§ 43. ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ТА ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ В МЕХАНІЧНИХ ПРОЦЕСАХ.
Суму потенціальної і кінетичної енергій тіла називають повною механічною енергією.
У природі, техніці й побуті можна спостерігати взаємний перехід потенціальної і кінетичної енергій тіл.
Дослід 1. Розглянемо прилад з важком і пружиною; піднімемо важок масою m на висоту h над пружиною (надамо йому запас повної механічної енергії потенціального виду Е = Еп1 = mgh); відпустимо важок (під час падіння важка його потенціальна енергія зменшується, але збільшується швидкість V, а разом з нею і кінетична енергія Ек1 = mv2:2 ); важок зупиниться на рівні пружини (вся потенціальна енергія на рівні пружини перетвориться на кінетичну, а за її рахунок пружина стиснеться і набуде потенціальної енергії, при цьому кінетична енергія важка зміниться на потенціальну енергію пружпо деформованого тіла (пружини) Еп2 = kx2:2; згодом пружина розпрямиться і надасть важку швидкості V (її потенціальна енергія знову зміниться на кінетичну енергію важка Ек1 = mv2:2, за рахунок якої він підніметься на висоту h ); далі процес повториться і з часом припиниться (бо початковий запас енергії затратиться на подолання сил тертя й опору повітря).
Якби не було опору значення запасу повної механічної енергії важка й пружини Е = Еп1 + Еп2 + Ек було би сталим.
Дослід 2. Зміни потенціальної і кінетичної енергій.
Візьмемо прилад, який називають маятником Максвелла; накрутимо на вісь нитку, тоді диск приладу підніметься на деяку висоту h (матиме запас повної механічної енергії потенціального виду Е =Eп = mgh); відпустимо диск, він обертаючись, почне падати (під час падіння потенціальна енергія диска зменшується, але водночас збільшується його кінетична енергія, тобто відбувається зміна потенціальної та кінетичної енергій, у кінці падіння диск набуває такої кінетичної енергії Eк=mv2:2 , якої досить для того, щоб він знову піднявся майже до попередньої висоти); диск підніметься вгору майже до попередньої висоти, а згодом зупиниться (оскільки є втрата енергії на виконання роботи проти сил опору).
Якби не було опору, то рух маятника повторювався б нескінченно, а його повна механічна енергія мала б стале значення і в будь-якій точці дорівнювала сумі потенціальної і кінетичної енергій диска: Е = Еп + Ек.
Спостереження. Розглянемо рух вантажу, що опускається на парашуті.
Спочатку вантаж знаходиться на найвищій висоті (його повна механічна енергія дорівнює потенціальній енергії Евис = Еп = mgh); до розкриття парашута вантаж рухається вниз, збільшуючи власну швидкість падіння (потенціальна енергія вантажу зменшується, за рахунок чого збільшується кінетична енергія і виконується робота проти сил опору повітря); після розкриття парашута різко зростає опір повітря і зменшується швидкість падіння до певного значення (зменшується кінетична енергія вантажу); далі він продовжує рухатися вниз зі сталою швидкістю (кінетична енергія вантажу при цьому також є сталою, потенціальна ж енергія весь час зменшується разом з висотою); приземлення (повна механічна енергія вантажу в момент приземлення дорівнює його кінетичній енергії в цей момент Езем = Ек = mv2:2).
При наявності опору середовища механічна робота рухомого тіла (на подолання опору повітря, сил тертя) виконується за рахунок зменшення його повної механічної енергії A = Eвис - Eзем.
Коли поїзд під'їжджає до станції, двигун тепловоза не працює, робота проти сил тертя виконується за рахунок зменшення кінетичної енергії поїзда, швидкість якого при цьому зменшується.
ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО
1. Наведіть приклади, коли тіла мають потенціальну і кінетичну енергії.
В більшості випадків тіло має одночасно і потенціальну, і кінетичну енергії: літак у польоті.
2. У чому полягає закон збереження механічної енергії?
Закон збереження механічної енергії: енергія не створюється з нічого і не зникає, а тільки переходить з потенціальної в кінетичну енергію і навпаки
Якщо ізольовані від зовнішнього впливу тіла взаємодіють між собою силами тяжіння і пружності, то їхня повна механічна енергія залишається незмінною під час руху, тобто завжди справджується співвідношення: Е = Еп + Ек= const.
3. У яких випадках закон збереження механічної енергії не виконується?
На практиці будь-який рух тіл відбувається за наявності більшого чи меншого опору середовища, тому частина енергії витрачається на подолання опору і повна механічна енергія не є сталою.