Энергия обусловленная движением тела. Энергия и ее виды. §2.7 Потенциальная энергия

Энергия – скалярная величина. В системе СИ единицей измерения энергии является Джоуль.

Кинетическая и потенциальная энергия

Различают два вида энергии – кинетическую и потенциальную.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кинетическая энергия – это энергия, которой тело обладает вследствие своего движения:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Потенциальная энергия – это энергия, которая определяется взаимным расположением тел, а также характером сил взаимодействия между этими телами.

Потенциальная энергия в поле тяготения Земли – это энергия, обусловленная гравитационным взаимодействием тела с Землей. Она определяется положением тела относительно Земли и равна работе по перемещению тела из данного положения на нулевой уровень:

Потенциальная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием частей тела друг с другом. Она равна работе внешних сил по растяжению (сжатию) недеформированной пружины на величину :

Тело может одновременно обладать и кинетической, и потенциальной энергией.

Полная механическая энергия тела или системы тел равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела (системы тел):

Закон сохранения энергии

Для замкнутой системы тел справедлив закон сохранения энергии:

В случае, когда на тело (или систему тел) действуют внешние силы, например, закон сохранения механической энергии не выполняется. В этом случае изменение полной механической энергии тела (системы тел) равно внешних сил:

Закон сохранения энергии позволяет установить количественную связь между различными формами движения материи. Так же, как и , он справедлив не только для , но и для всех явлений природы. Закон сохранения энергии говорит о том, что в энергию в природе нельзя уничтожить так же, как и создать из ничего.

В наиболее общем виде закон сохранения энергии можно сформулировать так:

• энергия в природе не исчезает и не создается вновь, а только превращается из одного вида в другой.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

>>Физика 10 класс >>Физика: Кинетическая энергия и ее изменение

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия - это энергия тела, которую оно имеет вследствие своего движения.

Если говорить простым языком, то под понятием кинетической энергии следует подразумевать только ту энергию, которую имеет тело при движении. Если же тело пребывает в состоянии покоя, то есть, совершенно не движется, тогда кинетическая энергия будет равняться нулю.

Кинетическая энергия равняется той работе, которую она должна затратить, чтобы вывести тело из состояния покоя в состояние движения с какой-то скоростью.

Следовательно, кинетическая энергия является разностью между полной энергией системы и её энергией покоя. Иначе говоря, что кинетическая энергия будет частью полной энергии, которая обусловленная движением.

Давайте попробуем разобраться в понятии кинетической энергии тела. Для примера возьмем движение шайбы по льду и попробуем понять связь между величиной кинетической энергии и работой, которая должна быть выполнена, чтобы вывести шайбу из состояния покоя и привести ее в движение, имеющее некоторую скорость.

Пример

Играющий на льду хоккеист, ударив клюшкой по шайбе сообщает ей скорость, а так и кинетическую энергию. Сразу после удара клюшкой, шайба начинает очень быстрое движение, но постепенно ее скорость замедляется и наконец, она совсем останавливается. Это значит, что уменьшение скорости явилось результатом силы трения, происходящей между поверхностью и шайбой. Тогда сила трения будет направлена против движения и действия этой силы сопровождаются перемещением. Тело же использует имеющую механическую энергию, выполняя работу против силы трения.

Из этого примера мы видим, что кинетическая энергия будет той энергией, которую тело получает в результате своего движения.

Следовательно, кинетическая энергия тела, имеющая определенную массу, будет двигаться со скоростью равной той работе, которую должна выполнить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему данную скорость:

Кинетическая энергия является энергией движущегося тела, которая равняется произведению массы тела на квадрат его скорости, деленной пополам.

Свойства кинетической энергии

К свойствам кинетической энергии относятся: аддитивность, инвариантность по отношению к повороту системы отсчета и сохранение.

Такое свойство, как аддитивность являет собой кинетическую энергию механической системы, которая слагается из материальных точек и будет равна сумме кинетических энергий всех материальных точек, которые входят в эту систему.

