§ 20. Досліджуємо енергію механічного руху й взаємодії

Що таке робота й енергія?

1. Механічна робота виконується, якщо на тіло діє сила і тіло під дією цієї сили переміщується на деяку відстань. Розглянь малюнок 20.1. З’ясуй, у яких випадках механічна робота не виконується.

Мал. 20.1. Є робота? Не має роботи?

2. З’ясуй, чи можна порівняти і виміряти роботу. Підніми на парту наплічник. Потім підніми його ще вище — на витягнуті руки над головою. Поверни наплічник на місце й так само підніми над головою якусь книжку. Що лишається незмінним під час виконання цих завдань? А що змінюється? У якому з трьох випадків довелося виконати більшу роботу? Обґрунтуй відповідь.

3. З’ясуй, чи пов’язані між собою робота й енергія. Поклади на парту гумку. Розташуй на певній відстані від гумки пенал і штовхни його так, щоби зрушити з місця гумку (мал. 20.2).

Підніми пенал на невелику висоту й відпусти. Тепер підніми його на більшу висоту й знову відпусти. У чому полягає відмінність між обома випадками? На що було витрачено енергію пенала щоразу?

Мал. 20.2. На що витрачається енергія?

Чи може сила не виконувати роботу?

У побуті під словом «робота» ми найчастіше розуміємо, прибрати кому шкільні домашні завдання та й взагалі будь-яку працю — фізичну чи розумову. Та в цьому параграфі ми говоритимемо про роботу як про фізичну величину, що характеризує рух і взаємодію тіл.

Наприклад, будівельний кран піднімає вантаж — і роботу виконує сила натягу троса, трактор тягне плуга — роботу виконує сила тяги двигуна, ти йдеш до школи — роботу виконує сила м’язів.

Якщо напрямок сили й напрямок руху збігаються, робота буде додатною. Ні — від’ємною (наприклад, коли сила тертя гальмує рух).

Також робота може дорівнювати нулю, якщо: 1) сили недостатньо, щоб зрушити тіло з місця; 2) дію сили компенсує інша сила; 3) напрямки руху й сили перпендикулярні.

Механічна робота — це фізична величина, якою характеризують дію сили з переміщення якогось тіла.

Розглянь малюнок 20.3. Якою буде робота в кожному випадку?

Мал. 20.3. Де робота додатня? Де від'ємна? А де робота не виконується?

Чи можливо виміряти роботу?

У завданні 2 для піднімання тіл треба виконати роботу з подолання сили тяжіння, що тягне ці тіла донизу. А вона залежить від маси. Отже, для підняття наплічника доведеться виконати більше роботи, ніж для підняття книжки. Також величина роботи залежить від висоти піднімання — що вище треба підняти тіло, то більшою буде робота.

Як пов’язані робота й енергія?

Поняття енергії стосується не лише енергетики. Енергією володіє будь-яке тіло: чи то величезна зоря, чи то мікрочастинка. Ось лише назви видів енергії: механічна, хімічна, електрична, магнітна, теплова, світлова, ядерна.

Усі ці види енергії взаємопов’язані, можуть перетворюватися один на інший.

Тіла можуть виконувати роботу лише тоді, коли вони мають енергію. Повернімося до малюнка 20.1. У яких випадках енергію витрачають на виконання роботи? Яке тіло має запас енергії? А яке отримує енергію від інших тіл?

Два види механічної енергії

Відсортуй ілюстрації (мал. 20.4) на приклади для кінетичної та потенціальної енергії — обидві є різновидами механічної енергії.

Це може бути енергія вітру, потоку води, велосипеда, ракети.

Кінетична енергія — це енергія тіл, що рухаються.

Потенціальна енергія — це енергія взаємодії, вона визначається положенням тіла чи його частин відносно інших тіл.

Це може бути енергія піднятого над землею вантажу, стиснутої пружини чи натягнутої тятиви лука.

Тіло одночасно може мати кінетичну й потенціальну енергію, вони також можуть перетворюватися одна в іншу. Натягнута тятива лука має потенціальну енергію. Випрямляючись, тятива надає стрілі кінетичної енергії.

Кінетична енергія збільшується рівно настільки, наскільки зменшується потенціальна, тобто сума потенціальної і кінетичної енергій залишається сталою (зберігається).

Мал. 20.4. Кінетична? Потенціальна? Кінетична і потенціальна одночасно?

1. Наведи приклади виконання додатної і від'ємної роботи.

2. Назви сили й тіла, що виконують роботу коли: а) ти сидиш за партою і пишеш; б) вантажівка везе вантаж; в) опадає листя.

3. Укажи, як змінюється потенціальна й кінетична енергія м’яча (мал. 20.5) що скочується на підлогу.

Мал. 20.5. Скочування м’яча

4. Дві пташки різної маси летять на однаковій висоті з однаковою швидкістю. Яка з них має більшу енергію? Чому?

5. Розглянь малюнок 20.6. Визнач, які тіла мають кінетичну енергію, потенціальну, одночасно кінетичну й потенціальну. У яких випадках: а) механічна робота виконується внаслідок дії сили: м’язів, тяжіння, пружності; б) напрямки дії сили й переміщення тіла збігаються, напрямок переміщення протилежний до напрямку дії сили, напрямок дії сили й напрямок переміщення утворюють певний кут.