1. 2. Законы сохранения импульса и энергии

Импульсом тела называется произведение его массы на скорость:

Согласно закону сохранения импульса, импульс замкнутой системы сохраняется. Это означает, что геометрическая, то есть, векторная сумма импульсов всех тел этой системы не меняется при их взаимодействиях между собой; взаимодействий с телами окружающей среды нет, так как система - замкнутая.

Например, если вы пошатнулись и можете упасть ничком, вы инстинктивно резко выбрасываете свои руки вперёд. Это иногда помогает сохранить равновесие: так как суммарный импульс вашего тела не меняется, при сообщении рукам импульса, направленного вперёд, корпус приобретает импульс, направленный назад. По этой же причине, если вы можете упасть навзничь, вы взмахиваете руками над головой – сообщаете им импульс, направленный назад, чтобы корпус получил импульс, направленный вперёд.

Закон сохранения энергии: «энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь переходит от одного тела к другому или превращается из одного вида в другой».

Например, когда мячик массой m падает с некоторой высоты H на пол, его потенциальная энергия взаимодействия с Землёй - энергия гравитационного притяжения мячика к земному шару

E_пот = mgh уменьшается по мере уменьшения высоты h мяча над полом от E_пот =mgH, когда h = H до нуля, когда h = 0. Но при этом растёт кинетическая энергия мяча от нуля на высоте h = H, когда его скорость v = 0 до максимального значения у пола, где скорость мячика станет максимальной.

Рис. 1.2. Превращение потенциальной энергии взаимодействия тела с Землей в кинетическую энергию тела при его падении на землю.

Потенциальная энергия определяется взаимодействиями и взаимным расположением тел или частей одного тела.

Кинетическая энергия – энергия движения тела.

Если бы не было сопротивления воздуха, потенциальная энергия мячика на высоте h=H полностью переходила бы в кинетическую на высоте h=0, а суммарная механическая энергия в любой момент падения оставалась бы неизменной:

Механическая энергия сохраняется в так называемых консервативных системах. В этих системах не действуют силы трения и сопротивления. Консервативные системы – идеализация. На самом деле, реальные системы всегда неконсервативные. Вследствие действия сил трения и сопротивления в реальных системах механическая энергия не сохраняется, а переходит во внутреннюю.

Внутренняя энергия – это сумма потенциальных энергий взаимодействия всех микрочастиц, составляющих тело (молекул, атомов, электронов, ядер, нуклонов и т.д.), друг с другом, и кинетических энергий их движения относительно друг друга.

Когда хороший упругий мяч «прыгает» на твёрдом полу, потенциальная энергия притяжения мяча к Земле в верхней точке над полом mgH превращается в кинетическую энергию у пола . Затем кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию деформации мяча и пола. Потенциальная энергия деформации снова превращается в кинетическую энергию – мяч подпрыгивает вверх, а кинетическая энергия опять превращается в потенциальную энергию взаимодействия мяча с Землёй и т.д. В результате мяч некоторое время прыгает над полом. Но каждый раз мяч подскакивает на всё меньшую высоту. Из-за сил сопротивления воздуха и сил внутреннего трения, действующих при деформации мяча и пола, механическая энергия мяча превращается во внутреннюю энергию мяча, воздуха и пола. Как говорят «энергия рассеивается». Но не исчезает! Она лишь превращается в другие виды энергии и переходит к другим телам.