Энергия
Термин «энергия» был введен в 1807 г. английским ученым Т. Юнгом. В переводе с греческого это слово означает «действие, деятельность».
Современная наука немыслима без этого понятия. Оно присутствует во всех разделах физики. Это и электрическая энергия, магнитная энергия, атомная энергия и т. д.
Энергия, изучаемая в механике, называется механической. Именно с нее мы и начнем знакомство с этим важнейшим понятием.
Механическая энергия обозначается буквой Е и измеряется в тех же единицах, что и работа, т. е. в джоулях (Дж).
Поскольку в механике изучают движение тел и их взаимодействие друг с другом, то принято различать два вида механической энергии — энергию, обусловленную движением тел, и энергию, обусловленную их взаимодействием. Первая из них обозначается Eк и называется кинетической энергией, вторая обозначается Eп и называется потенциальной энергией.
Для расчета и той и другой энергии существует общее правило. Чтобы определить энергию, которой обладает тело, надо найти работу, необходимую для перевода этого тела из нулевого состояния в данное (нулевое состояние — это то, в котором соответствующая энергия тела считается равной нулю). Чем больше эта работа, тем большей энергией обладает тело в данном состоянии.
Воспользуемся этим правилом для расчета каждой из энергий.
1. Кинетическая энергия. Найдем кинетическую энергию тела массой т, движущегося со скоростью, равной и. Кинетическая энергия — это энергия, обусловленная движением. Поэтому нулевым состоянием для нее является то, в котором тело покоится. Найдя работу, необходимую для сообщения телу данной скорости, мы найдем и его кинетическую энергию.
Воспользовавшись определением работы (A = Fs), вторым законом Ньютона (F = ma), а также формулами (2.1) и (4.2), получаем (рис. 25)
Последнее из написанных здесь выражений и является кинетической энергий тела:
Итак, кинетическая энергия тела равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости.
2. Потенциальная энергия. Найдем потенциальную энергию тела, взаимодействующего с Землей. Нулевым будем считать положение тела на поверхности Земли. Тогда потенциальная энергия тела, находящегося на некоторой высоте h, будет равна работе, необходимой для перемещения этого тела с поверхности Земли на заданную высоту. При равномерном подъеме, когда прикладываемая к телу сила совпадает по величине с силой тяжести (рис. 26), эта работа может быть найдена следующим образом:
A = Fs = Fтh = mgh.
Это и есть потенциальная энергия тела на высоте h:
Eп = mgh. (14.2)
Итак, потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землей, равна произведению массы этого тела, ускорению свободного падения и высоты, на которой находится тело.
За нулевое положение тела при расчете его потенциальной энергии необязательно выбирать то, которое расположено на поверхности Земли. Это может быть и уровень пола в помещении, и поверхность стола и т. д. Нулевое положение, от которого отсчитывается высота тела h, выбирают произвольно, руководствуясь обычно лишь соображениями удобства и простоты.
По формуле (14.2) находится потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землей. Потенциальная энергия других взаимодействий находится по другим формулам.
От энергии, которой обладает тело, зависит работа, которую оно может совершить. Чем больше энергия тела, тем большая работа будет совершена при переходе тела из данного состояния в нулевое. Проиллюстрируем это простыми опытами.
Возьмем составной желоб, имеющий наклонную и горизонтальную части, и поместим на его сгибе алюминиевый цилиндр (рис. 27). Пуская по наклонной части желоба шарики разной массы с одинаковой высоты и шарики одинаковой массы с разных высот, можно заметить, что, чем большей потенциальной энергией наверху желоба и кинетической энергией внизу обладал шарик, тем на большее расстояние он передвинет металлический цилиндр.
1. Чем обусловлена кинетическая энергия? 2. Чему равна кинетическая энергия тела? 3. Чем обусловлена потенциальная энергия? 4. Чему равна потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землей? 5. Как называется единица энергии? 6. В каком случае кинетическая энергия тела равна нулю? 7. Какой энергией — кинетической, потенциальной или обеими вместе — обладает летящий в небе самолет? 8. Какой энергией обладает вода, удерживаемая плотиной, и какой энергией обладает вода, падающая с плотины? 9. Как изменяются потенциальная и кинетическая энергии мяча, брошенного вертикально вверх, в процессе его полета?