§ 4. Превращение энергии

Определения и обозначения

Энергия — величина, характеризующая способность тела или системы совершать работу. Работа — действие силы, которое может изменить движение тела или его положение. Энергия может переходить между телами, потому что при их взаимодействии одно тело способно передать другому часть своей энергии. Она также может менять форму: например, энергия движения может перейти во внутреннюю энергию при трении.

Кинетическая энергия — энергия движущегося тела. Она связана с движением: у неподвижного тела кинетической энергии нет, а при увеличении скорости она возрастает. Поэтому остановившееся тело теряет энергию движения, но эта энергия не обязательно исчезает. Понятие помогает описывать движение и сравнивать, как меняется запас энергии у тел.

Потенциальная энергия — энергия взаимодействия тел, зависящая от их взаимного положения. Поднятое тело обладает такой энергией относительно Земли: чем выше оно находится, тем больше энергии может перейти в движение при падении. Растянутая или сжатая пружина тоже имеет потенциальную энергию, потому что деформированное тело стремится вернуться к прежней форме. Значит, потенциальная энергия связана не только с высотой, но и с упругой деформацией.

Превращение энергии — переход энергии из одной формы в другую, а передача энергии — переход от одного тела к другому. Например, при падении энергия положения становится энергией движения, а при трении механическая энергия переходит во внутреннюю. Эти процессы могут происходить одновременно: тело передаёт энергию поверхности, и при этом меняется её форма. Такое различение помогает понять, куда направлена энергия и что происходит с ней.

Как это устроено

Когда поднятое тело начинает падать, Земля притягивает его и разгоняет. По мере снижения высоты потенциальная энергия уменьшается, а скорость растёт, поэтому увеличивается кинетическая энергия. У пола тело движется быстрее, чем в начале падения, если не учитывать сопротивление воздуха. В реальных условиях часть энергии может нагреть тело и воздух, поэтому кинетической энергии становится меньше, чем было бы при идеальном падении без сопротивления.

Чтобы поднять тело, нужно приложить силу и переместить его вверх, то есть совершить работу. Человек или механизм передаёт телу энергию, преодолевая притяжение Земли. После подъёма тело получает больший запас потенциальной энергии: теперь оно может разогнаться, если его отпустить. Чем выше подняли тело, тем больше работы пришлось совершить и тем больше энергии запасено в его положении.

При сжатии или растяжении пружины приложенная сила совершает работу. Эта работа запасается в деформированной пружине как потенциальная энергия упругой деформации, потому что пружина стремится восстановить исходную форму. Если пружину отпустить, она толкает или тянет предмет и разгоняет его. Тогда запасённая потенциальная энергия переходит в кинетическую, хотя часть может рассеяться из-за трения и колебаний самой пружины.

В реальных процессах механическая энергия часто переходит во внутреннюю энергию тел и окружающей среды. Причина — трение и сопротивление: они мешают движению, а взаимодействие поверхностей усиливает беспорядочное движение их частиц. Поэтому при торможении нагреваются тормоза и колёса, а при растирании ладони становятся тёплыми. Удары и трение могут сопровождаться звуком: часть энергии передаётся воздуху в виде колебаний.

Энергия не возникает из ничего и не исчезает, потому что при изменениях она только переходит между телами и формами. Если рассматривать замкнутую систему, то есть систему, которая не обменивается энергией с окружающим, её общее количество энергии остаётся постоянным. Например, уменьшение механической энергии при трении компенсируется увеличением внутренней энергии тел и воздуха. Поэтому, чтобы понять процесс, нужно учитывать не только движущийся предмет, но и всё, чему он может передать энергию.

Примеры превращения и передачи энергии

В таблице указано, какая энергия уменьшается и что происходит дальше. Столбец с наблюдениями помогает связать изменение энергии с тем, что можно увидеть или почувствовать. В реальных ситуациях обычно одновременно идут и превращение энергии, и её передача.

Разбор задач

Мяч падает с некоторой высоты. Назовите, какие изменения энергии происходят во время падения.

Нужно проследить отдельно за высотой мяча и его скоростью. Снижение высоты означает, что уменьшается потенциальная энергия мяча относительно Земли. Ускорение под действием силы тяжести означает рост кинетической энергии. Если учитывать сопротивление воздуха, часть энергии перейдёт также во внутреннюю энергию мяча и воздуха.

1. В начале падения мяч находится на высоте и обладает потенциальной энергией.
2. Сила тяжести разгоняет мяч, его скорость увеличивается, а кинетическая энергия растёт.
3. По мере падения потенциальная энергия уменьшается и в основном переходит в кинетическую.
4. При заметном сопротивлении воздуха часть энергии рассеивается, поэтому превращение не ограничивается двумя механическими формами.

