Закон сохранения механической энергии: кто его открыл и в чем он состоит
. Формулировка закона сохранения энергии, примеры
Визуализация закона сохранения механической энергии
Закон сохранения энергии — это фундаментальный закон природы, на котором основана современная картина мира. Он действует повсеместно: не только в физических задачах, но и в бытовых моментах. Например, когда мы двигаемся, принимаем пищу и спим. Вместе с учителями физики РБК Life выяснил, как звучит закон сохранения энергии и как выглядит его формула.
Содержание
Энергия — это способность выполнять работу. Она может существовать в потенциальной, кинетической, тепловой, электрической, химической, ядерной или других формах. Энергия может быть передана от одного тела другому. Например, передаваемое тепло может стать тепловой энергией, а выполненная в этот момент работа может проявляться в виде механической энергии. Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только изменена из одной формы в другую.
В Международной системе единиц энергия измеряется в джоулях. Один джоуль равен работе, выполняемой силой в один ньютон, действующей на расстояние один метр [1].
Формулировка закона сохранения энергии
Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена — только преобразована из одной формы в другую. Это означает, что система всегда имеет одинаковое количество энергии, если она не добавляется извне. Единственный способ использовать энергию — это преобразовать энергию из одной формы в другую [2].
Закон сохранения энергии изучают в школе на уроках физики в седьмом классе базового уровня [3].
Из-за наличия закона сохранения энергии невозможно создать вечный двигатель. Так как система нуждается во внешнем источнике питания, без него она не может подавать энергию в среду бесконечно.
Закон сохранения энергии можно объяснить следующим образом: энергия не возникает из ничего и не исчезает в никуда. Возьмем, к примеру, воздушный шарик. Когда мы его надуваем, он приобретает потенциальную энергию — это энергия, которая может быть использована в будущем, энергия ожидания движения или работы. Если мы отпустим шарик, он начнет лететь, и его потенциальная энергия будет преобразовываться в кинетическую — энергию движения. Шарик в конце концов достигнет какой-либо поверхности, ударится о нее и остановится.
Если сразу после этого измерить температуру шарика и сравнить ее с температурой до полета, мы заметим небольшое повышение. Это происходит потому, что кинетическая энергия его движения преобразуется во внутреннюю энергию при ударе, а часть энергии передается предмету, о который шарик столкнется. Таким образом, мы можем проследить, как энергия преобразуется из потенциальной во внутреннюю во время движения шарика. Если задуматься, откуда эта энергия взялась, можно продолжить цепочку рассуждений и понять, что она возникла благодаря сокращению мышц наших легких, а чтобы эта энергия появилась, человеку нужно было также получить ее из других источников — поесть и поспать.
Представьте, что ученик сейчас упадет со стула: часть энергии, конечно же, превратится в звук, часть уйдет на деформацию пола и самого ученика. Еще часть превратится в тепло (почему свежие ушибы такие теплые?), потому что при ударе молекулы «встряхнутся». Ведь тело — это не что иное, как кинетическая энергия миллиардов молекул.
Если бросить мячик для пинг-понга в ведро с водой, то при столкновении его с водой появятся волны — это кинетическая энергия шара перейдет в энергию волн.
Кто открыл закон сохранения энергии
Открытие закона сохранения энергии нельзя присвоить одному человеку, над ним в течение многих лет работали разные ученые. К началу XIX века широко использовались паровые двигатели. И физики, и инженеры стремились понять этот закон, разрабатывая «теорию паровых двигателей».
В 1842 году немецкий медик и естествоиспытатель Юлиус Майер экспериментально определил механический эквивалент тепла, исследуя возникающую энергию при сжатии газа. В 1847 году немецкий физик Герман фон Гельмгольц в своей книге «О сохранении силы» сформулировал тот же принцип, но с отличием: он рассматривал тепло как форму движущегося вещества. Возможно, Гельмгольц не знал о работах Майера.
