Закон сохранения энергии
Энергия — одно из сложнейших понятий современной физики. И закон сохранения энергии относится к числу ее основополагающих принципов. Вместе с экспертом разберем задачи с решением этого фундаментального закона природы и узнаем, кто его открыл
Физика ставит своей целью понимание самых общих закономерностей материального мира. Имена Архимеда, Ньютона, Эйнштейна знакомы каждому школьнику. Но великое множество ученых вложили по кирпичику в здание современной науки и ускорили развитие человеческой цивилизации. Ее современный уровень был бы недостижим без понимания природы энергии и ее законов прежде всего в механике, самом доступном для наблюдений и экспериментов разделе физики.
Формулировка закона сохранения энергии простыми словами в механике
Закон сохранения энергии действует повсеместно и незаметно. В механике он срабатывает в замкнутой системе под воздействием консервативных сил – то есть сил тяжести и упругости, зависящих только от стартового и финального положения тела и не зависящих от траектории движения. При таких условиях энергия тел никуда не исчезает, а лишь переходит из кинетической в потенциальную и наоборот – из потенциальной в кинетическую. Это и есть самая простая формулировка закона сохранения энергии для механических систем.
Формула закона сохранения энергии
$$E=E_{p+}E_k=const$$
Где:
Ep — потенциальная энергия;
Ek — кинетическая энергия.
История открытия закона сохранения энергии
Закономерности взаимодействия физических тел интересовали ученых с античных времен. Но описать их в виде формулы или хотя бы принципа они не сумели. Первым это попытался сделать Рене Декарт в своем труде «Начала философии», изданном в середине XVII века. Он указал, что если одно тело сталкивается с другим, то может отдать ему только такое количество движения, сколько второе у него отнимет. Идею Декарта развил Лейбниц, введя понятие «живой силы», которую мы называем кинетической энергией. Поддержал его рассуждения Михайло Ломоносов в своем «всеобщем естественном законе», но все формулировки были скорее принципом, а не законом, формул не было.
От «живой силы» физики перешли к «кинетической энергии» только в середине XIX столетия, накопив опыт работы с тепловыми и электрическими машинами. Немалый экспериментальный вклад сделал в понимание этого закона Джеймс Джоуль и Роберт Майер. Самую полную математическую формулировку дал Герман Гельмгольц, который ввел понятие потенциальной энергии и обобщил закон сохранения энергии на все разделы физики – даже на те, которые в его время не существовали. Например, на теорию относительности и квантовую механику.
Задачи на закон сохранения энергии
Самый общий физический закон используется при решении совершенно практических задач.
Задача 1
Некое тело подбросили вверх вертикально с начальной скоростью 15 м/с. На какую высоту оно поднимется? Сопротивление воздуха при решении задачи не учитывать.
Решение: полученная при броске кинетическая энергия будет постепенно преобразовываться в потенциальную энергию:
$$E_p=E_k$$
То есть:
$$mgh=\frac{mV^2}{2}$$
Где:
m – масса тела;
V – начальная скорость;
g – ускорение свободного падения;
h – высота подъема.
После преобразований получаем формулу для высоты подъема:
$$h=\frac{V^2}{2g}=\frac{225}{2\times9,8}=11,47\;м$$
Ответ: тело поднимется на высоту 11,47 м.
Задача 2
Пружину растянули на 15 см. Известно, что она получила потенциальную энергию 24 Дж. Какова жесткость пружины?
Решение: формула потенциальной энергии упруго деформированного тела:
$$E_p=\frac{kx^2}{2}$$
Где:
k – коэффициент жесткости;
x – величина деформации.
Преобразуем формулу для расчета:
$$k=\frac{2E_p}{x^2}=\frac{2\times24}{225}=213,33\;H/м$$
Ответ: жесткость пружины равна 2133,33 Н/м.
4 темы по физике, которые легко забыть
Давайте освежим знания, чтобы быть готовыми к любой контрольной.
- Что такое диффузия
- Сколько существует видов механического движения
- Как работает теплопроводность
- Определение мощности простыми словами
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Андрей Найденов, преподаватель математики и физики онлайн-школы TutorOnline.
Кто открыл закон сохранения энергии?
В открытии закона сохранения энергии участвовали многие ученые. Некоторые из них были очень близки, чтобы сформулировать его. Например, Майер и Джоуль своими работами показали, что количество выделяемой теплоты равно совершенной работе и наоборот. Однако наиболее полную формулировку первым дал в своих работах Гельмгольц.
Какие примеры из жизни на закон сохранения энергии существуют?