Свойство инвариантности по отношению к повороту системы отсчета обозначает, что кинетическая энергия не зависит от положения точки и направления её скорости. Ее зависимость распространяется лишь от модуля или от квадрата её скорости.

Свойство сохранения обозначает, что кинетическая энергия при взаимодействиях, изменяющих лишь механические характеристики системы, совершенно не изменяется.

Это свойство неизменно по отношению к преобразованиям Галилея. Свойства сохранения кинетической энергии и второго закона Ньютона будет вполне достаточно, для выведения математической формулы кинетической энергии.

Соотношение кинетической и внутренней энергии

Но существует такая интересная дилемма, как то, что кинетическая энергия может быть зависимой от того, с каких позиций рассматривать эту систему. Если, например, мы берем объект, который можно рассмотреть только под микроскопом, то, как единое целое, это тело неподвижно, хотя существует и внутренняя энергия. При таких условиях кинетическая энергия появляется только тогда, когда это тело движется, как единое целое.

То же тело, если рассматривать на микроскопическом уровне, обладает внутренней энергией, обусловленной движением атомов и молекул, из которых оно состоит. А абсолютная температура такого тела будет пропорциональна средней кинетической энергии такого движения атомов и молекул.

при чём тут "условия преобразования одного вида энергии в другой" и "сохранение законов по времени"?

Есть такая теорема Нетер. Это - в математике, даже не в физике, строго говоря. Она говорит, что если некая система уравнений имеет какую-либо симметрию, то будет существовать и нечто, не меняющееся при преобразованиях в рамках этой симметрии.

Ну а раз что-то не меняется, то оно - "сохраняется". Все физические "законы сохранения" чего-либо являются следствием той или иной симметрии физических уравнений.

Закон сохранения энергии - лишь один из множества физических законов сохранения, некоторые из которых вы тоже знаете (например, закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса, закон сохранения электрического заряда). И каждый из физических законов сохранения отражает одну из симметрий физических уравнений.

Например, параллельный перенос в пространстве не меняет физических законов и вид физических уравнений, отражающих эти законы. Следствием этого факта является сохранение импульса любой замкнутой системы. А если бы физические законы и описывающие их уравнения изменялись бы при таком переносе, у нас не сохранялся бы суммарный импульс.

Аналогично обстоит дело и с переносом во времени. Раз и пока физические законы не меняются с течением времени, то не меняется и полная энергия замкнутой системы. Соответственно, отдельным "видам энергии" факт неизменности физических законов "разрешает" меняться только так, чтобы полная (суммарная) энергия замкнутой систем сохранялась. Соответственно, увеличению какого-то одного вида энергии волей-неволей ВСЕГДА сопутствует уменьшение какого-то другого, чтобы сумма не менялась. А если полная энергия замкнутой системы начнет меняться со временем, значит начали меняться физические законы. Пока такого явления не зарегистрировано, но кто знает, что было, например, в момент возникновения нашей Вселенной? Или что произойдет в течении миллиардов лет.

Таким образом, ГЛОБАЛЬНО сохранение энергии - это синоним (следствие, эквивалент) постоянства физических законов во времени. Условие сохранения является универсальной первопричиной переходов одних "видов энергии" в другие. Раз сумма не меняется, то слагаемые могут меняться только за счет друг друга. Ну а более конкретные физические механизмы реализации в разных случаях будут разные.

С сохранением импульса и другими законами сохранения - ровно та же история.

Понятно, что в преобразовании энергии непосредственно участвуют электроны и их составляющие, но что именно при этом происходит?

Атом или группа взаимодействующих атомов имеют определенные уровни энергий, соответствующие их стабильному состоянию. Вернее, эти уровни соответствуют не столько состоянию атома или атомов в целом, сколько состоянию его/их электронов.

