Природничі науки. 5 клас. Рудич

§ 36. Механічна енергія. Робота

Поміркуйте

• Ви, напевно, неодноразово вживали слова «робота» та «енергія»? Що вони означають для вас? А що вони означають для науковців?

Пригадайте

• Уявіть, що ви подіяли з певною силою на стілець. У якому разі стілець залишиться нерухомим, а в якому разі буде рухатися?

Робота

Уявіть, що вам потрібно підняти вантаж. Щоб це зробити, слід не лише прикласти до нього певну силу, яка спрямована вгору, але й перемістити вгору точку прикладання сили (мал. 36.1).

Мал. 36.1. Штангістка піднімає штангу, прикладаючи до неї силу та переміщуючи точку прикладання сили

Інша ситуація: вам потрібно перемістити підлогою важкий ящик. Ви штовхаєте ящик, і він пересувається. Знову було прикладено силу, під дією якої тіло перемістилося (мал. 36.2).

Мал. 36.2. Аби перемістити важкий ящик підлогою, потрібно прикласти силу й перемістити тіло під дією саме цієї сили

Розглянуті приклади об’єднує те, що під дією сили тіло переміщується й виконується робота з переміщення тіл.

Робота виконується лише тоді, коли на тіло діє сила й тіло переміщується під дією цієї сили.

Чим більшими є сила й переміщення під дією цієї сили, тим більшою є виконана робота.

А от якщо сила діє на тіло, але переміщення немає, то робота не виконується. Наприклад, вантаж може тримати опора: хоча з боку опори на вантаж діє спрямована вгору сила, але тіло не переміщується. У цьому випадку робота не виконується (мал. 36.3).

Мал. 36.3. Для утримання важкого каменя на вершині скелі виконувати роботу не потрібно

Коли ми говоримо про професійну діяльність дорослих чи про навчальні завдання, ми вживаємо термін «робота», що скоріше має значення «праця», а не «робота» в науковому сенсі.

Дізнайтеся більше

На початку XIX століття французький механік та інженер Віктор Понселе запропонував називати роботою добуток сили на переміщення тіла під дією цієї сили.

Дослід

Нерухомо тримайте блокнот (підручник чи зошит) у руці над столом. Кінетичної енергії в нього немає. Але він здатен виконати роботу. У цьому легко переконатися.

Відпустіть блокнот. Він падає й набуває певної швидкості. Це свідчить про те, що над блокнотом виконано роботу.

Кінетична енергія

Термін «енергія» пов’язаний зі здатністю тіла виконувати роботу.

Енергію має будь-яке тіло, що рухається. Наприклад, молоток, який рухає рука майстра, виконує роботу із забивання цвяха в дошку (мал. 36.4).

Мал. 36.4. Молоток, що рухається, виконує роботу із забивання цвяха

Енергія, яку мають тіла, що рухаються, називають кінетичною енергією.

Потенціальна енергія

Нерухоме тіло також здатне виконувати роботу.

На гідроелектростанціях вода, що падає з греблі водосховища, виконує роботу (мал. 36.5).

Мал. 36.5. Дніпрогес — найпотужніша гідроелектростанція України. Вода з водосховища падає вниз та виконує величезну роботу

Візьміть у руки пружину та стисніть її. Над пружиною виконано роботу з її деформації, отже вона отримала енергію і може виконати роботу (мал. 36.6).

Мал. 36.6. Нерухома стиснута пружина має енергію і може виконати роботу, наприклад, у механічних годинниках

Енергія піднятих над землею або деформованих пружних тіл отримала назву потенціальна енергія.

Механічна енергія

Суму кінетичної та потенціальної енергій називають механічною енергією тіла.

Літак високо в небі має як кінетичну енергію (бо рухається з великою швидкістю), так і потенціальну (бо перебуває на певній висоті над землею (мал. 36.7).

Мал. 36.7. Механічна енергія літака складається з його кінетичної та потенціальної енергій

Метеорит, що падає на Землю, має дуже велику механічну енергію, і його падіння може спричинити значні руйнування (мал. 36.8).

Мал. 36.8. Після падіння метеорита розміром 30 м утворився кратер завширшки понад 1 км

Якщо тіло має механічну енергію, то воно здатне виконувати роботу.

Під час виконання роботи тіло зменшує свою механічну енергію, і навпаки, під час виконання роботи над тілом його механічна енергія збільшується.

Дізнайтеся більше

Чи може втома під час виконання певних дій бути мірою роботи? Спробуємо з’ясувати. Коли ви довгий час тримаєте в руках важкий рюкзак, то помітно втомлюєтеся. Але рюкзак весь час нерухомий, отже ніяка механічна робота не виконується. Чому ж настає втома? Відповідь проста: коли ви тримаєте рюкзак у руках, ваші м’язи напружені. Саме це спричиняє їхню втому. Якщо рюкзак надіти на плечі, тримати його буде легше, адже вага рюкзака буде припадати не на м’язи, а на кістки.

Ключова ідея

Робота виконується лише тоді, коли на тіло діє сила, й тіло переміщується під дією цієї сили. Чим більшими є сила й переміщення під дією цієї сили, тим більшою є виконана робота. Якщо на тіло діє сила, але тіло залишається нерухомим, робота не виконується.

У науці термін енергія пов’язаний зі здатністю тіла виконувати роботу.

Тіла, що рухаються, здатні виконувати роботу, вони мають кінетичну енергію.

Підняті над землею або деформовані пружні тіла здатні виконувати роботу й мають потенціальну енергію.

Тіло одночасно може мати кінетичну й потенціальну енергію. Суму цих енергій називають механічною енергією тіла.

Якщо тіло має механічну енергію, то воно здатне виконувати роботу. Під час виконання роботи тіло зменшує свою механічну енергію, і навпаки, під час виконання роботи над тілом його механічна енергія збільшується.

Запитання для повторення й засвоєння

• 1. У яких випадках говорять, що виконується робота?
• 2. Як робота залежить від сили та переміщення?
• 3. Які тіла мають кінетичну енергію?
• 4. У яких випадках тіло має потенціальну енергію?
• 5. Чи змінюється механічна енергія тіла, якщо сила, прикладена до нього, виконує роботу?
• 6*. У конструкції дверей доволі часто використовують спеціальні пружні механізми, що зачиняють ці двері автоматично. За рахунок чого виконується робота із зачинення дверей, адже людина вже увійшла в приміщення й не діє на двері?