Одним із фундаментальних законів природи є закон збереження і перетворення енергії:
Енергія нікуди не зникає і нізвідки не виникає, вона лише перетворюється з одного виду на інший, передається від одного тіла до іншого.
Коли м’ячик летить угору, висота, на якій він перебуває, зростає, тобто зростає і його потенціальна енергія. Швидкість руху м’ячика зменшується, відповідно зменшується його кінетична енергія. За умови відсутності сили опору повітря кінетична енергія м’ячика зменшується на стільки, на скільки збільшується його потенціальна енергія. Таким чином, повна механічна енергія системи «м’ячик — Земля» не змінюється.
Потенціальна енергія Ep — це енергія, зумовлена взаємодією тіл або частин тіла.
Те саме можна сказати й про маятники під час їхніх коливань: за відсутності сил тертя повна механічна енергія маятників залишається незмінною.
Теоретичні та експериментальні дослідження дозволили сформулювати закон збереження і перетворення механічної енергії:
У системі тіл, які взаємодіють одне з одним тільки силами пружності та силами тяжіння, повна механічна енергія не змінюється:
де Ek0 + Ep0 — повна механічна енергія системи тіл на початку спостереження; Ek + Ep — повна механічна енергія системи тіл в кінці спостереження.
Закон збереження і перетворення механічної енергії* справджується лише у випадках, коли немає втрат механічної енергії, зокрема за умови відсутності тертя. Якщо в системі існує тертя, то механічна енергія (або її частина) перетворюється на внутрішню**.
* Далі даний закон для скорочення зазвичай будемо називати «закон збереження механічної енергії».
** Внутрішня енергія тіла — це енергія руху та взаємодії молекул (атомів, йонів), з яких складається тіло. Зі збільшенням температури тіла його внутрішня енергія збільшується. Докладніше про внутрішню енергію ви дізнаєтесь у 8 класі.
Як приклад розглянемо перетворення механічної енергії на внутрішню під час гальмування потяга.
Коли машиніст натискає на гальмо, гальмівні колодки притискаються до коліс. Унаслідок дії сили тертя ковзання швидкість обертання колеса, а отже, й швидкість руху потяга зменшуються, тобто зменшується його механічна енергія. При цьому, якщо доторкнутися до гальмівних колодок або колеса відразу після гальмування, то можна навіть обпектися — так сильно вони нагріваються. Нагрівання свідчить про те, що внутрішня енергія цих тіл збільшилась.
Отже, кінетична енергія потяга перетворилася на внутрішню енергію гальмівних колодок, колеса та навколишнього середовища.
Інтерактивні симуляції "PhET" (Лабораторія маятників)
Інтерактивні симуляції "PhET" (Закон Гука)
Інтерактивні симуляції "PhET" (Парк для скейтів: Основи)
* Розв'язування задач на цій сторінці передбачає використання мультимедійної дошки. В підручнику розв'язування задачі на сторінках 217, 218.
Задача 1. Тіло масою 1 кг починає падати на поверхню Землі з висоти 20 м. На якій висоті кінетична енергія тіла дорівнюватиме 100 Дж? Опором повітря знехтуйте.
Аналіз фізичної проблеми. За відсутності опору повітря повна механічна енергія системи тіло—Земля не змінюється, тому для розв’язання задачі можемо скористатися законом збереження механічної енергії. Тіло починає рух, тому його початкова швидкість дорівнює нулю: v0 = 0.
Задача 2. Тіло кидають вертикально вгору зі швидкістю 20 м/с. На якій висоті потенціальна енергія тіла дорівнюватиме його кінетичній енергії? Опором повітря знехтуйте.
Аналіз фізичної проблеми. Аналіз фізичної проблеми. Оскільки опором повітря ми нехтуємо, то повна механічна енергія системи тіло — Земля не змінюється, тому для розв’язання задачі можемо скористатися законом збереження механічної енергії. Рівень, з якого кидають тіло, візьмемо за нульовий. Задачу розв’язуватимемо в одиницях СІ.
