатами (x, y, z) дорівнює роботі, яку здійснюють сили взаємодії при переміщенні тіла з даної точки, в точку з координатами (x0, y0, z0), де потенційна енергія приймається рівною нулю U (x0, y0, z0) = 0.

Таким чином, потенційна енергія в деякій точці визначається силами взаємодії не тільки в даній точці, а й на всьому шляху до точки з нульовою потенційною енергією.

З іншого боку, якщо над системою зовнішні сили здійснюють роботу, то енергія системи збільшується, причому зміна енергії системи дорівнює досконалої роботі. Однак робота зовнішніх сил може піти на збільшення будь-якого виду енергії системи – кінетичної, потенційної та інших.

Отже, для розрахунку потенційної енергії необхідно довести, що робота сили не залежить від траєкторії руху, а потім підрахувати цю роботу, яка і буде дорівнює зміні потенційної енергії.

Посилання на основну публікацію