§ 28. Закон збереження механічної енергії

Вивчення руху тіл під дією сил тяжіння і сил пружності показало, що існує фізична величина, яку називають потенціальною енергією E_п. Вона залежить від координат тіла, і зміна її дорівнює зміні кінетичної енергії тіла, узятій з протилежним знаком:

ΔΕ_п= -ΔΕ_к.

Отже, сума змін кінетичної і потенціальної енергій тіл, які взаємодіють гравітаційними силами і силами пружності, дорівнює нулю:

ΔЕ_к + ΔЕ_п = 0.

Сили, які залежать тільки від координат тіла, називають консервативними силами. Сили тяжіння і пружності є консервативними силами.

Сума кінетичної і потенціальної енергій тіла є повною механічною енергією Е:

Е = Е_к + Е_п.

Якщо сума змін кінетичної і потенціальної енергій тіл дорівнює нулю, то це означає, що

повна механічна енергія системи тіл, що взаємодіють між собою консервативними силами, залишається сталою:

Е = Е_к + Е_п = const.

Цей дослідний факт, що підтверджується найточнішими експериментами, називають законом збереження механічної енергії. Якщо тіла взаємодіють силами, які залежать від швидкості відносного руху, механічна енергія в системі взаємодіючих тіл не зберігається. Прикладом сил такого типу, що називають неконсервативними силами, є сили тертя.

Якщо на тіло діють сили тертя, то для їх подолання потрібно затратити енергію, частина якої йде на виконання роботи проти сил тертя.

Але нам тільки здається, що закон збереження енергії порушується, тому що цей закон є частковим випадком загального закону збереження і перетворення енергії.

Енергія тіла ніколи не зникає і не з’являється знову: вона лише перетворюється з одного виду на інший.

Загальний закон збереження і перетворення енергії виконується всюди. Внутрішня енергія палива у двигуні внутрішнього згоряння перетворюється в механічну енергію поршня. Під час падіння з греблі електростанції потенціальна енергія води перетворюється в кінетичну, яка приводить у рух турбіни і перетворюється в електричну, тощо.

Загальний закон збереження енергії застосовується для розв’язання багатьох механічних задач. Він дає змогу їх розв’язати простіше, ніж за законами Ньютона, і є важливим критерієм багатьох наукових відкриттів і теорій, а також працездатності машин.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Як пов’язані між собою зміни кінетичної і потенціальної енергій під час взаємодії силами пружності і всесвітнього тяжіння?
2. Що називають повною механічною енергією?
3. Запишіть формулу закону збереження повної механічної енергії. Сформулюйте закон.
4. Чому під час дії сил тертя закон збереження повної механічної енергії порушується ?
5. Сформулюйте загальний закон збереження і перетворення енергії.

Дослідіть дію закону збереження енергії у живій природі.