Ответ: при падении потенциальная энергия мяча уменьшается, а кинетическая возрастает; часть энергии может перейти во внутреннюю энергию мяча и воздуха.

Маятник отклонили в сторону и отпустили. Опишите превращения энергии при движении от крайнего положения до нижней точки и обратно.

В крайнем положении маятник поднят выше нижней точки, но на мгновение неподвижен. Значит, его потенциальная энергия велика, а кинетическая в этот момент равна нулю. При движении вниз высота уменьшается, а скорость растёт; затем маятник поднимается на другой стороне и процессы идут в обратном порядке. В действительности колебания постепенно становятся меньше из-за сопротивления воздуха и трения в подвесе.

1. В крайнем положении запас потенциальной энергии наибольший, а скорость маятника равна нулю.
2. При движении к нижней точке потенциальная энергия уменьшается, превращаясь преимущественно в кинетическую.
3. В нижней точке скорость и кинетическая энергия наибольшие, а потенциальная энергия наименьшая.
4. При подъёме маятника скорость снижается, кинетическая энергия переходит в потенциальную.
5. Из-за сопротивления часть энергии переходит во внутреннюю энергию воздуха и подвеса, поэтому маятник постепенно останавливается.

Ответ: при движении вниз потенциальная энергия переходит в кинетическую, а при движении вверх — кинетическая в потенциальную; часть энергии рассеивается, поэтому размах колебаний уменьшается.

Тележка движется и останавливается на шероховатой поверхности. Объясните, куда передаётся её энергия и почему поверхность и колёса могут нагреться.

Шероховатая поверхность мешает движению тележки: между ней и колёсами действует сила трения. Эта сила замедляет тележку, поэтому её кинетическая энергия уменьшается. Энергия передаётся колёсам, поверхности и воздуху, а механическая энергия переходит главным образом во внутреннюю. Нагрев показывает, что энергия не исчезла вместе с движением.

1. Пока тележка движется, она обладает кинетической энергией.
2. Трение направлено против движения, поэтому скорость и кинетическая энергия тележки уменьшаются.
3. При взаимодействии колёс с поверхностью энергия передаётся обоим телам и окружающему воздуху.
4. Часть механической энергии становится внутренней энергией, поэтому колёса и поверхность могут нагреться; колебания при трении также создают звук.

Ответ: энергия движения передаётся колёсам, поверхности и воздуху, а затем переходит преимущественно во внутреннюю энергию. Поэтому тележка останавливается, а соприкасающиеся тела могут нагреться.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что энергия исчезает, когда тело останавливается. Так думают, потому что движение прекратилось и энергию уже нельзя увидеть как движение. Но трение обычно переводит кинетическую энергию во внутреннюю, нагревая тела, а часть энергии уходит в окружающую среду и звук. Проверь себя: назови, какие тела взаимодействовали и могли нагреться.

Превращение и передачу иногда принимают за одно и то же. Причина в том, что в одном событии часто происходят оба процесса: энергия меняет форму и одновременно переходит к другому телу. При превращении меняется вид энергии, а при передаче меняется её обладатель. Проверь себя вопросами «какая форма изменилась?» и «от какого тела к какому перешла энергия?».

Неверно утверждать, что при падении потенциальная энергия превращается только в кинетическую. В идеальной модели без сопротивления можно описать переход именно так, но в реальности тело взаимодействует с воздухом. Сопротивление может нагревать тело и воздух, поэтому часть энергии уходит во внутреннюю. Чтобы проверить ответ, учти условия задачи и возможное трение или сопротивление.

Потенциальную энергию ошибочно считают запасом, принадлежащим только одному телу. Такое представление удобно для краткого описания, но сама энергия связана с взаимодействием тел и их взаимным положением. Энергия поднятого груза рассматривается относительно Земли, а энергия пружины связана с её деформацией и взаимодействием частей тела. Проверь себя: укажи, с каким телом или взаимодействием связано выбранное положение.

Связь с другими темами

Для понимания превращений энергии нужны представления о механическом движении, скорости, силе и работе. Скорость помогает судить о кинетической энергии, а положение тела — о потенциальной. Сила и работа объясняют, как энергия передаётся телу и меняет его движение или положение.

Закон сохранения энергии помогает объяснять не только механические, но и тепловые, электрические и химические явления. Например, при нагревании и работе электрических приборов энергия меняет форму и передаётся между телами. В химических процессах она также может выделяться или поглощаться, не возникая из ничего и не исчезая.

Что запомнить

• Движущееся тело обладает кинетической энергией.
• Положение тел и их взаимодействие могут быть связаны с потенциальной энергией.
• Энергия может передаваться от одного тела другому.
• В ходе явлений энергия часто переходит из одной формы в другую.
• При трении механическая энергия частично переходит во внутреннюю.
• В замкнутой системе энергия сохраняется: она не возникает и не исчезает.