3.9 Закон збереження енергії в механіці

Найбільш загальний закон збереження, який справедливий для процесів будь-якої природи – це закон збереження і перетворення енергії, який стверджує, що

в замкнутій системі енергія може переходити з одних видів в інші і передаватись від одного тіла до другого, але її загальна кількість залишається незмінною.

В основі закону збереження енергії лежить однорідність часу, тобто рівнозначність всіх моментів часу. Тут рівнозначність моментів часу треба розуміти, що заміна моменту часу моментом без зміни значень інших параметрів не змінює властивостей системи.

Можна показати, що в замкнутій системі тіл сили взаємодії, між якими є потенціальні (консервативні), відсутнє перетворення механічної енергії в інші види енергії. Такі системи називаються замкнутими консервативними системами. Для таких систем справедливий закон збереження енергії в механіці.

Механічна енергія замкнутої консервативної системи не змінюється в процесі її руху і є сталою величиною.

Для такої системи сума кінетичної та потенціальної енергій є сталою величиною

. (3.9.1)

Приклади застосування цього закону були наведені у попередніх розділах при розв’язуванні окремих задач з кінематики і динаміки.

Консервативна система – це ідеальний випадок, у ній відсутні втрати механічної енергії. У реальних системах завжди є втрати механічної енергії, де її частина переходить у внутрішню енергію. Так, при терті – тіла нагріваються. Системи, де є втрати механічної енергії, називаються дисипативними (від англійського To disappear – щезати), влучна назва – частина механічної енергії «щезає», але загальна кількість енергії залишається сталою.

Студенту, як тепер кажуть, «на засипку», дано наступне питання. Дві кульки, що мають різнойменні заряди, знаходяться на кінцях пружини, і кульки здійснюють коливання (рис.3.9.1). Ідеальний випадок – пружина непровідна і ідеально пружна, немає ніяких втрат механічної енергії при її деформації. При коливанні кульок теж відсутні будь-які втрати енергії на тертя (кульки у вакуумі). Якою буде така система консервативною чи дисипативною? Така система буде класичним прикладом дисипативної системи, адже система зарядів, що коливаються, не що інше, як генератор електромагнітних хвиль, де механічна енергія коливань зарядів перетворюється у енергію електромагнітного випромінювання.

Застосування закону збереження і перетворення енергії не тільки пояснює ряд явищ природи, але дозволяє виявити нові закономірності, передбачити нові явища. Яскравим прикладом такого є теоретичне передбачення існування нової елементарної частинки, названої нейтрино. Так, при бета-розпаді при перетворені нейтрона в протон з утворенням електрона виявилось, що частина енергії «щезає» і відповідальність за таке щезнення поклали на можливу частинку – нейтрино яку лише згодом було виявлено експериментально.