Энергия тела. Законы сохранения в механике
НАВИГАЦИЯ ПО СТРАНИЦЕ
легко понять и запомнить
Мяч уже известного тебе баскетболиста Майкла Джордана подчиняется не только законам движения, но и законам сохранения энергии.
А что такое
Существует два вида механической энергии (рисунок 1).
Рисунок 1. Виды механической энергии
Что происходит, к примеру, с отскакивающим от пола мячом Майкла Джордана?
Если мяч движется вверх, то его кинетическая энергия уменьшается вместе с его скоростью и, наоборот, при падении мяча его кинетическая энергия возрастает.
Если спортсмену нужно изменить скорость мяча, Майкл должен подействовать с некоторой силой на мяч. Тогда работа, которую совершает сила для изменения скорости мяча, будет равна изменению его энергии движения.
При этом важно понимать, что если мяч разгоняется из состояния покоя, то а
Энергия движения равна числовому значению работы, которую нужно совершить, чтобы разогнать мяч из состояния покоя.
Также мяч может иметь и потенциальную энергию (энергию взаимодействия). Эта энергия мяча зависит от его массы и высоты подъема над полом или другой поверхностью, с которой возможно взаимодействие.
Получается, что работа численно равна изменению потенциальной энергии мяча, но с противоположным знаком.
А ты знаешь?
Потенциальной энергией, как и кинетической, может обладать не только мяч или любой другое тело, которое поднимается над поверхностью, но и растянутая или сжатая пружина.
Часто в механизмах, которые должны уметь смещаться относительно корпуса или других деталей, используют кинетическую и потенциальную энергию пружины. Например, барабан револьвера, стабилизирующие механизмы и т.д.
Потенциальную энергию пружины (рисунок 2) можно вычислить по формуле
Рисунок 2. Потенциальная энергия пружины
Но бывает так, что мяч может обладать сразу двумя видами энергии одновременно, также энергии могут переходить из одной в другую.
Рассматриваемый мяч имеет максимальную потенциальную энергию в самой высокой точке траектории своего движения, в этот момент мяч как будто останавливается на мгновение перед тем, как начать падать. В этот момент его кинетическая энергия, которая зависит от скорости, равна нулю. Минимальную потенциальную энергию он имеет в момент столкновения с полом. Кинетическая энергия в этот момент имеет максимальное значение.
Если Майкл Джордан сбросит мяч с высоты своего роста, то тогда в самой верхней точке своей траектории мяч будет иметь потенциальную энергию, т.к. он будет находиться на определенной высоте от уровня пола. Затем в полете будет происходить уменьшение его потенциальной энергии и увеличение кинетической в связи с тем, что скорость мяча под действием силы тяжести будет возрастать. В некотором среднем положении, мяч имеет потенциальную энергию и кинетическую. При падении потенциальная энергия мяча уменьшается, а кинетическая возрастает (рисунок 3).
Рисунок 3. Переход механической энергии
Но энергия мяча может не только изменяться, но и сохраняться. Давай разбираться!
Сумму кинетической и потенциальной энергии мяча, называют
Вспомним, что замкнутой системой мы можем называть такую систему, в которой не происходит никакого воздействия на мяч извне.
В реальности, конечно, полная механическая энергия мяча не будет постоянной. Если бы она была постоянной, то мяч бесконечно бы прыгал, отталкиваясь от пола.
Полная механическая энергия может сохраняться, правда, для этого необходимо, чтобы между телами в этой системе действовали только консервативные силы.
Давай разберемся, какими вообще бывают силы (рисунок 4).
Рисунок 4. Виды сил
Консервативными считаются такие силы, которые как бы способствуют движению, например, сила тяжести или сила упругости, в результате действия которых энергия переходит из одного вида в другой и обратно.
Диссипативными считаются такие силы, которые уменьшают полную энергию и при этом происходит переход в другие виды энергии, например, тепловую (энергию молекул).
Такая энергия, которая зависит от движения и взаимодействия молекул мяча, из которых он состоит, называется внутренней (рисунок 5).
Рисунок 5. Внутренняя энергия тела
Математически это можно записать так: где
Сумма кинетической энергии молекул и потенциальной энергии молекул составляют внутреннюю энергию мяча. Мяч может одновременно обладать и внутренней, и механической энергией. Сумма полной механической энергии мяча и его внутренней энергии называется полной энергией мяча.
Внутренняя энергия зависит от степени деформации тела, его агрегатного состояния и температуры.
Если Майклу нужно будет накачать свой мяч ручным насосом, то в таком случае механическая энергия поршня насоса перейдет во внутреннюю энергию воздуха, находящегося под давлением. В результате давления воздуха на внутренние стенки мяча мяч изменит свою форму.
Рисунок 6. Полная энергия тела
