67. Потенціальна енергія.

Вантаж, що лежить на землі, роботи не виконує і не може виконувати, його положення не змінюється. Той самий вантаж, піднятий угору, падаючи, може виконати роботу. Щоб забивати великі палі в землю, споруджують механічний копер — машину, що підіймає дуже великий вантаж на різні висоти. Вантаж падає згори вниз і виконує роботу.

Щоб підняти вантаж, була витрачена робота. Через це піднятий вантаж набув можливості виконати роботу. При цьому змінилося положення вантажу: з поверхні землі він був піднятий на деяку висоту.

Здатність тіла виконувати роботу, що залежить від взаємного розміщення двох або багатьох тіл, називають потенціальною енергією.

Щоб виміряти набуту тілом потенціальну енергію треба визначити роботу, яку треба витратити, щоб тіло з початкового положення перейшло в дане.

Так, якщо маса вантажу копра дорівнює , то сила тяжіння, яку доводиться перемагати, буде ; позначаючи висоту підняття буквою , матимемо роботу підняття вантажу

Розглянемо зміни потенціальної енергії при різних положеннях рівноваги тіл.

Якщо тіло перебуває в стані стійкої рівноваги, то при всякому переміщенні центр ваги цього тіла підвищується, і потенціальна енергія тіла збільшується. Отже, коли тіло перебуває в стані стійкої рівноваги, потенціальна енергія його має найменше значення.

При індиферентній рівновазі переміщення тіла не змінює рівня центра ваги, значить, потенціальна енергія тіла, що перебуває в індиферентній рівновазі, при всіх можливих переміщеннях тіла не змінюється.

При нестійкій рівновазі всяке переміщення тіла знижує центр ваги, а тому потенціальна енергія тіла зменшується. Отже, у нестійкій рівновазі потенціальна енергія тіла має найбільше значення.

Тіло буває в найстійкішому положенні, коли його потенціальна енергія має найменше значення.

Потенціальна енергія є не тільки при підійманні вантажів. Ми бачили, що при розтяганні пружини виконується робота, яка дорівнює половині добуту сили на величину розтягу.

Стан пружини змінився, і на це була виконана робота Отже, пружина в новому стані має запас потенціальної енергії, який і може виявитися, коли пружину пустити.

Приклад використання потенціальної енергії ми спостерігаємо на годиннику.

Якщо годинникові надається руху тягарцем, то, підіймаючи тягарець, ми виконуємо роботу, ця робота збільшує потенціальну енергію тягарця, яку далі витрачається на те, щоб надати руху механізмові годинника, при чому тягарець опускається, тобто потенціальна енергія його зменшується.

Так само в годиннику з пружиною. Накручуючи пружину, ми виконуємо роботу. Ця робота збільшує потенціальну енергію пружності пружини, яка витрачається, надаючи руху годинниковому механізмові, при цьому пружина поступово розкручується, тобто приходить у початковий стан. Отже, потенціальна енергія тіла залежить від положення його відносно якогось початкового положення. Якщо ми маємо цілу систему тіл, то потенціальна енергія залежить від взаємного розміщення частин цієї системи. Тому потенціальну енергію іноді називають енергією положення.

Запитання та вправи.

1. Що називають потенціальною енергією ?

2. Якими одиницями вимірюють потенціальну енергію?

3. Копер, маса якого 0,25 т, піднято вгору на 10 м. Визначити збільшення його потенціальної енергії.

4. За скільки часу наповниться водою басейн, що містить 270 т і знаходиться на висоті 10 м, якщо насос, що подає воду, має потужність 4 кін. с.?