Кінетична і потенційна енергія

Однією з характеристик будь-якої системи є її кінетична і потенційна енергія. Якщо яка-небудь сила F надає дію на що знаходиться в спокої тіло таким чином, що останнє приходить в рух, то має місце здійснення роботи dA. У цьому випадку значення кінетичної енергії dT стає тим вище, чим більше скоєно роботи. Іншими словами, можна написати рівність:

dA = dT

Враховуючи шлях dR, пройдений тілом, і развиваемую швидкість dV, скористаємося другим законом Ньютона для сили:

F = (dV / dt) * m

Важливий момент: цей закон можна використовувати в тому випадку, якщо взята інерціальна система відліку. Вибір системи впливає на значення енергії. У міжнародній системі СІ енергія вимірюється в джоулях (дж).

Звідси випливає, що кінетична енергія частинки або тіла, яка характеризується швидкістю переміщення V і масою m, складе:

T = ((V * V) * m) / 2

Можна зробити висновок, що кінетична енергія визначається швидкістю і масою, фактично представляючи собою функцію руху.

Кінетична і потенційна енергія дозволяють описати стан тіла. Якщо перша, як вже було сказано, безпосередньо пов`язана з рухом, то друга застосовується щодо системи взаємодіючих тіл. Кінетична і потенційна енергія зазвичай розглядаються для прикладів, коли сила, що зв`язує тіла, не залежить від траєкторії руху. У такому випадку важливі лише початковий і кінцевий положення. Найвідоміший приклад - гравітаційна взаємодія. А от якщо важлива і траєкторія, то сила є дисипативної (тертя).

Говорячи простою мовою, потенційна енергія являє собою можливість здійснити роботу. Відповідно, ця енергія може бути розглянута у вигляді роботи, яку потрібно здійснити для переміщення тіла з однієї точки в іншу. Тобто:

dA = А * dR

Якщо потенційну енергію позначити як dP, то отримуємо:

dA = - dP

Негативне значення вказує, що виконання роботи відбувається завдяки зменшенню dP. Для відомої функції dP можливо визначити не тільки модуль сили F, а й вектор її напрямки.

Зміна кінетичної енергії завжди пов`язане з потенційною. Це легко зрозуміти, якщо згадати закон збереження енергії системи. Сумарне значення T + dP при переміщенні тіла завжди залишається незмінним. Таким чином, зміна T завжди відбувається паралельно зі зміною dP, вони немов перетікають один в одного, перетворюючись.

Так як кінетична і потенційна енергія взаємопов`язані, їх сума являє собою повну енергію даної системи. У відношенні молекул вона є внутрішньою енергією і присутній завжди, поки є хоча б тепловий рух і взаємодію.

При виконанні розрахунків вибирається система відліку і будь-який довільний момент, взятий за початковий. Точно визначити значення потенційної енергії можна лише в зоні дії таких сил, які при здійсненні роботи не залежить від траєкторії переміщення будь-якої частинки або тіла. У фізиці такі сили отримали назву консервативних. Вони завжди взаємопов`язані з законом збереження повної енергії.

Цікавий момент: у ситуації, коли зовнішні впливи мінімальні або нівелюються, будь-яка досліджувана система завжди прагне до такого свого стану, коли її потенційна енергія прагне до нуля. Приміром, підкинутий м`яч досягає межі своєї потенційної енергії у верхній точці траєкторії, але в ту ж мить починає рух вниз, перетворюючи накопичену енергію в рух, в виконувану роботу. Варто ще раз звернути увагу, що для потенційної енергії завжди має місце взаємодія як мінімум двох тел: так, у прикладі з м`ячем на нього впливає гравітація планети. Кінетична ж енергія може бути розрахована індивідуально для кожного рухомого тіла.