Открыв любой из учебников по физике, мы прочитаем, что энергия — это это мера способности системы выполнять работу. Но вот что это за мера такая? Как она измеряется? О какой системе идет речь? И какую работу эта система должна выполнять? Как говорится, ничего не понятно, но очень интересно.

Говоря простым языком, энергия — это способность что-то делать. Погружаемся ли мы в мир науки или остаемся в реальной жизни, это запас (сил, вдохновения, киловатт и других ресурсов), который можно направить на выполнение определенной работы.

Такой запас ресурсов в физике всегда измеряется в Джоулях (Дж), чаще всего обозначается буквой Е и бывает… очень разным. В этой статье расскажем о механической энергии и ее подвидах, а затем перейдем к закону. Начнем, по традиции, с определения.

Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением; способность совершать механическую работу. Она представляет собой совокупность потенциальной и кинетической энергий.

Приведем простой пример: представь себе качели на детской площадке. Если ты толкаешь качели, они начинают двигаться и постепенно раскачиваются. Находясь на самом верху, они обладают максимальной потенциальной энергией — то есть, так называемой энергией «ожидания действия». По мере того, как качели опускаются вниз, Е потенциальная превращается в Е кинетическую — энергию «действия», — и качели приобретают скорость. В самой низкой точке они имеют максимальную кинетическую энергию. Но когда качели поднимаются вверх, Е кинетическая постепенно преобразуется обратно в Е потенциальную.

Получается, что механическая энергия в нашей «качельной» системе всегда сохраняется — просто переходит между потенциальной и кинетической формами, создавая движение вперед-назад. Тот же принцип можно перенести на работу маятника.

Остановимся немного подробнее на видах механической энергии. В примере с качелями мы уже упоминали, что у Е потенциальной и Е кинетической есть свои прозвища, основанные на различиях между ними.

Кинетическая энергия отвечает скорее за действия и движения. И величина, которая лучше всего ее характеризует, — это скорость. Изменение Е кинетической всегда прямо пропорционально изменению скорости движения тела: чем быстрее движется объект, тем больше его кинетическая энергия — и наоборот.

При решении задач пригодится следующая формула:

,

где m — масса тела (кг), а v — его скорость (м/с).

Потенциальная энергия вступает в игру в тот момент, когда действие только ожидается. И, соответственно, в большинстве случаев ее величина будет изменяться обратно пропорционально изменению скорости движения тела. Кстати, еще один важный факт: чем выше мы поднимаем тело, тем больше его Е потенциальная.

При решении задач нам пригодятся две важных формулы:

1. Е потенциальная для деформированной пружины
2. , где k — жесткость (Н/м), а х — удлинение пружины (м);

Е потенциальная в поле тяжести

, где g — ускорение свободного падения (м/с), а h — высота (м).

Физика — наука как нельзя более точная и правильная. Именно поэтому мы не можем просто рассказать о принципах работы «активных ресурсов» или чего-угодно еще: нам важно доказать это, записать и назвать громким словом Закон. Поэтому знакомься: его величество Закон сохранения энергии. И звучит он вот так.

Полная механическая энергия замкнутой системы остается постоянной. 

Ничего не понятно, но очень интересно — версия 2.0. Объясняя этот закон более просто, можно сказать, что энергия в замкнутой системе (в той, в которой внешнее воздействие отсутствует как таковое) не появляется из ниоткуда и не исчезает в никуда — она лишь переходит из одной формы в другую. 

Вот как это выглядит на языке физики:

.

Давай попробуем вернуться к нашему примеру с Е кинетической и Е потенциальной. Если у тебя есть энергия движения (кинетическая), то, остановившись, ты не потеряешь весь имеющийся «запас» — он просто перейдет в разряд энергии ожидания движения (потенциальной). То есть, в нашей замкнутой системе движения сама по себе энергия сохраняется — меняется лишь ее облик.

Этот закон работает не только в физике, но и в повседневной жизни. Например, утром, когда мы вливаем в себя очередной стакан капучино, мы просто преобразуем потенциальную вибрацию в молекулах кофе в безудержный поток активных ресурсов — наш внутренний ядерный реактор.

Подведем итоги. Вот что нам важно знать о законе сохранения энергии.

1. Общая энергия остается постоянной. В изолированной системе, где нет внешних воздействий, общая Е системы сохраняется — и сумма Е кинетической и Е потенциальной остается постоянной.
2. Энергия умеет превращаться. Да-да, почти как настоящий маг или волшебник — только в мире науки. Наш «запас» может преобразовываться из одной формы в другую, а затем возвращаться в прежнее состояние.
3. Закон, о котором мы говорили выше, справедлив абсолютно для любой формы энергии: от механической до тепловой и от химической до электрической. 
4. Закон сохранение энергии предполагает отсутствие внешних сил. Никакого воздействия извне: трение, сопротивление воздуха и чего угодно еще в основной формуле не предусмотрено. 

Ну и напоследок: мы попросили искусственный интеллект написать шутку про закон сохранения энергии, и вот что из этого вышло.

В какой точке качель Е потенциальная будет наиболее высокой?

— На самом верху, почти рядом с солнышком.

— Внизу, в моменте ожидания движения.

— В промежутке между этими точками.

Если масса тела составляет 2 кг, а скорость его движения — 10 м/с, чему будет равна Е кинетическая?

— 200 Дж.

— 100 Дж.

— 10 Дж.

Если полная механическая энергия тела составляет 500 Дж, а его потенциальная энергия — 260 Дж, чему будет равна Е кинетическая этого тела?

— 240 Дж.

— 760 Дж.

— 100 Дж.