"Физика", Кабардин О.Ф.
Энергия — физическая величина, которая показывает, способно ли тело совершить работу. Она бывает кинетической, связанной с движением, и потенциальной, зависящей от взаимодействия и взаимного положения тел. Эти виды вместе образуют механическую энергию. При движении тела они могут переходить друг в друга: например, падающий мяч теряет потенциальную энергию и приобретает кинетическую. Понимание энергии помогает объяснять движение, работу механизмов и превращения в природе.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Энергия — физическая величина, характеризующая способность тела совершать работу; её обозначают буквой E. Если тело может привести в движение другое тело или изменить его состояние, оно способно совершить работу. Понятие энергии помогает описывать такие возможности и сравнивать их.
Кинетическая энергия — энергия движущегося тела. Она зависит от массы тела и его скорости: при большей массе или скорости кинетическая энергия больше. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему движущиеся тела могут действовать на другие тела по-разному.
Потенциальная энергия — энергия, связанная с взаимным расположением взаимодействующих тел или частей тела. Она может быть у неподвижного тела, поднятого над землёй, и у деформированной пружины. Это понятие описывает возможность совершить работу благодаря положению или изменённой форме.
Механическая энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий тела или системы тел. Её можно записать так: Eмех = Eк + Eп. Такое сложение позволяет учитывать и движение, и положение тела в одной общей величине.
Движущееся тело связано с энергией, потому что при столкновении оно может изменить движение другого тела и совершить работу. Например, движущийся шар способен сдвинуть лежащую на пути шайбу. Чем заметнее изменение, которое тело может вызвать, тем больше его способность совершить работу.
Кинетическая энергия зависит и от массы, и от скорости. Если два тела движутся одинаково быстро, более массивное тело при столкновении обычно может сильнее изменить движение другого тела. Если массы одинаковы, быстрее движущееся тело обычно способно совершить большую работу, поэтому его кинетическая энергия больше.
Потенциальная энергия возникает, когда взаимное расположение тел позволяет совершить работу. Поднятое над землёй тело может упасть, а сила тяжести при падении разгоняет его. Растянутую или сжатую пружину можно отпустить: она вернётся к прежней форме и подвинет прикреплённое тело. В обоих случаях энергия связана не с движением в данный момент, а с положением или деформацией.
Потенциальная энергия тела в поле тяжести зависит от выбранного нулевого уровня. Его условно принимают за положение, где энергия равна нулю, а затем рассматривают, насколько выше или ниже находится тело. Например, один и тот же мяч можно оценивать относительно пола или стола, поэтому численное значение его потенциальной энергии будет различаться. Физический смысл имеет изменение энергии при перемещении относительно выбранного уровня.
При движении тела кинетическая и потенциальная энергии могут переходить друг в друга. Когда мяч падает, его высота уменьшается, а скорость растёт: потенциальная энергия убывает, кинетическая возрастает. При подъёме происходит обратное. Механическая энергия равна их сумме; если нет трения и сопротивления воздуха, уменьшение одного вида компенсируется увеличением другого, и сумма не меняется.
| Вид энергии | С чем связана | От чего зависит | Пример |
|---|---|---|---|
| Кинетическая энергия | С движением тела | От массы и скорости | Катящийся мяч |
| Потенциальная энергия тела в поле тяжести | С положением тела относительно Земли | От массы, высоты и выбранного нулевого уровня | Книга на полке |
| Потенциальная энергия упругой деформации | С изменением формы тела | От степени растяжения или сжатия | Сжатая пружина |
| Механическая энергия | С движением и взаимным положением тел | От кинетической и потенциальной энергий | Падающий мяч |
Сначала определите, с чем связана энергия в ситуации: с движением, положением или деформацией. Затем выберите подходящую строку и проверьте, какие условия влияют на значение. Для механической энергии учитывайте сумму кинетической и потенциальной.
Ответ: кинетической энергии у лежащего мяча нет; потенциальная энергия зависит от выбранного нулевого уровня.
Ответ: кинетическая энергия более массивного тела вдвое больше.
Ответ: при падении потенциальная энергия превращается в кинетическую, а их сумма в идеальном случае не меняется.
Ошибка — считать, что энергия есть только у движущихся тел. Так думают, потому что кинетическую энергию проще заметить по движению. Но поднятый неподвижный предмет или деформированная пружина тоже могут совершить работу. Проверьте себя: если тело способно начать движение или изменить состояние другого тела благодаря положению либо деформации, у него может быть потенциальная энергия.
Ошибка — считать потенциальную энергию абсолютной и не указывать, относительно чего её измеряют. Её значение зависит от выбранного нулевого уровня, поэтому один и тот же предмет может иметь разные значения при разных точках отсчёта. Проверка простая: задайте вопрос, где условно принимается нулевая энергия. Если уровень не указан, сравнение значений может быть некорректным.
Ошибка — связывать кинетическую энергию только со скоростью. Скорость действительно важна, но важна и масса: тело большей массы при той же скорости имеет большую кинетическую энергию. Чтобы проверить сравнение, отдельно отметьте, одинаковы ли массы и скорости. Если сравнивается только скорость, вывод о кинетической энергии может оказаться неверным.
Ошибка — полагать, что при превращении видов механической энергии их сумма сохраняется всегда. Это верно в идеальном случае без трения и сопротивления, а при трении часть механической энергии превращается во внутреннюю. Проверьте, какие условия заданы в задаче: если действуют сопротивление или трение, нельзя автоматически считать механическую энергию постоянной.
Для изучения энергии пригодятся понятия механической работы, массы, скорости, высоты и силы тяжести. Работа описывает изменение, которое действие силы вызывает при перемещении тела, а масса и скорость помогают сравнивать движение. Высота и сила тяжести нужны, чтобы рассуждать о потенциальной энергии поднятого тела.
Понятие энергии помогает изучать работу и мощность: мощность показывает, как быстро совершается работа. Оно также понадобится при разборе закона сохранения энергии и превращений энергии в природе и технике. Например, в механизмах движение может переходить в подъём груза, а при торможении часть механической энергии становится внутренней.
Может ли неподвижное тело обладать энергией?
Да. Поднятое над землёй тело обладает потенциальной энергией, даже если оно неподвижно. Энергия может быть и у сжатой или растянутой пружины.
От чего зависит кинетическая энергия тела?
Кинетическая энергия зависит от массы тела и его скорости. При одинаковой скорости более массивное тело имеет большую кинетическую энергию; при одинаковой массе она больше у тела, которое движется быстрее.
Почему потенциальную энергию отсчитывают относительно выбранного уровня?
Потенциальная энергия зависит от положения тела относительно других тел, например Земли. Поэтому сначала выбирают уровень, на котором принимают её равной нулю, и указывают энергию относительно него.
Куда исчезает потенциальная энергия падающего тела?
При падении потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая возрастает: тело разгоняется. В идеальном случае их сумма остаётся постоянной; при сопротивлении воздуха часть механической энергии переходит во внутреннюю.
Всегда ли сохраняется механическая энергия?
Нет. Она сохраняется, если энергия переходит только между кинетической и потенциальной, например при падении без сопротивления воздуха. При трении или сопротивлении часть механической энергии превращается во внутреннюю.
§ 20. Энергия
