Энергия — что это в физике, как понять на какую энергию задача, что такое закон сохранения энергии, кинетическая энергия, мощность, потенциальная энергия и формула мощности, формула работы все это мы с вами сейчас изучим. Это базовые понятия физики, которые разберем подробно.
Что такое энергия в физике
Энергия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.
В механике есть два вида энергии: кинетическая энергия и потенциальная энергия. Их сумма называется полной механической энергией.
Энергия и работа
Энергия является мерой способности физической системы совершить работу, поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах (джоулях, [Дж]).
Механическая работа численно равна изменению механической энергии. Эту связь работы и энергии мы легко можем почувствовать на себе: например, если провести день очень активно, то к вечеру никаких сил и энергии не останется.
В механике принято считать, что работу по перемещению тела из одного положения в другое совершает сила. Работу силы можно вычислить по формуле:
A=F∙s∙cosα,
где F — сила, совершающая работу, [H];
S — перемещение тела, [м];
α — угол между направлением силы и направлением перемещения.
Если угол α острый, то работа силы положительна, если прямой, то работа равна нулю, если тупой, то работа отрицательна.
Кинетическая энергия
Кинетическая энергия — это энергия движения тела. Кинетическая энергия зависит только от скорости и от массы тела, и определяется формулой:
.
где m — масса тела, [кг],
v — скорость тела, [м/с].
Если тело покоится, его кинетическая энергия равна нулю.
Движущееся тело обладает способностью совершить работу. Например, шар для боулинга способен сбить все 10 кеглей.
Потенциальная энергия
Потенциальная энергия — это энергия взаимодействия тел или частей тела между собой или с внешними полями. Основной физический смысл имеет не само потенциальной энергии, а её изменение. Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Любая физическая система стремится к состоянию с наименьшей потенциальной энергией.
Корректное определение потенциальной энергии может быть дано только в поле сил, работа которых зависит только от начального и конечного положения тела, но не от траектории его. Такие силы называются консервативными (потенциальными).
Например, работа силы тяжести не зависит от траектории перемещения тела и равна mgh.
Закон сохранения энергии
Энергия замкнутой физической системы сохраняется. Замкнутой называется система, в которой действуют только консервативные силы.
Закон сохранения механической энергии
Общая сумма потенциальной и кинетической энергии тела остается неизменной, если действуют только силы упругости и тяготения, а сила трения отсутствует.
Eкин+Eпот=const
Потенциальная энергия в поле силы тяжести выражается формулой:
Eпот=mgh
где m — масса тела, [кг],
g — ускорение свободного падения, [Н/кг] или [м/c2].
h — высота положения тела над поверхностью, [м].
За нулевое положение тела может быть принято любое удобное нам положение в зависимости от условий, проводимых опыта и измерений. Это может быть поверхность пола, стола, Земли и так далее.
Закон сохранения энергии для математического маятника
Закон сохранения энергии в поле силы тяжести хорошо иллюстрируется движением математического маятника.
В положении 1 и 3 шарик находится в состоянии покоя на высоте h, его кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная равна mgh. При переходе из положения 1 в положение 2 высота и потенциальная энергия уменьшаются, но зато скорость и кинетическая энергия увеличиваются, и в положении 2 кинетическая энергия максимальна и равна mv2/2, а потенциальная энергия минимальна и равна нулю.
Таким образом,
Поднятый над землей груз работы не совершает, но может совершить, если начнет падать вниз. Например, потенциальная энергия падающей воды может превратиться в механическую энергию жернова.
Потенциальная энергия пружины
Потенциальная энергия характеризует взаимодействие между собой частей тела и приближённо выражается формулой:
где k — жёсткость деформированного тела, [Н/м],
Δx — смещение от положения равновесия.
Потенциальная энергия пружины равна нулю, когда пружина не растянута.
Сжатая пружина, распрямляясь, может совершить работу, например, поднять вверх небольшой груз.
Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекул. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую.
