2 закон сохранения механической энергии. Превращение энергии: закон сохранения энергии

Закон сохранения и превращения энергии

Содержание

  1. Как связаны работа и энергия
  2. Виды механической энергии
  3. Закон сохранения энергии
  4. Что мы узнали?
  • Тест по теме

Как связаны работа и энергия

Развитие человеческой цивилизации происходило постепенно благодаря изобретению различных механических устройств, способных совершать тяжелый труд: рычаг, блок, клин, пружина и т.д. Человек совершает работу либо вручную, либо с помощью таких устройств. В обоих случаях совершается работа. Механическая работа А — это физическая величина, равная произведению силы F, действующей на тело, на путь s, пройденный телом в направлении силы.

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.

Рис. 1. Виды энергии: потенциальная, кинетическая, электромагнитная, тепловая, ядерная и т.п..

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/с 2 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:

Рис. 2. Механическая энергия.

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:

Читать еще:  Известные алмазы мира. Самый крупный бриллиант в мире: описание, особенности и интересные факты

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:

Рис. 3. Сохранение механической энергии подброшенного шарика.

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.

Закон сохранения механической энергии

Удивительно, но закон сохранения механической энергии — базовый закон механики — открыл немецкий корабельный доктор Роберт Юлий Майер, а не ученый-физик. Майеру на момент путешествия было всего 28 лет, во время стоянки корабля в тропическом регионе при кровопускании он наблюдал, что багрово-красная кровь, вытекающая во время процедуры у жителей холодной Европы, в тропиках напоминала алую артериальную.

Майер предположил, что кровь не меняет цвет, поскольку организму в тропическом климате нет необходимости тратить кислород на поддержание

температуры тела. Вернувшись на родину, перед тем как сформулировать закон сохранения механической энергии, Майер продолжил опыты с открытыми на то время разновидностями энергии:

  • кинетической,
  • потенциальной,
  • внутренней,
  • механической;

. и смог определить, в чем заключается закон сохранения механической энергии.

«Тепло, электричество и перемещение представляют собою феномены, которые могут быть сведены к одной силе, измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам» — излагал в своей научной работе Майер.

Читать еще:  Как красиво оформить окно на новый год. Как украсить окна на Новый год (55 фото)

Английский физик Джеймс Джоуль, чье имя носит единица измерения энергии, и германский естествоиспытатель Герман Гельмгольц несколькими годами позже также
описали закон сохранения энергии.

Кинетическая и потенциальная энергия

Энергия тела — физическая величина, определяющая работу наблюдаемого тела или системы тел за бесконечно долгое время.

В изучении механических явлений рассматривают потенциальную и кинетическую энергии.

  • Единица энергии в СИ 1 Джоуль (Дж).

Кинетическая энергия — энергия, которой обладает тело в движении (вращении, перемещении в пространстве).

Футбольный мяч, летящий в ворота, летящая в цель стрела, выпущенная метким лучником, едущие с горы сани с сидящим в них хохочущим ребенком — все они во время движения характеризуются кинетической энергией.

Кинетическая энергия напрямую зависит от массы тела и скорости перемещения.

Формула кинетической энергии Ек = mv 2 /2

Где где m — масса объекта;

v — скорость перемещения объекта в конкретной точке.

Потенциальная энергия. Само по себе тело потенциальной энергией не обладает. Этот вид энергии характеризует взаимосвязь элементов объекта или двух отдельных тел в пространстве.

Стоящие на вершине холма санки, стрела, вложенная лучником в натянутую тетиву, ядро в стволе средневековой пушки — пример объекта, обладающего потенциальной энергией.

Потенциальная энергия бывает положительной или отрицательной относительно определенного условного нулевого уровня, принятого для системы координат:

  • сила тяжести,
  • сила упругости,
  • архимедова сила

Потенциальная энергия объекта зависит от приложенных к нему сил.

Если оценивать расположение объекта в отношении уровня Земли, то потенциальная энергия объекта на поверхности планеты принимается за ноль.

Уравнение Еп = mɡh поможет рассчитать потенциальную энергию на высоте h:
где m — масса тела;
ɡ — ускорение свободного падения;
h — высота центров масс объектов относительно поверхности планеты;
ɡ = 9,8 м/с 2

Потенциальная энергия упруго деформированного объекта (пружины) рассчитывается согласно уравнению:
Еп = k·(∆x) 2 /2,
где k — коэффициент жёсткости,
∆x — изменение длины объекта вследствие его сжатия или растяжения.

Суммарное число значений потенциальной и кинетической энергий объекта обозначают как механическая энергия. Для каждого конкретного объекта механическая энергия определяется не выбором системы отсчета, в которой рассчитывают скорость движения исследуемого объекта, а установлением уровня условного нуля для всех видов потенциальных энергий, определенных у данного объекта.

Механическая энергия определяет свойство объекта (системы объектов) совершать работу за счет изменения скорости перемещения объекта или изменения расположения взаимодействующих объектов относительно друг друга.

Закон сохранения механической энергии

Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только посредством сил тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком:

По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел (см 1.19):

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.

Читать еще:  Частые причины увольнения. Бывает и так. Ликвидация организации не ваша вина

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.

Пример применения закона сохранения энергии – нахождение минимальной прочности легкой нерастяжимой нити, удерживающей тело массой m при его вращении в вертикальной плоскости (задача Гюйгенса). Рис. 1.20.1 поясняет решение этой задачи.

К задаче Христиана Гюйгенса. – сила натяжения нити в нижней точке траектории

Закон сохранения энергии для тела в верхней и нижней точках траектории записывается в виде:

Обратим внимание на то, что сила натяжения нити всегда перпендикулярна скорости тела; поэтому она не совершает работы.

При минимальной скорости вращения натяжение нити в верхней точке равно нулю и, следовательно, центростремительное ускорение телу в верхней точке сообщается только силой тяжести:

Из этих соотношений следует:

Центростремительное ускорение в нижней точке создается силами и направленными в противоположные стороны:

Отсюда следует, что при минимальной скорости тела в верхней точке натяжение нити в нижней точке будет по модулю равно

Прочность нити должна, очевидно, превышать это значение.

Очень важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления среды.

Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую.

Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии (рис. 1.20.2).

Один из проектов «вечного двигателя». Почему эта машина не будет работать?

История хранит немалое число проектов «вечного двигателя». В некоторых из них ошибки «изобретателя» очевидны, в других эти ошибки замаскированы сложной конструкцией прибора, и бывает очень непросто понять, почему эта машина не будет работать. Бесплодные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и в наше время. Все эти попытки обречены на неудачу, так как закон сохранения и превращения энергии «запрещает» получение работы без затраты энергии.

Источники:

http://obrazovaka.ru/fizika/zakon-sohraneniya-i-prevrascheniya-energii-otkrytie.html
http://rosuchebnik.ru/material/zakon-sokhraneniya-mekhanicheskoy-energii/
http://questions-physics.ru/mehanika/zakon_sohraneniya_mehanicheskoy_energii.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector