Закон сохранения энергии: формула и примеры

Статья Математика

Закон сохранения энергии утверждает: энергия не возникает из ничего и не исчезает. В изолированной системе её полное количество остаётся постоянным, хотя энергия может переходить от одного тела к другому и превращаться из механической во внутреннюю, электрическую, химическую и другие формы.

Для школьных задач по механике часто используют частный случай:

K₁ + U₁ = K₂ + U₂,

когда суммарная работа неучтённых неконсервативных сил равна нулю и модель не включает других превращений механической энергии. Работа силы тяжести уже учитывается изменением U: запрещать любую внешнюю работу без выбора системы некорректно. Если трение есть, закон не нарушается: нужно добавить энергию, в которую превратилась часть механической.

Представьте мяч на верхней полке: пока он неподвижен, энергия связана с высотой; во время падения растёт скорость; после удара часть энергии переходит во внутреннюю энергию мяча, пола и воздуха. История меняется, но правильно выбранный полный баланс обязан сойтись.

Переход потенциальной энергии мяча в кинетическую и внутреннююВысота: UДвижение: KУдар: K + внутренняя
Схема показывает формы энергии, а не траекторию в масштабе. При расширении системы энергия не исчезает при ударе.

Что именно сохраняется

Перед уравнением надо выбрать систему: тело, Землю, пружину, поверхность или их сочетание. Затем мысленно провести её границу.

  • Если энергия не проходит через границу, систему в рамках модели считают изолированной и записывают ΔEполн = 0.
  • Если внешняя сила совершает работу или система получает тепло, энергия выбранной системы может измениться. Это перенос через границу, а не нарушение закона.
  • Внутри системы энергия может менять форму. Уменьшение одной формы сопровождается увеличением другой.

Например, шайба останавливается на шероховатой поверхности. Её кинетическая энергия уменьшается, зато возрастает внутренняя энергия шайбы, поверхности и окружающей среды: они немного нагреваются и деформируются.

Механическая энергия: кинетическая и потенциальная

Кинетическая энергия движущегося тела:

K = mv² / 2,

где m — масса в килограммах, v — скорость в метрах в секунду.

Потенциальная энергия взаимодействия тела с Землёй вблизи её поверхности:

U = mgh,

где g — ускорение свободного падения, а h — высота относительно выбранного нулевого уровня. В точных расчётах обычно берут g=9,8 м/с², а в учебной задаче могут прямо указать g=10 м/с².

Полная механическая энергия в этой модели равна Eмех = K + U. Её измеряют в джоулях (Дж), как и работу.

Когда можно писать K + U = const

В модели тела, Земли и идеальной пружины механическая энергия сохраняется, если учтены соответствующие потенциальные энергии и суммарная работа остальных сил равна нулю. Неконсервативная сила может присутствовать, но не совершать работу, как нормальная реакция неподвижной поверхности при движении вдоль неё. Тогда:

K₁ + U₁ = K₂ + U₂.

Уравнение сравнивает два состояния: начальное и конечное. Не нужно восстанавливать движение в каждую промежуточную секунду.

Если действует трение и выбранная расширенная система не получает энергию извне, удобно записать:

K₁ + U₁ = K₂ + U₂ + ΔEвнутр.

Здесь ΔEвнутр — увеличение внутренней энергии тел и среды. Это не универсальная формула для любого процесса, а прозрачная модель конкретной механической задачи: надо явно сказать, какие тела входят в систему и какие передачи энергии учитываются.

Баланс без JavaScript. Для тела массой 2 кг, которое начинает падать с высоты 10 м из состояния покоя, при g=9,8 м/с² начальная энергия равна 196 Дж. Без сопротивления у земли K=196 Дж и v=14 м/с. Если 36 Дж перешло во внутреннюю энергию, то K=160 Дж и v=√160≈12,65 м/с. Полная сумма 160+36 всё равно равна 196 Дж.


Лаборатория энергетического баланса

Сравните два состояния тела. g=9,8 м/с²; нулевой уровень высоты общий.

Модель предполагает, что внешней передачи энергии нет, а указанная ΔE учитывает переход механической энергии во внутреннюю.

Источники

Определения и границы механической модели сверены с разделами OpenStax о работе и энергии и с брошюрой SI BIPM. Они подтверждают единицу джоуль и общий энергетический баланс; конкретный набор слагаемых всегда зависит от выбранной системы.

Алгоритм решения задач

  1. Выберите систему. Укажите, входят ли в неё Земля, поверхность и пружина.
  2. Отметьте два состояния. Например, верхняя и нижняя точки движения.
  3. Выберите нулевой уровень высоты. Обычно удобно положить h=0 в нижнем состоянии.
  4. Запишите формы энергии. Удалите только те члены, которые действительно равны нулю.
  5. Учтите перенос и превращение. При трении добавьте внутреннюю энергию или используйте работу неконсервативной силы.
  6. Решите и проверьте. Все величины должны быть в СИ; квадрат скорости не может быть отрицательным.

Три решённые задачи

1. Свободное падение без сопротивления

Тело массой 2 кг падает без начальной скорости с высоты 5 м. Сопротивлением воздуха пренебрегаем, g=9,8 м/с². Нулевой уровень потенциальной энергии выберем у земли.

