Кинетическая и потенциальная энергия

Произнося слово энергия, мы представляем различные образы: это и движущийся автомобиль, и камень на вершине горы, и кипящий чайник, и кусочек мяса или масла, и энергичный человек. Все эти образы связаны с повседневной жизнью. Энергия это важное понятие в науке. До середины XIX века, понятие энергии оставалось не ясным, когда Герман фон Гельмгольц, немецкий физик, сформулировал для нее всеобщий закон.


В механике, если тело или система тел могут совершать работу, говорят, что они обладают энергией.
Механическую энергию можно разделить на два вида:

  • Потенциальная (силовая);
  • Кинетическая (способная двигать).

Любое движущееся тело (маятник часов, летящая птица, бегущий человек) обладает каким-то запасом энергии. Эту энергию, энергию движущегося тела назвали кинетической. Обозначают ее буквой Ек.
Равна эта энергия: formula_1
Когда речь идет о системе, состоящей из нескольких тел, то энергию будем находить как сумму энергий этих тел. formula_2
Рассмотрим движение тела массой m под действием одной постоянной силы F. Во время движения под действием силы скорость тела меняется, тело движется равноускоренно с ускорением formula_3 . Предположим, что скорость тела v1, через какое-то расстояние s, будет равна v2.
Находим расстояние formula_4
Найдем работу A силы F: formula_5

То есть formula_6

Изменение кинетической энергии равно работе равнодействующей всех сил, действующих на тело. Это теорема о кинетической энергии.

Справедлива она вне зависимости от сил, действующих на тело, будь то сила тяжести, трения или упругости.
Если больше нуля, то есть энергия увеличивается (тело ускоряется), то работа, совершаемая внешними силами положительна, если меньше нуля, то работа отрицательна (тело замедляет свое движение). Если же работа не совершается внешними силами, то изменение энергии равно нулю.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел или частей тел, то есть расстояний. Такой энергией могут обладать тела, которые, например, подняты над поверхностью Земли или деформированы. Термин «потенциальная энергия» ввел шотландский инженер, физик Ульям Ренкин в XIX веке. Камень массой m, лежащий на вершине горы, высотой h, находящийся в поле тяготения Земли обладает потенциальной энергией formula_7. Аналогично для любого другого тела, находящегося в поле тяготения Земли.
Потенциальная энергия зависит от выбора нулевого уровня.
При падении тела с высоты h1, сила тяжести совершает работу:

formula_8

Так падающая с платины вода заставляет вращаться мощные турбины электростанций, совершая работу за счет изменения потенциальной энергии падающей воды.
Сжатая деформированная пружина будет обладать потенциальной энергией . Аналогично для любого упруго деформированного тела. formula_9
При деформации силы упругости совершают работу: formula_11
Сила тяготения и сила упругости являются потенциальными или консервативными силами. Работа этих сил не зависит от формы траектории, а зависит от начального и конечного положения тела, а на замкнутой траектории А=0.
Энергия в системе Интернациональной СИ измеряется в джоулях (Дж). Эта единица названа в честь Джеймса Джоуля, английского ученого.