Таких примеров множество. Пример с молотком и гвоздем хорошо иллюстрирует переход механической энергии от молотка к гвоздю. Закон сохранения энергии здесь в том, что сколько молоток при ударе энергии отдал, столько же энергии гвоздь и получил. Ни больше ни меньше.
Другой пример. Кубики льда, взятые при температуре 0º С и опущенные в бокал с газированной водой, растаят, если им сообщить столько же Джоулей тепла, сколько забрали тепла у воды, взятой при температуре 0º С, когда ее замораживали, чтобы она перешла в твердое агрегатное состояние – лед. А если газированная вода будет недостаточно теплой, то лед не растает. Однако если этот бокал оставить на столе надолго, лед все равно растает, так как он получит необходимое количество тепла из окружающего воздуха.
Еще пример. Когда болит горло, есть хороший бабушкин рецепт. Надо пить теплое молоко. Молоко прогревает горло, отдает тепло, что помогает лечению. Молоко при этом остывает в горле и не греет желудок, что тоже важно.
Во всех этих примерах можно наблюдать большие потери тепла на нагрев окружающих тел. Но основная часть энергии идет на полезное действие. Сколько энергии отдает одно тело, столько же получает и другое, минус потери тепла на нагрев окружающих тел.
Если исключить потери тепла, можно добиться очень высокой эффективности процесса. Это возможно в системах, где энергия не выходит наружу и не рассеивается, поэтому ее потери минимальные. Примером такой системы может служить термос. Горячая вода в термосе долго не остывает, потому что потери тепла минимальные.
Другой пример. Кубики льда, взятые при температуре 0º С и опущенные в бокал с газированной водой, растаят, если им сообщить столько же Джоулей тепла, сколько забрали тепла у воды, взятой при температуре 0º С, когда ее замораживали, чтобы она перешла в твердое агрегатное состояние – лед. А если газированная вода будет недостаточно теплой, то лед не растает. Однако если этот бокал оставить на столе надолго, лед все равно растает, так как он получит необходимое количество тепла из окружающего воздуха.
Еще пример. Когда болит горло, есть хороший бабушкин рецепт. Надо пить теплое молоко. Молоко прогревает горло, отдает тепло, что помогает лечению. Молоко при этом остывает в горле и не греет желудок, что тоже важно.
Во всех этих примерах можно наблюдать большие потери тепла на нагрев окружающих тел. Но основная часть энергии идет на полезное действие. Сколько энергии отдает одно тело, столько же получает и другое, минус потери тепла на нагрев окружающих тел.
Если исключить потери тепла, можно добиться очень высокой эффективности процесса. Это возможно в системах, где энергия не выходит наружу и не рассеивается, поэтому ее потери минимальные. Примером такой системы может служить термос. Горячая вода в термосе долго не остывает, потому что потери тепла минимальные.
Когда сохраняется полная механическая энергия?
Полная механическая энергия сохраняется в системах, которые называются изолированными. Получить полностью изолированную систему достаточно сложно. Всегда найдутся силы, которые будут действовать на тело или систему из нескольких тел извне.
Хорошим примером может стать жизнь космонавтов на орбитальном комплексе, вращающемся вокруг Земли. Если космонавт оттолкнется от пола на Земле, то сила притяжения быстро вернет его обратно на пол.
В орбитальном комплексе сила притяжения к Земле скомпенсирована движением корабля по круговой орбите. Состояние невесомости позволяет космонавту оттолкнутся от пола и лететь вверх неопределенно долго, пока он не столкнется с потолком. Тело космонавта можно считать изолированной системой, так как на него не действуют силы извне, а силы сопротивления движению со стороны воздуха в корабле минимальны.
Хорошим примером может стать жизнь космонавтов на орбитальном комплексе, вращающемся вокруг Земли. Если космонавт оттолкнется от пола на Земле, то сила притяжения быстро вернет его обратно на пол.
В орбитальном комплексе сила притяжения к Земле скомпенсирована движением корабля по круговой орбите. Состояние невесомости позволяет космонавту оттолкнутся от пола и лететь вверх неопределенно долго, пока он не столкнется с потолком. Тело космонавта можно считать изолированной системой, так как на него не действуют силы извне, а силы сопротивления движению со стороны воздуха в корабле минимальны.
В каком классе изучают закон сохранения энергии?
Здесь есть одна тонкость. Закон сохранения механической энергии изучают на уроках физики в седьмом классе. А закон сохранения энергии, применительно к тепловым процессам, с использованием понятия внутренней энергии тела, изучают уже в восьмом классе.
