3.20. Диссипативные силы. Закон сохранения энергии

При наличии неконсервативных сил полная механическая энергия системы не сохраняется. Неконсервативными, в частности, являются силы трения и силы сопротивления среды. Работа этих сил, как правило, отрицательна. Поэтому при наличии сил трения и сил сопротивления среды полная механическая энергия системы уменьшается, переходя во внутреннюю энергию тел, что приводит к их нагреванию. Такой процесс называется диссипацией энергии (латинское слово «диссипация» означает «рассеяние»). Силы, приводящие к диссипации энергии, называются диссипативными. Отметим, что неконсервативные силы не обязательно являются диссипативными.

Диссипативными называются такие силы, полная работа которых при любых движениях в замкнутой системе всегда отрицательна.

Диссипативные силы приводят к уменьшению механической энергии системы тел. Но как показывает опыт, при этом происходит возрастание внутренней энергии тел (например, при трении тела нагреваются). Эксперименты показали: на какую величину уменьшится механическая энергия системы тел, на такую же величину возрастет внутренняя энергия этих и окружающих тел, т.е. происходит не бесследное исчезновение механической энергии, а ее переход в эквивалентном количестве во внутреннюю энергию. В природе помимо механической и внутренней энергии существует множество других видов энергии: электрическая, магнитная, ядерная и т.д. И, как показало развитие науки, эти виды энергии могут превращаться друг в друга, но всегда при этих превращениях выполняется условие: уменьшение или увеличение одного вида энергии приводит, соответственно, к возрастанию или уменьшению других в эквивалентном количестве. Это позволило сформулировать закон сохранения энергии:

полная энергия замкнутой системы не меняется со временем, она лишь переходит из одного вида в другой.

Энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего, она превращается из одного вида энергии в другой вид, либо передается от одних тел к другим телам в эквивалентном количестве. При этом суммарное количество энергии остается постоянным.

Закон сохранения энергии имеет всеобщий характер. Он применим ко всем без исключения процессам, происходящим в природе. Полное количество энергии в изолированной системе тел и полей всегда остается постоянным; энергия лишь может переходить из одной формы в другую. Этот факт является проявлением неуничтожимости материи и ее движения.

Взаимодействие тел можно описывать либо с помощью сил, либо с помощью потенциальной энергии как функции координат взаимодействующих частиц. В макроскопической механике применимы оба способа. Первый способ обладает несколько большей общностью, так как он применим и к таким силам (например, силам трения), для которых нельзя ввести потенциальную энергию. Второй же способ применим только в случае консервативных сил. Но в квантовой механике, имеющей дело с явлениями микромира, диссипативных сил нет, и в ней для описания взаимодействия частиц применяется исключительно второй способ. В уравнения движения квантовой механики силы не входят, а входит лишь потенциальная энергия взаимодействующих частиц. Классическая механика рассматривает процессы, происходящие в макроскопическом мире, поэтому мы используем и понятие силы, и понятие потенциальной энергии.