Понятие энергии является одним из самых фундаментальных в физике. Разные виды энергии (потенциальная, кинетическая, внутренняя, электромагнитная, ядерная и др.) объединяет один, универсальный для всех, закон сохранения и превращения энергии. На примере механической энергии, которая объединяет потенциальную и кинетическую энергии, узнаем что такое энергия, как физическая величина, и почему она сохраняется при всех превращениях.
Понятие энергии тесно связано с понятием работы. Любое движущееся тело может совершить работу. Дальнейший технический прогресс вооружил человека мощными механизмами, позволяющими совершать гигантские объемы работ. Самолеты, пароходы, автомобили, экскаваторы работают благодаря энергии, выделившейся в результате сгорания топлива. Турбины гидроэлектростанций приводятся во вращение от давления потока воды. Все эти примеры показывают, что во всех случаях для совершения работы изначально требуется нечто общее, которое и было сформулировано в виде понятия энергии.
Если тело или система тел, взаимодействующих между собой, способны совершить работу, то говорят, что они обладают энергией.
Итак, энергия — это физическая величина, показывающая какую работу тело (или несколько тел) могут совершить. Чем большей энергией обладает тело, тем большую работу оно способно совершить. То есть энергия это не что иное, как запас работы, которую может совершить тело, изменяя свое состояние.
Изменение энергии тела определяется работой, которую надо совершить, чтобы вызвать это изменение. Поэтому измеряется энергия в тех же единицах, что и работа, то есть в джоулях.
Виды механической энергии
Различают два вида механической энергии — потенциальную и кинетическую. К механическим видам энергии относятся: энергия, связанная с движением тела, энергия, обусловленная деформациями тела, энергия, зависящая от положения тела над землей (связанная с силой всемирного тяготения).
Кинетическая энергия Ек связана со способностью тела, движущегося со скоростью v, тела совершать работу:
Тело обладает потенциальной энергией Еp,только взаимодействуя с другими телами. Приведем примеры потенциальной энергии:
- Потенциальная энергия тела Ep, на которое действует сила тяжести:
где: m — масса тела, g = 9,8 м/с2 — ускорение свободного падения;
- Потенциальная энергия упруго деформированного тела, например, пружины:
где: x — величина деформации (сжатие или удлинение пружины), k — коэффициент жесткости пружины.
Полная механическая энергия EM равна сумме потенциальной и кинетической энергий:
Закон сохранения энергии
В середине XIX века английский исследователь Джоуль и российский ученый Ленц провели серию экспериментов по выяснению связи между механической работой и теплотой, результаты которых предопределили открытие закона сохранения и превращения энергии. В общем виде формулировка закона звучит так:
При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую.
Рассмотрим действие этого закона на примере металлического шарика, который подбрасывают вертикально вверх. При подъеме шарика его скорость убывает, так как на него действует сила земного тяготения. Согласно формулы (2) убывает и кинетическая энергия Ек. В то же время, с ростом высоты h начинает расти потенциальная энергия Ep (см. формулу (3)). Воспользовавшись формулами (2) и (3) можно получить, что в любой точке уменьшение величины Ек в точности равно увеличению величины Ep. Когда движение вверх прекратится (верхняя точка подъема), вся кинетическая энергия полностью превратится в потенциальную. При движении тела вниз происходит обратный процесс: потенциальная энергия тела Ep превращается в кинетическую Ек.
Итак, приведенный пример демонстрирует выполнение закона сохранения и превращения механической энергии, так как при подъеме уменьшение кинетической энергии полностью компенсируется ростом потенциальной (при падении — наоборот). Если потенциальная энергия у поверхности земли равна нулю, (т.к. h=0). то на любой высоте будет выполняться равенство:
где: v0 — начальная скорость шара.
После открытия закона сохранения энергия стало понятно, что любые попытки изобрести “вечный двигатель” (Perpetuum Mobile) , то есть машину, способную совершать полезную работу без потребления энергии и без каких-либо изменений внутри машины, заранее обречены на провал. Невозможность создания “вечного двигателя” является одним из экспериментальных доказательств закона сохранения энергии.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали что такое энергия и как она связана с понятием работы. Чем большей энергией обладает тело, тем большую работу оно способно совершить. Закон сохранения и превращения энергии утверждает, что при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую. Создать “вечный двигатель” невозможно потому, что это противоречит закону сохранения энергии.
