Энергия, закон сохранения энергии 

Введение

Каждый день мы сталкиваемся с энергией, даже не задумываясь об этом. Когда мы идём, едим, катаемся на велосипеде или включаем лампочку — везде происходит превращение одного вида энергии в другой. Энергия — это универсальная мера всех изменений в природе. Без неё невозможно движение, тепло, звук или свет. Понимание того, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, стало одним из важнейших открытий в физике.

Что такое энергия

Энергия — это физическая величина, которая показывает, какую работу может совершить тело или система тел.
Её можно рассматривать как «запас возможностей» тела выполнять работу.

Единица измерения энергии в Международной системе единиц (СИ) — джоуль (Дж).
1 Дж — это работа, совершаемая силой 1 ньютон на пути 1 метр.

Виды энергии

Существует много видов энергии, и все они могут переходить из одной формы в другую.

1. Потенциальная энергия — энергия, связанная с положением тела.
   Например, поднятый на высоту камень имеет запас потенциальной энергии, потому что сила тяжести может вернуть его вниз, совершив работу.

   Формула:

   
   

   где m — масса тела, g — ускорение свободного падения, h — высота.

2. Кинетическая энергия — энергия движения.
   Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия.

   Формула:

   ​

3. Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц внутри тела. При нагревании или трении внутренняя энергия увеличивается.

4. Электрическая, световая, химическая энергия — это формы энергии, которые проявляются в электрических цепях, солнечном излучении, химических реакциях и т.д.

Превращения энергии

В природе постоянно происходят превращения энергии.
Например:

• при падении мяча потенциальная энергия превращается в кинетическую;

• в электролампе электрическая энергия превращается в световую и тепловую;

• в растениях при фотосинтезе солнечная энергия превращается в химическую.

Ни в одном из этих процессов энергия не исчезает и не появляется из ничего — она просто изменяет свою форму.

Закон сохранения энергии

Главный закон, который объясняет все эти явления, звучит так:

Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может только переходить из одного вида в другой или передаваться от одного тела к другому.

Этот закон является универсальным и справедлив для всех процессов — от движения планет до работы двигателя автомобиля.

Математически его можно записать так:

​

Если учесть потери (например, на трение), то:

​

Опыты и наблюдения

1. Маятник.
   Если отклонить маятник и отпустить, он начнёт двигаться. В верхней точке он имеет максимальную потенциальную энергию, а в нижней — максимальную кинетическую. При каждом колебании энергия переходит из одной формы в другую, но постепенно часть её теряется на трение и нагрев воздуха.

2. Катание шарика по наклонной плоскости.
   Шарик, скатываясь вниз, ускоряется — его потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая возрастает. При столкновении с препятствием часть энергии передаётся ему в виде деформации или звука.

3. Опыт с пружиной.
   Сжатая пружина обладает запасом потенциальной энергии упругости. Если её отпустить, эта энергия превращается в кинетическую энергию движущегося тела.

Эти простые опыты подтверждают, что энергия не исчезает, а постоянно меняет форму и переходит от одного тела к другому.

Значение закона сохранения энергии

Без этого закона невозможно было бы рассчитать работу двигателя, движение планет, работу электрических станций или эффективность механизмов.
Этот закон — один из краеугольных камней всей физики и техники.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют энергией?

2. Какие основные виды энергии вы знаете?

3. Как связаны между собой потенциальная и кинетическая энергия?

4. В чём заключается закон сохранения энергии?

5. Приведите примеры превращения одного вида энергии в другой.

6. Почему маятник постепенно останавливается, хотя энергия не исчезает?

7. Какую роль играет внутреннее трение в превращении энергии?