Откуда берутся эти уровни энергии и соответствующие им состояния? Состояния являются стационарными решениями уравнений квантовой механики, а уровень энергии - это характерное число (или, если угодно, параметр системы), при котором можно найти стационарное решение. Любую другую энергию атом или система атомов может иметь лишь очень недолго (состояние не стационарно) и непременно перейдет в одно из стационарных состояний.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда 1)два атома были далеко друг от друга и 2) оказались очень близко. Во втором случае электрические поля заряженных ядер перекроются. У электронов в таком совместном поле будут другие стационарные состояния, чем в ситуации двух далеких друг от друга атомов. А у других состояний - другие (свои) энергии.

Теперь сравниваем самые низкие значения стационарных уровней энергии в первом и втором случаях. Если во втором энергия ниже, то атомам "выгодно" объединиться в молекулу, а избыток энергии излучить (дальше излученный фотон так и полетит куда-то далеко, или, наоборот, много раз провзаимодействует переизлучаясь с другими атомами и его энергия перейдет в кинетическую энергию хаотичного движениы атомов, то есть - в тепло). Вот вам образование двухатомной молекулы с выделением энергии в ходе химической реакции.

В противоположном случае минимальная внутренняя энергия молекулы выше, чем сумма минимальных энергий двух атомов. Могут такие атомы образовать молекулу? Да, если сначала получат откуда-то разницу в энергиях. Например, один атом мог иметь не наименьшую энергию из возможных, а более высокую. Почему? Ну, поглотил фотон, но не успел испустить его обратно. Или столкнулся с другим атомом и возбудился за счет энергии столкновения (кинетическая энергия теплового лвидения перешла во внутреннюю энергию атома и еще не излучена). А раз энергия одного из атомов не минимальна, то модет оказаться "выгодно" создать молекулу и "свалиться" на ее минимальную энергию. Вот вам пример химической реакции с поглощением энергии: что-то возбуждает атом, потратив свою энергию, и только из-за этого атом смог вступить в реакцию с соседом. А поглощенная до реакции энергия так и осталась внутри молекулы. Эта внутренняя энергия высвободится только после разрушения молекулы.

И только лишь электроны участвуют в этом?

Электроны и электрические поля ядер, с которыми электроны взаимодействуют. Любая химическая реакция - это изменение состояния электронных оболочек.

Почему не участвуют ядра? Потому что ядра несравненно тяжелее электронов. Солнце ведь тоже почти не отреагирует на приближение или удаление Земли - оно слишком тяжелое, чтобы сколь-нибудь заметно дергаться из-за такой мелочи. Вот и атомные ядра не обращают особого внимания на происходящее с их электронами

Сами ядра тоже не разваливаются на части по поводу электрического поля электронов. Внутренние силы, удерживающие кварки в ядре несравненно мощнее, чем электрические поля в атоме.

По этой причине квантовая механика решает задачу о повелении электронов в поле ядер, но не интересуется поведением ядер в поле электронов - это настолько малая поправка, что ее и измерить-то не получится. Соответственно, вся химия - это поведение электронных оболочек в полях одного или нескольких ядер. А когда речь заходит о поведении самого ядра, то становится уже не до химии.

С понятием работы тесно связано другое фундаментальное физическое понятие – понятие энергии. Поскольку в механике изучается, во-первых, движение тел, а во-вторых, взаимодействие тел между собой, то принято различать два вида механической энергии: кинетическую энергию , обусловленную движением тела, и потенциальную энергию , обусловленную взаимодействием тела с другими телами.

Кинетической энергией механической системы называют энергию, з ависящую от скоростей движения точек этой системы.

Выражение для кинетической энергии можно найти, определив работу равнодействующей силы, приложенной к материальной точке. На основании (2.24) запишем формулу для элементарной работы равнодействующей силы:

Так как
, то dА = mυdυ. (2.25)

Чтобы найти работу равнодействующей силы при изменении скорости тела от υ 1 до υ 2 проинтегрируем выражение (2.29):

(2.26)

Так как работа - мера передачи энергии от одного тела другому, то на

основании (2.30) запишем, что величина есть кинетическая энергия

тела:
откуда вместо (1.44) получаем

(2.27)

Теорему, выраженную формулой (2.30) принято называть теоремой о кинетической энергии . В соответствии с ней работа сил, действующих на тело (или систему тел), равна изменению кинетической энергии этого тела (или системы тел).

