Механічна енергія та її види

У повсякденному житті можна знайти багато різних тіл, при переміщенні яких може виконуватися робота. Наприклад, випущена з рук книга почне падати під дією сили тяжіння, яка виконуватиме роботу з переміщення книги. Стиснута пружина може підняти на певну висоту тягарець. Тут сила пружності виконує роботу з переміщення тягарця. Можна навести ще багато різних прикладів із природи, з повсякденного життя, з техніки, в яких ідеться про тіла, які знаходяться в стані, що за певних умов може виконатися робота при їх переміщенню. Про такі тіла кажуть, що вони мають енергію.

Енергія - фізична величина, що показує, яка робота може бути виконана при переміщенні тіла.

Чим більшу роботу може виконати тіло, тим більшу енергію це тіло має. Під час виконання механічної роботи енергія тіла змінюється (механічна робота є мірою зміни енергії тіла). Оскільки йдеться про можливість виконання роботи, то енергію доцільно вимірювати тими самими одиницями, що й роботу. Енергія позначається символом \(E\) ( або \(W\)). Одиницею вимірювання енергії в СІ, як і роботи, - джоуль: [\(E\)] = Дж.

У фізиці розрізняють два види механічної енергії: потенціальну та кінетичну. Якщо тіло нерухоме, але на нього діє певна сила, то кажуть, що воно має потенціальну енергію. Потенціальну енергію має стиснута пружина, стиснутий газ (взаємодія між собою атомів), річкова вода у водоймищі, тіло, підняте над поверхнею Землі.

Потенціальна енергія тіла, піднятого на деяку висоту \(h\) над поверхнею Землі, дорівнює роботі, яку виконає сила тяжіння \(F_{тяж}\) за час падіння тіла з цієї висоти:

\(E_{p}=F_{тяж}\cdot h =m\cdot g\cdot h\)

Потенціальна енергія тіла залежить від висоти, на якій перебуває тіло.

У пружно деформованому тілі частини тіла взаємодіють силами пружності. Якщо тіло "звільнити", то сили пружності повернуть його до недеформованого стану, виконавши механічну роботу, тому пружно деформоване тіло (пружина) має потенціальну енергія, яка обчислюється за формулою:

\(E_{p}=\frac{k\cdot x^2}{2}\), де \(k\) - жорсткість пружини, \(x\) - видовження пружини.

Енергія, яка може виконати роботу зумовленою рухом тіла, називається кінетичною енергією. Кінетична енергія залежить від маси тіла та швидкості його руху. Наприклад, куля для боулінгу, що котиться, розкидує кеглі й зменшує швидкість свого руху. Куля виконує механічну роботу, тому механічна енергія кулі (кінетична енергія) зменшується. Разом з тим потенціальна енергія кулі до і після зіткнення з кеглями залишається незмінною, адже весь час куля перебуває на тій самій висоті, - змінюється тільки швидкість її руху.

Кінетична енергія - енергія, яка зумовлена рухом тіла і дорівнює половині добутку маси тіла на квадрат швидкості його руху:
\(E_{k}=\frac{m\cdot v^2}{2}\), 

де \(E_{k}\) - кінетична енергія, \(m\) - маса тіла, \(v\) - швидкість руху тіла.