1.4. Закон збереження енергії
1.4.1. Енергія, робота та потужність
Розглянуте
раніше поняття «імпульс» (
),
що характеризує інертні властивості
тіла і є деякою мірою руху тіла, не завжди
можна застосувати для оцінки зміни
характеру руху тіла. Наприклад, розглянемо
рух тіла за наявності тертя, в результаті
якого тіло зупиняється (
),
при цьому механічний рух перетворюється
у теплову форму руху (молекул), і імпульс
тіла не може бути мірою такого руху.
Отже, потрібна інша, універсальна міра
руху, що дозволяла б врахувати перехід
від однієї форми руху до іншої, тобто
що була б єдиною кількісною мірою руху
у всіх його формах. Такою фізичною
величиною є енергія.Енергія
– це кількісна міра руху матерії в усіх
формах цього руху.
У природі постійно протікають процеси, що супроводжуються перетворенням однієї форми руху матерії в іншу, а енергія є єдиною мірою, що характеризує кількісні та якісні зміни руху, що відбуваються при цьому. Ці зміни зумовлені взаємодією тіл системи, як між собою, так і з зовнішніми тілами. Оскільки рух є невід’ємним атрибутом матерії (способом її існування), будь-яке тіло має певний запас енергії, що є мірою цього руху. Таким чином, енергія – це єдина кількісна міра руху в усіх формах його прояву і лише умовно для кількісної оцінки якісно різних форм руху і відповідно до них взаємодій вводиться поняття механічної, теплової, електромагнітної і інших видів енергії.
Зміна механічного руху тіла зумовлена силами, що діють на нього з боку інших тіл. Тому для кількісної оцінки обміну енергією між взаємодіючими тілами вводиться поняття роботи сили.
Робота є мірою передачі енергії від одного тіла до іншого.
Елементарною
роботою
сили
на
малому переміщенні
називається скалярний добуток:
(1.107)
де
α – кут між векторами
та
.
В залежності від кута
робота може бути додатною (
),
від’ємною (
)
і рівною нулю (
).
В
загальному випадку, коли тіло, рухаючись
по криволінійній траєкторії, проходить
скінченний шлях, можна уявно розбити
цей шлях на безкінечно малі елементи,
на кожному з яких силу
можна вважати постійною, і елементарна
робота визначається рівнянням (1.107),
тоді загальна робота на усьому шляху
визначається
(1.108)
і
називається криволінійним
інтегралом
вектора
вздовж траєкторіїL.
При дії на тіло одночасно декількох сил загальна робота визначатиметься:
тобто робота результуючої декількох сил рівна алгебраїчній сумі робіт, виконаних кожною із сил окремо.
Одиницею роботи в системі СІ є джоуль (Дж). 1 Дж = 1м·1с.
Потужність – це робота, віднесена до одиниці часу:
(1.109)
По-іншому потужність можна записати:
(1.110)
Таким чином, одну і ту ж потужність можна розвинути або за рахунок дії великої сили, що спричинює малу швидкість тіла (наприклад, сила тяги двигуна повільного трактора), або ж за рахунок відносно незначної дії сили, що спричинює велику швидкість тіла (наприклад, сили тяги двигуна спортивного автомобіля).
Одиницею потужності в системі СІ є ватт (Вт). 1 Вт = 1 Дж/1 с. Однією з позасистемних одиниць вимірювання потужності, що часто зустрічається в автомобільній індустрії, є кінська сила. 1 к.с. = 736 ватт.