Из теоремы о кинетической энергии следует физический смысл кинетической энергии : кинетическая энергия тела равна работе, которую оно способно совершать в процессе уменьшения своей скорости до нуля. Чем больше «запас» кинетической энергии у тела, тем большую работу оно способно совершить.

Кинетическая энергия системы равна сумме кинетических энергий материальных точек, из которых эта система состоит:

(2.28)

Если работа всех сил, действующих на тело, положительна, то кинетическая энергия тела возрастает, если работа отрицательна, то кинетическая энергия убывает.

Очевидно, что элементарная работа равнодействующей всех приложенных к телу сил будет равна элементарному изменению кинетической энергии тела:

dА = dЕ к. (2.29)

В заключение заметим, что кинетическая энергия, как и скорость движения, имеет относительный характер. Например, кинетическая энергия пассажира, сидящего в поезде, будет разной, если рассматривать движение относительно полотна дороги или относительно вагона.

§2.7 Потенциальная энергия

Вторым видом механической энергии является потенциальная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием тел.

Потенциальная энергия характеризует не любое взаимодействие тел, а лишь такое, которое описывается силами, не зависящими от скорости. Большинство сил (сила тяжести, сила упругости, гравитационные силы и т.д.) именно таковы; исключением являются лишь силы трения. Работа рассматриваемых сил не зависит от формы траектории, а определяется лишь её начальным и конечным положением. Работа таких сил на замкнутой траектории равна нулю.

Силы, работа которых не зависит от формы траектории, а зависит лишь от начального и конечного положения материальной точки (тела) называют потенциальными или консервативными силами .

Если тело взаимодействует со своим окружением посредством потенциальных сил, то для характеристики этого взаимодействия можно ввести понятие потенциальной энергии.

Потенциальной называют энергию, обусловленную взаимодействием тел и зави­сящую от их взаимного расположения.

Найдем потенциальную энергию тела, поднятого над землей. Пусть тело массой m равномерно перемещается в гравитационном поле из положения 1 в положение 2 по поверхности, сечение которой плоскостью чертежа показано на рис. 2.8. Это сечение является траекторией материальной точки (тела). Если трение отсутствует, то на точку дейст­вуют три силы:

1) сила N со стороны поверхности нормально поверхности, работа этой силы равна нулю;

2) сила тяжести mg, работа этой силы А 12 ;

3) сила тяги F со стороны некоторого движущего тела (двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, человек и т. п.); работу этой силы обозначим А T .

Рассмотрим работу силы тяжести при перемещении тела вдоль наклонной плоскости длиной ℓ (рис. 2.9). Как видно из этого рисунка, работа равна

А" = mgℓ соsα = mgℓ соs(90° + α) = - mgℓ sinα

Из треугольника ВСD имеем ℓ sinα = h, по­этому из последней формулы следует:

Траекторию движения тела (см. рис. 2.8) можно схематично представить небольшими участками наклонной плоскости, поэтому для, работы силы тяжести на всей траектории 1 -2 справедливо выражение

A 12 =mg (h 1 -h 2) =-(mg h 2 - mg h 1) (2.30)

Итак, работа силы тяжести не зависит от траектории тела, а зависит от различия в высотах расположения начальной и конечной точек траектории.

Величину

е п = mg h (2.31)

называют потенциальной энергией материальной точки (тела) массой m поднятой над землей на высоту h. Следовательно, формулу (2.30) можно переписать так:

A 12 = =-(En 2 - En 1) или A 12 = =-ΔEn (2.32)

Работа силы тяжести равна взятому с обратным знаком изменению потенциальной энергии тел, т. е. разности ее конечного и начального значений (теорема о потенциальной энергии ).

