Фізика. 7 клас. Засєкіна

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 28. Механічна енергія та її види

Ви дізнаєтесь

Що таке енергія
У якому випадку тіло має енергію
Які бувають види енергії

Пригадайте

Що таке механічна робота
У якому випадку виконується механічна робота

МЕХАНІЧНА ЕНЕРГІЯ. Усім відоме слово — енергія. Поняття енергії увійшло в фізику тоді, коли було встановлено, що один вид руху може змінитися на інший. Енергія в перекладі з грецької означає дія, діяльність. Енергія — це універсальна характеристика будь-якого руху (механічного, теплового), і вона не існує сама по собі, тобто окремо від взаємодіючих тіл. Енергія, що характеризує механічний рух, називається механічною енергією, яка характеризує тепловий рух молекул — внутрішньою енергією. Розглянемо приклади.

Приклад 1. Піднятий над землею нерухомий вантаж не виконує роботи, але якщо цей вантаж упаде, то він виконає роботу (наприклад, може розколоти горіх, мал. 208, а).

Приклад 2. Натягнута тятива лука може виконати роботу з переміщення стріли (мал. 208, б).

Мал. 208. Тіла, що мають енергію, можуть виконувати роботу

Приклад 3. Здатність виконувати роботу має і всяке рухоме тіло. Так, стальна кулька (мал. 209), яка скотилася з похилої площини, ударившись об дерев’яний брусок, переміщує його на деяку відстань. При цьому виконується робота.

Мал. 209. Рухома кулька виконує роботу з переміщення бруска

Якщо тіло або кілька тіл, які взаємодіють між собою (система тіл), можуть виконувати механічну роботу, то кажуть, що вони мають механічну енергію.

Механічна енергія — фізична величина, яка характеризує здатність тіла виконувати роботу.

Позначають механічну енергію великою латинською літерою Е.

Чим більшу роботу може виконувати тіло, тим більшу енергію воно має. Оскільки у процесі виконання роботи енергія тіла змінюється, то можна стверджувати, що виконана робота дорівнює зміні енергії: А = ΔΕ .

Звідси випливає, що одиницею енергії є також джоуль (1 Дж).

Розрізняють два види механічної енергії: потенціальну і кінетичну. У прикладах 1 і 2 розглядалася потенціальна енергія, у прикладі 3 — кінетична.

ДВА ВИДИ МЕХАНІЧНОЇ ЕНЕРГІЇ. Повернемось знову до наших прикладів. Від чого залежить енергія піднятого вантажу? Очевидно, від висоти, на яку він піднятий або, іншими словами, від взаємного розташування тіл — горіха на поверхні землі та піднятого вантажу. Від чого залежить енергія натягнутої тятиви? Від її розтягу, тобто від деформації самої тятиви — наскільки зміщується середина тятиви від нульового положення.

Енергія, яка визначається взаємним положенням взаємодіючих тіл або частин одного й того ж тіла, називається потенціальною (від лат. «потенціа» — можливість).

Підняте над поверхнею землі тіло, стиснута пружина, стиснутий газ, вода, що падає з греблі — усе це приклади тіл, що мають потенціальну енергію.

Потенціальна енергія — це енергія взаємодії тіл або частин тіла, яка визначається їх взаємним положенням.

Потенціальну енергію позначають Е_п.

Найпростіше — розрахувати потенціальну енергію піднятого над землею тіла. Нехай тіло масою m падає з деякої висоти h (мал. 210). На тіло діє постійна сила тяжіння F = mg. Оскільки переміщення і напрям сили тяжіння співпадають, то робота сили тяжіння обчислюється за вже відомою формулою: А = Fs = mgh.

Мал. 210. До розрахунку потенціальної енергії

Таким чином, підняте над землею тіло має потенціальну енергію Е_п = mgh.

Кінетична енергія — це енергія, яку має тіло внаслідок свого руху (від грец. «кінема» — рух). Автомобіль, що рухається, літак що летить, м’яч, що котиться — усі ці тіла мають кінетичну енергію.

Кінетична енергія — це фізична величина, яка характеризує рухоме тіло.

Кінетичну енергію позначають Е_к.

Дослідами встановлено, що чим більшими є маса тіла і швидкість, з якою воно рухається, тим більша його кінетична енергія.

Кінетичну енергію розраховують за такою формулою:

де m — маса тіла, а v — його швидкість.

Кінетичну енергію тіл використовують у певних цілях. Так, піднята греблею вода має велику потенціальну енергію. Під час падіння з греблі вода рухається і має таку саму велику кінетичну енергію. Вона приводить у рух турбіну, яка з’єднана з генератором, що виробляє електричну енергію. В Україні, на Дніпрі, побудовано каскаді з б гідроелектростанцій.

А завдяки кінетичній енергії вітру обертаються лопаті вітряних електростанцій (мал. 211).

Мал. 211. Використання механічної енергії води та вітру

ПОВНА МЕХАНІЧНА ЕНЕРГІЯ. Досить часто тіло одночасно має кінетичну і потенціальну енергії. Наприклад, літак, що летить. Унаслідок того, що він летить на деякій висоті над землею — він має потенціальну енергію і, зрозуміло, унаслідок свого руху — кінетичну енергію. Тобто повна механічна енергія літака Е = Е_к + Е_п.

Ви ознайомилися з двома видами механічної енергії. Інші види енергії (електрична, внутрішня, теплова тощо) будуть розглянуті в інших курсах фізики.

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

Якщо тіло або декілька тіл, які взаємодіють між собою (система тіл), можуть виконувати механічну роботу, то кажуть, що вони мають механічну енергію.

Розрізняють два види механічної енергії: потенціальну і кінетичну.

Потенціальна енергія — це енергія взаємодії тіл або частин тіла, яка визначається їх взаємним положенням: Е_п = mgh

ЗАВДАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ

Дайте відповідь на запитання

1. Що таке енергія?
2. Яка формула виражає зміст потенціальної енергії тіла, що перебуває на деякій висоті над землею?
З. Що таке кінетична енергія? Яка формула виражає її зміст?
4. Що таке повна механічна енергія?

Поясніть

1. Чи можуть два тіла різної маси мати однакову кінетичну енергію? За якої умови?
2. За якої умови два тіла різної маси, підняті на різну висоту, матимуть однакову потенціальну енергію?

ПРИКЛАД РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ФІЗИЧНОЇ ЗАДАЧІ

Задача. Яку роботу необхідно виконати, щоб потяг, який рухається зі швидкістю 72 км/год, збільшив свою швидкість до 108 км/год? Маса потяга 1000 т. Якою має бути сила тяги локомотива потяга, щоб це збільшення швидкості відбулось на ділянці довжиною 2 000 м?

Вправа 20

1. Обчисліть потенціальну енергію космічного корабля масою 1400 кг на висоті 250 км над поверхнею Землі.

2. У скільки разів зміниться кінетична енергія автомобіля при збільшенні його швидкості від 5 м/с до 72 км/год?

3. На малюнку 212 вказано розташування двох куль відносно поверхні Землі. У котрої із цих куль потенціальна енергія більша й на скільки?

Мал. 212. У якої з куль потенціальна енергія більша?

4. Тіло масою m під дією сили F змінило на шляху l свою швидкість від v₀ до v. Користуючись таблицею, визначте: а) зміну кінетичної енергії тіла; б) механічну роботу; в) силу, що діяла на тіло.