Роберт Майер первым выдвинул гипотезу об универсальности закона сохранения энергии
Между 1839 и 1850 годами английский физик Джеймс Джоуль провел серию экспериментов, пытаясь объединить электрические, химические и тепловые явления. Его выводы были опубликованы в «Философских трудах Королевского общества» под названием «О механическом эквиваленте тепла». В 1851 году английский инженер Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) сделал следующий шаг в этой теории, рассматривая необратимые тепловые процессы. В своей работе он доказал, что энергия не исчезает, а просто рассеивается. Это стало важным шагом к полному пониманию законов сохранения энергии [4].
В 1851–1852 годах Уильям Томсон (лорд Кельвин) и Уильям Дж. М. Ранкин начали использовать слово «энергия» в более широком смысле для обозначения всех видов «сил» в науке. Наконец, в 1905 году Альберт Эйнштейн установил эквивалентность энергии и массы в своей теории относительности, что привело к современному пониманию этого понятия [5].
Формула закона сохранения энергии
E = Ep + Ek = const, где Ep — потенциальная энергия, Ek — кинетическая энергия.
Задачи на закон сохранения энергии
- Мяч подбросили вверх вертикально, его начальная скорость — 10 м/с. На какую высоту он поднимется? (В этой задаче мы не учитываем сопротивление воздуха.)
- Груз массой 0,5 кг подняли на высоту 10 м над землей и затем отпустили. Найдите его скорость в момент удара о землю. (Для решения этой задачи не учитывайте сопротивление воздуха.)
Решение:
- Во время броска кинетическая энергия будет преобразовываться в потенциальную. mgh = mV² / 2. Здесь m — масса тела, V — начальная скорость, g — ускорение свободного падения, h — высота подъема. Чтобы рассчитать высоту подъема, нам нужно преобразовать эту формулу: h = V² / 2g = 100 / 2*9,8 = 100 / 19,6 ≈ 5,1. Ответ: мяч поднимется на высоту примерно 5,1 м.
- Используем закон сохранения механической энергии. Потенциальная энергия на высоте h равна Ep = mgh, где m — масса груза, g — ускорение свободного падения, h — высота. Когда груз падает, его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию Ek = mV² / 2, где V — скорость груза в момент удара. На высоте 10 м потенциальная энергия будет равна кинетической энергии при ударе о землю. Поэтому используем уравнение mgh = mV² / 2, получаем V = √2gh. Подставляем данные: V = √29,810 ≈ 14 м/с. Ответ: скорость груза в момент удара о землю будет равна примерно 14 м/с.
Закон сохранения энергии мне нравится объяснять на примере падающей с крыши сосульки. Вместе с учениками мы рассчитываем скорость сосульки при ее подлете к земле. Зная высоту дома и массу сосульки, можно рассчитать потенциальную энергию висящей на карнизе сосульки по формуле «масса, умноженная на ускорение свободного падения и на высоту». И если пренебречь сопротивлением воздуха, то при падении сосульки вся ее потенциальная энергия при подлете к земле перейдет в кинетическую. Тогда по формуле можно найти и скорость сосульки. Можно пойти дальше и подумать: как защититься от такой сосульки и как погасить энергию ее падения?
Примеры закона сохранения энергии
Самый простой пример закона сохранения энергии — это прием пищи. Еда представляет собой так называемую «упакованную энергию», которая попадает в наш организм и в процессе обмена веществ «высвобождается». Эта энергия расходуется на поддержание жизненно важных процессов внутри организма (работа органов и систем), на физическую активность.
Еще очень хороший пример закона сохранения энергии можно увидеть в аниме «Стальной алхимик», где есть «закон равноценного обмена». Если ты хочешь что-то получить, отдай что-то равное взамен.
Закон сохранения энергии — это один из самых фундаментальных законов, который мы можно увидеть абсолютно везде. Например, чтобы машина двигалась, энергия сгорания топлива должна преобразовываться в энергию движения поршней, поршни вращают вал. Энергия превращается в энергию вращения колес автомобиля, при этом происходят потери энергии на трение и нагревание деталей. Получается, что на выходе полезной энергии оказывается меньше, чем затраченной. Отношение полезной энергии к затраченной называется коэффициентом полезного действия (КПД), он всегда меньше 1 (или 100%).
Закон сохранения энергии работает, даже когда ученик делает домашнее задание. Если он потратил много энергии и никак ее не восстановил, делать все задачи будет трудно.