Вверху K₁=0, U₁=mgh=2·9,8·5=98 Дж. У земли U₂=0, поэтому:

mgh = mv²/2.

Масса есть в обеих частях и сокращается: v=√(2gh)=√98≈9,90 м/с.

Обратите внимание: масса сократилась из уравнения для скорости, но сама энергия равна 98 Дж и от массы зависит.

Высота над землёй Потенциальная энергия Кинетическая энергия Сумма
5 м 98 Дж 0 Дж 98 Дж
2,5 м 49 Дж 49 Дж 98 Дж
0 м 0 Дж 98 Дж 98 Дж
Тело массой 2 кг отпущено с высоты 5 м без начальной скорости; g=9,8 м/с², сопротивления нет. Уменьшение высоты перераспределяет энергию, но не меняет сумму.

2. То же падение с потерей механической энергии

Пусть из исходных 98 Дж во внутреннюю энергию воздуха и тела перешло 30 Дж. Тогда:

98 = mv²/2 + 30.

Конечная кинетическая энергия равна 68 Дж. При m=2 кг получаем v²=68 и v≈8,25 м/с.

Механическая энергия уменьшилась с 98 до 68 Дж, но полная учтённая энергия сохранилась: 68+30=98 Дж.

Баланс 98 джоулей: 68 джоулей кинетической и 30 джоулей внутренней энергииДо падения: 98 Дж потенциальной энергииУ земли: 68 Дж + 30 Дж = 98 Дж98 Дж68 Дж30 ДжКинетическаяВнутренняя
Длины полос пропорциональны энергии. При сопротивлении уменьшается механическая часть, а не общая учтённая энергия.

3. Бросок вверх

Мяч бросили вверх со скоростью 10 м/с. Сопротивлением воздуха пренебрегаем. За нулевой уровень высоты примем точку броска.

В начале U₁=0 и K₁=mv₀²/2. В верхней точке мгновенная скорость равна нулю, значит K₂=0, но потенциальная энергия максимальна:

mv₀²/2 = mghmax.

Отсюда hmax=v₀²/(2g)=100/19,6≈5,10 м над точкой броска.

Связанную математику можно повторить в материале о квадратной функции и параболе.

Почему выбор нулевого уровня не меняет ответ

Потенциальная энергия зависит от условного нуля высоты. Можно выбрать пол, стол или точку старта. Если ко всем высотам прибавить одно и то же число, в обеих частях энергетического равенства появится одинаковая добавка, которая сократится. Физический результат зависит от изменения высоты, а не от подписи на линейке.

Типичные ошибки

  • Сохраняют только кинетическую энергию. При изменении высоты или деформации надо учитывать потенциальную.
  • Пишут K+U=const при трении. Сначала решите, куда переходит механическая энергия и входит ли получатель в систему.
  • Считают энергию нулевой в верхней точке. Нулевой там становится скорость, но потенциальная энергия обычно максимальна.
  • Сокращают массу слишком рано. Это допустимо лишь когда она множителем входит во все нужные члены и нет, например, отдельного заданного количества теплоты.
  • Используют сантиметры и граммы. Для ответа в джоулях переведите массу в килограммы, высоту в метры, скорость в м/с.

Задачи для самопроверки

  1. Тело массой 0,5 кг падает из состояния покоя с высоты 8 м без сопротивления. Примите g=10 м/с², нулевой уровень потенциальной энергии — у земли. Найдите начальную потенциальную энергию и скорость у земли.
  2. Тело массой 3 кг движется со скоростью 4 м/с. Найдите кинетическую энергию.
  3. Тело массой 1 кг начинает скользить из состояния покоя вниз с перепадом высоты 10 м. При g=10 м/с² во внутреннюю энергию перешло 30 Дж; других передач энергии нет. Найдите скорость внизу.
  4. Шайба остановилась из-за трения. Нарушен ли закон сохранения энергии?
Ответы и подсказки
  1. U=40 Дж; v=√160≈12,65 м/с.
  2. K=3·4²/2=24 Дж.
  3. Начальная энергия 100 Дж, конечная кинетическая 70 Дж, v=√140≈11,83 м/с.
  4. Нет. Кинетическая энергия перешла преимущественно во внутреннюю энергию шайбы, поверхности и среды.

Частые вопросы

Чем общий закон отличается от сохранения механической энергии?

Общий закон охватывает все учитываемые формы энергии. Равенство K+U=const — частный случай, справедливый при определённых силах и границах системы.

Энергия исчезает при трении?

Нет. Уменьшается механическая часть, а внутренняя энергия тел и среды увеличивается.

Почему вечный двигатель не может работать?

Устройство не может постоянно отдавать энергию без равного поступления или уменьшения запасённой энергии. Реальные потери дополнительно переводят часть энергии в менее удобные формы.

Энергетический баланс — один из способов проверить физическую модель. Для дальнейшего знакомства с исследовательским подходом посмотрите программу курса «Научное мышление». На странице курса можно выбрать занятия; задачи на энергию в этой статье остаются открытыми.

Оставить комментарий