Теория:
Энергия характеризует способность тела совершать работу. Натянутая тетива лука, сжатая пружина, поднятый с земли камень, сжатый газ при определённых условиях могут совершать работу.
Потенциальной энергией обладают:
1. тела, поднятые над поверхностью земли (например, камень при падении с высоты образует на земле воронку);
2. упруго деформированные тела (например, человек натягивает тетиву лука и выпускает стрелу);
3. сжатые газы (расстояние между молекулами газа уменьшается, и увеличивается сила отталкивания между ними).
2. упруго деформированные тела (например, человек натягивает тетиву лука и выпускает стрелу);
3. сжатые газы (расстояние между молекулами газа уменьшается, и увеличивается сила отталкивания между ними).
Слово «потенциальный» (potentia) на латинском языке означает «возможность».
Огромной потенциальной энергией обладают воды водопада. Потенциальная энергия воды совпадает с работой силы притяжения Земли.
Потенциальная энергия накапливается в водах рек. Сила притяжения Земли производит работу, заставляя реки течь в более низко расположенное место — в море. Человек научился полезно использовать потенциальную энергию рек. В древние времена строили водяные мельницы, а с \(20\)-го века — гидроэлектростанции (ГЭС).
Гидроэлектростанция в Итайпу, находящаяся на границе между Бразилией и Парагваем на реке Паране, на сегодня является крупнейшим действующим сооружением такого рода в мире. У её плотины (через которую протекает вода) имеются шлюзы, состоящие из \(14\) ворот, через которые за секунду проходит \(62200\) кубометров воды.
Рис. \(1\). Шлюзовая система
Потенциальную энергию тела, поднятого над опорой на высоту \(h\), рассчитывают по формуле:
, где — масса тела, а — ускорение свободного падения у поверхности Земли.
Обрати внимание!
Тело одновременно может обладать и потенциальной, и кинетической энергией, и они могут переходить одна в другую.
Рис. \(2\). Мальчик на качелях
Человек, качающийся на качелях, обладает максимальной потенциальной энергией в наивысшей точке подъёма, в этой точке качели на мгновение замирают, и, значит, в этот момент кинетическая энергия человека равна нулю.
При движении из состояния \(1\) в состояние \(2\) потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая растёт (так как высота тела над уровнем земли уменьшается, а скорость движения тела возрастает).
Когда человек находится в самой нижней точке траектории движения \(2\), кинетическая энергия является наибольшей, так как в этот его момент скорость самая высокая. При движении из состояния \(2\) в состояние \(3\) увеличивается потенциальная энергия (так как увеличивается высота подъёма тела), а кинетическая энергия уменьшается (так как скорость движения тела уменьшается).
В замкнутой системе сумма кинетической и потенциальной энергии в любой момент времени остаётся неизменной.
Сумма потенциальной и кинетической энергии тела называется полной механической энергией тела.
Привязанный отвес на высоте \(h\) обладает максимальной потенциальной энергией, а кинетическая энергия (энергия движения) в это время равна \(0\).
Рис. \(3\). Изменение энергии
Когда верёвку перерезают, отвес начинает свободно падать, высота уменьшается, а скорость увеличивается (с ускорением \(g\)), соответственно, потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая энергия возрастает.
В каждый момент времени, до момента соударения, сумма потенциальной и кинетической энергии отвеса одинакова.
В момент соударения энергия отвеса не исчезает, она передаётся другому телу — гвоздю, который под воздействием этой энергии начинает движение, уходя глубже в брус. Некоторая часть энергии преобразуется во внутреннюю — тепловую энергию (так как отвес при соударении нагревается).
Любое тело обладает внутренней энергией, которая не связана с движением тела.
Внутреннюю энергию образует движение атомов и молекул тела.
Например, в результате удара частички начинают двигаться интенсивнее — это проявляется в виде нагрева тела. При сжатии пружины изменяется потенциальная энергия частиц.
Рис. \(4\). Натянутая резинка
Натянутая резинка обладает потенциальной энергией, причиной этого является взаимное притяжение молекул.
Закон сохранения энергии:
энергия не исчезает и не возникает снова, она только преобразуется из одного вида энергии в другой вид энергии или переходит от одного тела к другому.Полная энергия тела — это сумма его механической и внутренней энергии.
Полная энергия тела Механическая энергия Внутренняя энергия Тела Тела Частиц Частиц Источники: Рис. 2. Указание автора не требуется, 2021-07-22. Vecteezy License, https://www.vecteezy.com/vector-art/304022-boy-playing-hand-swing. Рис. 3. Изменение энергии. © ЯКласс. |