Подобные рассуждения можно привести и для упруго деформированного тела.

(2.33)

Отметим, что физический смысл имеет разность потенциальных энергий как величина, определяющая работу консервативных сил. В связи с этим безразлично, какому положению, конфигурации, следует приписать нулевую потенциальную энергию.

Из теоремы о потенциальной энергии можно получить одно очень важное следствие: консервативные силы всегда направлены в сторону уменьшения потенциальной энергии. Установленная закономерность проявляется в том, что любая система, предоставленная самой себе, всегда стремится перейти в такое состояние, в котором её потенциальная энергия имеет наименьшее значение. В этом заключается принцип минимума потенциальной энергии .

Если система в данном состоянии не обладает минимальной потенциальной энергией, то это состояние называют энергетически невыгодным .

Если шарик находится на дне вогнутой чаши (рис.2.10,а), где его потенциальная энергия минимальна (по сравнению с ее значениями в соседних положениях), то его состояние более выгодно. Равновесие шарика в этом случае является устойчивым : если сместить шарик в сторону и отпустить, то он снова возвратится в своё первоначальное положение.

Энергетически невыгодным, например, является положение шарика на вершине выпуклой поверхности (рис.2.10, б). Сумма сил, действующих при этом на шарик, равна нулю, и потому, этот шарик будет находится в равновесии. Однако равновесие это является неустойчивым : достаточно малейшего воздействия, чтобы он скатился вниз и тем самым перешёл в состояние энергетически более выгодное, т.е. обладающее меньшей

потенциальной энергией.

При безразличном равновесии (рис. 2.10, в) потенциальная энергия тела равна потенциальной энергии всех его возможных ближайших состояний.

На рисунке 2.11 можно указать некоторую ограниченную область пространства (например cd), в которой потенциальная энергия меньше, чем вне её. Эта область получила название потенциальной ямы .

Обусловленная движением .

Простым языком, кинетическая энергия - это энергия, которую тело имеет только при движении. Когда тело не движется, кинетическая энергия равна нулю.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Впервые понятие кинетической энергии было введено в трудах Готфрида Лейбница (1695 г.), посвящённых понятию «живой силы » .

  Физический смысл

  Рассмотрим систему, состоящую из одной материальной точки, и запишем второй закон Ньютона :

  m a → = F → , {\displaystyle m{\vec {a}}={\vec {F}},}

  где F → {\displaystyle {\vec {F}}} - есть равнодействующая всех сил , действующих на тело. Скалярно умножим уравнение на перемещение материальной точки d s → = v → d t {\displaystyle {\rm {d}}{\vec {s}}={\vec {v}}{\rm {d}}t} . Учитывая, что

  a → = d v → d t , {\displaystyle {\vec {a}}={\frac {{\rm {d}}{\vec {v}}}{{\rm {d}}t}},} d (m v 2 2) = F → d s → . {\displaystyle {\rm {d}}\left({{mv^{2}} \over {2}}\right)={\vec {F}}{\rm {d}}{\vec {s}}.}

  Если система замкнута, то есть внешние по отношению к системе силы отсутствуют, или равнодействующая всех сил равна нулю, то

  d (m v 2 2) = 0 , {\displaystyle d\left({{mv^{2}} \over {2}}\right)=0,}

  а величина

  T = m v 2 2 {\displaystyle T={{mv^{2}} \over 2}}

  остаётся постоянной. Эта величина называется кинетической энергией материальной точки. Если система изолирована, то кинетическая энергия является интегралом движения .

  - момент инерции тела

  ω → {\displaystyle {\vec {\omega }}} - угловая скорость тела.

  Физический смысл работы

  A 12 = T 2 − T 1 . {\displaystyle \ A_{12}=T_{2}-T_{1}.}

  Кинетическая энергия вращательного движения

  Кинетическая энергия в гидродинамике

  Релятивизм

  Данную формулу можно переписать в следующем виде.