Закон збереження енергії - основа основ

У своїй повсякденній діяльності людина використовує найрізноманітнішу енергію: теплову, механічну, ядерну, електромагнітну, і т.д. Однак поки будемо розглядати тільки одну її форму - механічну. Тим більше що з точки зору історії розвитку фізики, вона починалася з вивчення механічного руху, сил і роботи. На одному з етапів становлення науки був відкритий закон збереження енергії.

При розгляді механічних явищ використовують поняття кінетичної і потенційної енергії. Експериментально встановлено, що енергія не зникає безслідно, з одного виду вона перетворюється в інший. Можна вважати, що сказане в найзагальнішому вигляді формулює закон збереження механічної енергії.

Спочатку треба відзначити, що в сумі потенційна і кінетична енергії тіла називаються механічною енергією. Далі необхідно мати на увазі, що закон збереження повної механічної енергії справедливий при відсутності зовнішнього впливу і додаткових втрат, викликаних, наприклад, подоланням сил опору. Якщо якесь із цих вимог порушено, то при зміні енергії будуть відбуватися її втрати.

Самий простий експеримент, що підтверджує зазначені граничні умови, кожен може провести самостійно. Підніміть м`ячик на висоту і відпустіть його. Вдарившись об підлогу, він підскочить і потім знову впаде на підлогу, і знову підскочить. Але з кожним разом висота його підйому буде менше і менше, поки м`яч не завмре нерухомо на підлозі.

Що ми бачимо в цьому досвіді? Коли м`яч нерухомий і знаходиться на висоті, він володіє тільки потенційною енергією. Коли починається падіння, у нього з`являється швидкість, і значить, з`являється кінетична енергія. Але в міру падіння висота, з якої почався рух, стає менше і, відповідно, стає менше його потенційна енергія, тобто вона перетворюється в кінетичну. Якщо провести розрахунки, то з`ясується, що значення енергії рівні, а це означає, що закон збереження енергії при таких умовах виконується.

Однак у подібному прикладі є порушення двох раніше встановлених умов. М`яч рухається в оточенні повітря і відчуває опір з його боку, нехай і невелике. І енергія витрачається на подолання опору. Крім того, м`яч стикається з підлогою і відскакує, тобто він відчуває зовнішній вплив, а це друге порушення граничних умов, які необхідні, щоб закон збереження енергії був справедливий.

Зрештою скачки м`яча припиняться, і він зупиниться. Вся наявна первісна енергія виявиться витраченої на подолання опору повітря і зовнішнього впливу. Однак крім перетворення енергії виявиться виконаною робота з подолання сил тертя. Це призведе до нагрівання самого тіла. Найчастіше величина нагрівання не дуже значна, і її можна визначити тільки при вимірюванні точними приладами, але подібна зміна температури існує.

Крім механічної, є й інші види енергії - світлова, електромагнітна, хімічна. Однак для всіх різновидів енергії справедливо, що з одного виду можливий перехід в інший, і що за таких перетвореннях сумарна енергія всіх видів залишається постійною. Це є підтвердженням загального характеру збереження енергії.

Тут треба врахувати, що перехід енергії може означати і її марну втрату. При механічних явищах свідченням цього буде нагрів навколишнього середовища або взаємодіючих поверхонь.

Таким чином, найпростіше механічне явище дозволило нам визначити закон збереження енергії і граничні умови, що забезпечують його виконання. Була встановлено, що здійснюється перетворення енергії з наявного виду в будь-який інший, і виявлений загальний характер згаданого закону.