Механическая энергия — это сумма потенциальной и кинетической энергии в механической системе, то есть энергия, которая зависит от положения и движения тела из-за действия силы .
Потенциальная энергия — это энергия, которой обладает тело благодаря своему положению в пространстве.
Кинетическая энергия является энергией тела в движении.
Когда мы поднимаем камень , мы выполняем механическую работу . Мы должны тянуть вверх с той же силой, с какой вес тянет камень вниз. Чем тяжелее камень и чем выше мы его поднимаем, тем больше работы мы выполняем. Работа равна произведению силы на достигнутую высоту . Если мы толкаем тяжелый камень по гладкому полу, мы должны преодолеть силу трения между камнем и полом. Проделанная работа снова тем больше, чем дольше мы толкаем камень. Обычно действует:
механическая работа = сила x путь
Мы измеряем работу в джоулях . Один джоуль — это работа, которую мы совершаем, когда перемещаем тело на один метр против силы в один ньютон .
Каждая работа вызывает какие-то изменения в природе. Каково содержание работы, которую мы проделали, подняв тело вверх? Видимо сам кузов не изменился. Изменение заключается только в возвышении по отношению к поверхности Земли. Это новое положение позволяет телу выполнять некоторую работу, опускаясь до исходного уровня, например, подтягивая некоторый груз вверх. Эта способность работать благодаря возвышенному положению называется потенциальной энергией тела. Чем больше поднимается тело, тем больше в нем потенциальной энергии. Потенциальная энергия возникает из-за разных положений тела по отношению к Земле , поэтому ее часто называют позиционной энергией.
Есть не только способность выполнять работу потенциальной энергией. Воздух и вода в потоке могут приводить в движение тяжелые мельничные колеса. Быстрый мяч может разбивать предметы или подбрасывать их. Эта способность движущегося тела совершать работу называется кинетической энергией . Тела обладают большей кинетической энергией, если они двигаются быстрее. Выполняя работу с телом, они теряют скорость и, следовательно, кинетическую энергию. Поворачивая мельничное колесо, ветер или течение замедляются.
Потенциальная и кинетическая энергия тесно связаны. Исследование движения под действием силы тяжести внесло значительный вклад в выяснение этой связи . Когда тело падает или поднимается, его кинетическая и потенциальная энергия постоянно меняется. Представьте, что камень с определенной высоты начинает падать на землю. Сначала камень находится в состоянии покоя, поэтому кинетическая энергия отсутствует. У него есть потенциальная энергия, которая равна произведению его веса и роста. Падая в низину, камень снижает свою потенциальную энергию, но увеличивает скорость и кинетическую энергию.
В свободном падении увеличивает тело каждую секунду скорость для ускорения г тяжести. По прошествии времени t тело приобретает скорость g t . Если бы тело упало с постоянной скоростью, оно пролетело бы путь, равный произведению скорости и времени. Но действительно, в данный момент времени t скорость тела увеличивается от 0 до g t . Таким образом, средняя скорость в это время равна 1/2 г т . Пройденное расстояние равно расстоянию, которое тело могло бы преодолеть, двигаясь со средней скоростью.
постоянная движения. Первый член — кинетическая энергия. Он пропорционален квадрату скорости. Когда тело падает, его потенциальная энергия уменьшается, но его кинетическая энергия увеличивается. Потеря потенциальной энергии равна увеличению кинетической энергии.
Когда тело движется над землей, сумма кинетической и потенциальной энергии всегда постоянна. Когда пушка бросает гранату вверх, она обладает большой кинетической энергией. Это позволило ей подняться высоко. При подъеме потенциальная энергия увеличивается. Увеличение потенциальной энергии происходит за счет кинетической энергии. Когда граната достигает максимальной высоты, ее кинетическая энергия равна нулю.
Первым Г. Галилей подошел к принципу энергии . Исследуя падение тела со склона , он заметил, что скорость тела не зависит от наклона плоскости, а только от высоты, с которой оно упало. Скорость удара о землю одинакова независимо от того, упал ли мяч с одинаковой высоты на более или менее крутой траектории. Сегодня мы бы сказали, что при обоих падениях сфера потеряла одинаковую потенциальную энергию, поэтому в конечном итоге кинетические энергии равны. Правильность этого принципа Галилей заметил в колебании маятника.. Когда мы перемещаем шар из нижней части круглой чаши в возвышенное положение, он получает определенную потенциальную энергию. Из поднятого положения шары падают в положение равновесия. Когда он достигает дна, он теряет полученную потенциальную энергию, но набирает скорость. Кинетическая энергия позволяет ему снова подняться на противоположной стороне в места с более высокой потенциальной энергией. Галилей заметил, что мяч, какой бы формы ни была чаша с другой стороны, поднимется на ту же высоту, на которую упал. Это наблюдение Галилея уже содержит суть принципа сохранения энергии .
Количественный принцип энергии впервые объяснил Ч. Гюйгенс . Знаменитый строитель механических часов много думал о колебаниях маятника. Обсуждая маятниковые часы в 1673 году, он представил основные знания, полученные в результате многолетних исследований. Это был принцип экономии энергии. Гюйгенс обнаружил, что когда мяч падает, его скорость колеблется в квадрате, пропорциональном высоте падения. Это те же отношения, которые установил Галилей для свободного падения. Гюйгенс понял фундаментальный смысл величины m v 2 и произведения веса на рост. Хотя он не давал им сегодняшних имен и общих слов, он ввел и использовал кинетическую и потенциальную энергию в соответствии с принципом энергии. Поэтому мы должны справедливо считать Гюйгенса первооткрывателем принципа энергии в механике.
Общее произношение принципа энергии стало возможным только тогда, когда И. Ньютон открыл закон движения . Конечно, должно было пройти почти столетие, прежде чем новый принцип в полной мере был реализован в механике. Принцип сохранения энергии в целом и в идеальной форме был сформулирован Даниэлем Бернулли в 1748 году
