4.3. Работа, мощность, энергия

Работа А силы – скалярная физическая величина, характеризующая меру действия силы, приложенной к телу. Работа постоянной силы на конечном перемещении:где- угол междуи. За единицу измерения работы в СИ принят джоуль:.

Мощность N – скалярная физическая величина, характеризующая быстроту (скорость) совершения работы: , Вт.

Энергия – скалярная физическая величина, характеризующая общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи. В механике используют также более краткое определение: механическая энергия – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела совершать работу.

Один из видов механической энергии – кинетическая энергия – энергия движения, определяемая массой тела и его скоростью. При . Положительная работа внешних сил увеличивает кинетическую энергию тела: .

Другой вид механической энергии – потенциальная энергия, – скалярная физическая величина, характеризующая взаимодействие тел, зависящее от их взаимного расположения. Для тел, удаленных друг от друга на бесконечно большое расстояние, их потенциальная энергия равна нулю.

При положительной работе сил взаимодействия потенциальная энергия уменьшается: . Для тел массой , расположенных на Земле или в близи неё.

Потенциальная энергия гравитационного притяжения двух материальных точек (см.п. 6.4) отрицательна; для увеличениянеобходимо воздействие внешних сил.

4.4. Закон сохранения механической энергии

Механическая энергия системы материальных точек, находящихся под действием консервативных сил, остается постоянной. В такой системе могут происходить лишь превращения потенциальной энергии в кинетическуюи обратно, но полный запас энергии системы измениться не может. При наличии неконсервативных сил (например, сил трения, сил сопротивления…) механическая энергия системы не сохраняется, она уменьшается, что приводит к нагреванию системы. Такой процесс называетсядиссипацией (рассеянием) энергии.

Силы называют консервативными, если их работа зависит только от начального и конечного положений тела. Работа консервативной силы по замкнутой траектории равна нулю. Примером консервативной силы является сила тяготения . материальных точек массамии(см. закон всемирного тяготения п. 4.2).

Закон сохранения механической энергии математически выглядит так:

,

где – механическая энергия материальной точки.

Этот закон связан с однородностью времени, то есть с инвариантностью физических законов относительно выбора начала отсчета времени.

4.5. Общефизический закон сохранения энергии

Классическая механика учитывает только кинетическую энергию макроскопического движения тел и их макроскопических частей, а также их потенциальную энергию. Но она полностью отвлекается от внутреннего атомистического строения вещества. При ударе, трении и аналогичных процессах кинетическая энергия видимого движения тел не пропадает. Она только переходит в кинетическую энергию невидимого беспорядочного движения атомов и молекул вещества, а также в потенциальную энергию их взаимодействия. Эта часть энергии получила название внутренней энергии.

Беспорядочное движение атомов и молекул воспринимается нашими органами чувств в виде тепла. Таково физическое объяснение кажущейся потери механической энергии при ударе, трении и пр.

В физике закон сохранения энергии распространяют не только на явления, рассматриваемые в механике, но и на все без исключения процессы, происходящие в природе.

Полное количество энергии в изолированной системе тел и полей всегда остается постоянным; энергия лишь может переходить из одной формы в другую.

Идея этого закона принадлежит Ломоносову, изложившему закон сохранения материи и движения.

,

где ,(– количество теплоты,– энергия излучения света)

Общефизический закон сохранения энергии не может быть выведен из уравнений механики и должен рассматриваться как одно из наиболее широких обобщений опытных фактов.