2. Закон сохранения механической энергии

Идея закона сохранения энергии принадлежит М.В. Ломоносову (1711–1765), изложившему закон сохранения материи и движения, а количественная формулировка закона сохранения энергии дана немецким врачом Ю. Майером (1814 – 1878) и немецким естествоиспытателем Г. Гельмгольцем (1821 – 1894).

Рассмотрим систему материальных точек массами m₁, m₂, …, m_n, движущихся со скоростями v₁, v₂, …, v_n. Пусть F`<sub>1</sub>, F`₂, ….F`_n – равнодействующие внутренних консервативных сил, действующих на каждую из этих точек, а F₁, F₂, ….F_n – равнодействующие внешних консервативных сил, f₁, f₂, …f_n – равнодействующие внешних неконсервативных сил. Тогда уравнения второго закона Ньютона для каждой точки можно записать следующим образом:

.

Двигаясь под действием сил, точки системы за интервал времени dt совершают перемещения, соответственно равные dr₁, dr₂, ….dr_n. Умножим каждое из уравнений скалярно на соответствующее перемещение и, учитывая, что dr=vdt, получим

………………………………

.

Сложив эти уравнения, получим

. (3.16)

первый член левой части равенства (3.16)

, (3.17)

где dT – приращение кинетической энергии системы.

Второй член равенства (3.16)

(3.18)

равен элементарной работе внутренних и внешних консервативных сил, взятой со знаком минус, т.е. равен элементарному приращению потенциальной энергии dП системы.

Правая часть равенства (3.16)

(3.19)

задает работу внешних неконсервативных сил, действующих на систему.

Подставив (3.17), (3.18), (3.19) в (3.16) получим

. (3.20)

При переходе системы из состояния 1 в какое–либо состояние 2 получаем:

,

т.е. изменение полной механической энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно работе, совершенной при этом внешними неконсервативными силами. Если внешние неконсервативные силы отсутствуют, то из (3.20) следует, что

,

откуда

Т+П=Е=const, (3.21)

т.е. полная механическая энергия системы остается постоянной. Выражение (3.21) представляет собой закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем.

Закон сохранения механической энергии связан с однородностью времени. Однородность времени проявляется в том, что физические законы инвариантны относительно выбора отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле сил тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения и не зависят от того, когда тело начало падать.

В консервативных системах полная механическая энергия остается постоянной. Могут происходить лишь превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах так, что полная энергия остается неизменной. Закон сохранения и превращения энергии – фундаментальный закон природы, выражающий и количественную и качественную сторону взаимного превращения различных форм энергии друг в друга.

В диссипативных системах, механическая энергия постепенно уменьшается за счет преобразования в другие (немеханические) виды энергии. Этот процесс называется диссипацией (или рассеянием) энергии. Строго говоря, все системы в природе являются диссипативными. Следовательно, в этих системах закон сохранения механической энергии несправедлив. Однако при "исчезновении" механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой.