ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ Й ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ В МЕХАНІЧНИХ ПРОЦЕСАХ ТА ЙОГО ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ
Розділ 4 МЕХАНІЧНА РОБОТА ТА ЕНЕРІЯ
& 54. ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ Й ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ В МЕХАНІЧНИХ ПРОЦЕСАХ ТА ЙОГО ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ
Рух і взаємодія – необхідні умови існування матеріального світу. Якби вони зникли, світ перестав би існувати. Енергія як загальна характеристика руху і взаємодії не лише визначає здатність тіл виконувати роботу, а й кількісно доводить, що рух – це невід’ємна властивість матерії.
Кожен з вас грався з м’ячем. Впустивши добре накачаний м’яч на підлогу або асфальтовану доріжку, ви неодноразово
Розглянемо рух м’яча докладніше (мал. 4.11). Спочатку м’яч перебував на висоті h над землею (доріжкою) в стані спокою. У цьому стані його потенціальна енергія відносно землі становила Eп = mgh, а кінетична енергія нерухомого м’яча дорівнювала 0. Після того як його випустити з рук, висота і потенціальна
Збільшується і кінетична енергія, яка в момент удару об поверхню Землі (підлогу, асфальтову доріжку) стає максимальною.
Падаючий м’яч одночасно має і потенціальну, і кінетичну енергії. Оскільки в момент удару висота м’яча над землею дорівнює 0, його потенціальна енергія теж дорівнює 0. Зникла потенціальна енергія взаємодії із землею – найбільшою стала кінетична енергія. Проте м’яч, досягнувши землі, внаслідок взаємодії з нею деформується, і його швидкість зменшується до 0.
Мал. 4.11
Мал. 4.12
М’яч пружний. Унаслідок деформації в ньому виникає потенціальна енергія пружно-деформованого тіла, завдяки якій він відновлює свою форму і набуває швидкості і кінетичної енергії, направленої вертикально вгору. Кінетична енергія під час руху м’яча вгору зменшується, але збільшується енергія його потенціальної взаємодії з землею. У момент досягнення максимальної висоти підняття його потенціальна енергія набуває максимального значення, а кінетична енергія дорівнює 0. Потім усе повторюється. Як бачимо, відбувається перетворення одної форми енергії в іншу та її збереження.
Суму кінетичної і потенціальної енергій, які має тіло у той чи інший момент часу, називають повною механічною енергією.
Коли м’яч перебуває на максимальній висоті і його швидкість дорівнює 0, повна його енергія дорівнюватиме потенціальній енергії м’яча Е = Еп max.
Під час руху вгору і вниз він має і потенціальну, і кінетичну енергії. Його повна енергія дорівнює їх сумі: Е = Еп + Ек.
У момент перед ударом об землю його повна енергія складається лише з кінетичної енергії, яка у цей момент має максимальне значення: Е = Ек max.
Перетворення енергії відбуваються і під час вільних коливань маятника (мал. 4.12). Відхиливши маятник, ми змінюємо його положення відносно Землі, виконуючи роботу з піднімання його на деяку висоту hmax. Потенціальна енергія маятника відносно початкового стану рівноваги становитиме Еп = mghmax. Повертаючись у стан рівноваги, тягарець маятника збільшує свою швидкість. Його висота і потенціальна енергія відносно положення рівноваги зменшуються, але зростає кінетична енергія. Повна механічна енергія маятника складається з його кінетичної і потенціальної енергій: Е = Ек + Еп = mgh + 
.
У момент, коли маятник проходить положення рівноваги, його потенціальна енергія дорівнює 0, а швидкість і відповідно кінетична енергія набувають максимального значення. У цей момент повна енергія дорівнює його кінетичній енергії:
Е = Ек max = . Завдяки набутій кінетичній енергії тягарець маятника продовжує рух і піднімається майже на ту саму висоту відносно положення рівноваги, а кінетична енергія тягарця знову перетворюється на потенціальну енергію тіла, піднятого над землею. Далі усе повторюється.
Зверніть увагу!
В усіх випадках відбувається перетворення енергії однієї форми в енергію іншої форми (кінетичної на потенціальну і навпаки). Повна енергія зберігається і в різні моменти часу дорівнює максимальній потенціальній енергії тіла, піднятого над землею, максимальній кінетичній енергії або сумі потенціальної і кінетичної енергій, які тіло має одночасно:
Е = Еп + Ек = Еп max = Ек max.
Наведені приклади руху м’яча і коливань маятника є прикладами прояву одного з найважливіших законів механіки – закону збереження й перетворення енергії в механічних процесах, який можна сформулювати так:
Якщо тіла взаємодіють тільки між собою і лише силами тяжіння та силами пружності (відсутнє тертя), то їх механічна енергія зберігається.
Коли говорять “передача”, то не слід розуміти перетворення енергії так, ніби одне тіло щось передало іншому. Ви можете передати товаришеві зошит, обмінятися з ним олівцем чи книжкою. Передача, перетворення, збереження енергії означає, що внаслідок взаємодії одного тіла з іншим відбулися зміни в русі кожного з них або в русі частинок, з яких вони складаються. Енергія одного тіла внаслідок взаємодії зменшилася, іншого – на стільки само зросла, або зменшилася кінетична енергія тіла і на стільки само зросла його потенціальна енергія.
Те, що енергія одного тіла може нібито передаватися іншому, спостерігається, наприклад, під час гри в більярд. Якщо в нерухому кулю влучає інша куля, послана гравцем точно вздовж лінії, що сполучає їх центри, то після удару куля, яка рухалася, зупиняється, а куля, яка була нерухомою, набуває такої самої швидкості. Кінетична енергія кулі, що рухалася, передається нерухомій кулі. Для демонстрації перетворення потенціальної енергії в кінетичну і навпаки І. Ньютон придумав прилад, який називають “колиска Ньютона” (або “маятник Ньютона”). Цей прилад у наш час як іграшку-сувенір можна побачити на багатьох письмових столах (мал. 4.13). Якщо відвести одну з крайніх кульок убік і відпустити, то, повернувшись у попереднє положення, вона після зіткнення повністю передає свою енергію першій у ряду після неї кульці. Та кулька, набувши потенціальної енергії пружної деформації, в свою чергу передасть цю енергію сусідній і так до останньої кульки у ряді.
Остання кулька відхиляється на такий самий кут, на який було відведено першу кульку. Потім усе повторюється в зворотному порядку. Якщо відхилити дві кульки, то після зіткнення відхиляться дві кульки й з другого кінця ряду. Такі рухи кульок можна спостерігати досить довго.
Мал. 4.13
Мал. 4.14
Прояв закону збереження і перетворення енергії в механіці можна спостерігати і за допомогою обертового маятника, запропонованого Джеймсом Максвеллом (мал. 4.14). Якщо накрутити нитки на вісь диска, то він підніметься над положенням рівноваги – збільшиться його потенціальна енергія. Опускаючись униз, диск розкручується й набуває кінетичної енергії. Після проходження нижньої точки підвісу диск продовжує крутитися і, накручуючи нитку на вісь, піднімає сам себе майже на таку саму висоту.
Закон збереження і перетворення механічної енергії справджується не завжди. Наводячи приклади збереження і перетворення енергії під час руху м’яча чи маятника, ми зазначали, що вони піднімаються майже на таку саму висоту. У законі збереження енергії спеціально зауважується: “…якщо тіла взаємодіють лише силами тяжіння і силами пружності”. Це тому, що є ще й сили тертя, які завжди направлені проти руху тіл і спричинюють зменшення їх механічної енергії.
Ви добре знаєте, що м’яч, тенісна кулька, впавши на підлогу й підскочивши кілька разів, зупиняються. Свинцева кулька, що впала на сталеву плиту, взагалі не підскакує і після зіткнення з плитою залишається лежати на ній. Коливання маятника, тягарця на пружині теж з часом затухають. Автомобіль, що рухається з великою швидкістю горизонтальним шляхом, після вимкнення двигуна через якийсь час зупиниться. Куди зникає їх енергія? Пригадайте: енергія – загальна характеристика усіх форм руху і взаємодії. Рух матерії не обмежується механічним рухом тіл. Механічна енергія свинцевої кульки відносно плити дійсно стала такою, що дорівнює 0, тобто вона зникла. Але особливість енергії, як загальної характеристики усіх форм руху і взаємодій, у тому, що “зникнення” однієї форми руху спричиняє зміну в інших формах руху. Інші форми руху характеризують інші форми енергії: теплову, електричну, хімічну. Як відбуваються ці перетворення енергії, ви дізнаєтесь далі.
Можливість перетворення механічної енергії з потенціальної на кінетичну й інші немеханічні форми енергії широко використовується техніці і господарській діяльності. Ще в давні часи кінетичну енергію вітру використовували у вітряних млинах. Сьогодні за допомогою вітрогенераторів її перетворюють на електричну енергію (мал. 4.15).
На великих ріках побудовано гідроелектростанції (мал. 4.16). Русло річки перегороджують високою греблею, внаслідок чого утворюється водосховище. Висота деяких гребель понад 100 м. Потенціальна енергія води, піднятої на таку висоту, під час руху по водоводу перетворюється на кінетичну енергію. Вода, що набула великої кінетичної енергії, потрапляючи на лопаті гідротурбіни, надає їй обертання. Гідротурбіна обертає генератор, який перетворює механічну енергію на електричну (мал. 4.17).
Мал. 4.15
Мал. 4.16
Мал. 4.17
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1. У чому полягає закон збереження і перетворення механічної енергії?
2. Камінь кинуто вертикально вгору. Які перетворення енергії відбуваються під час руху каменя?
3. Які перетворення енергії відбуваються під час падіння води з греблі?
4. Які перетворення енергії відбуваються під час коливань математичного маятника, тягарця на пружині?
5. Які перетворення енергії відбуваються під час пострілу з лука?
6. На Тихоокеанському узбережжі Мексики є підводний грот з отвором у склепінні. Коли хвилі прибою вдаряють у стінку грота, з конусоподібного отвору вода б’є фонтаном, досягаючи висоти 50 м. Які перетворення енергії відбуваються при цьому?
7. Енергію пружної деформації гумових ниток і стрічок юні техніки широко використовують під час виготовлення різноманітних рухомих моделей (мал. 4.18). Ви теж можете зробити моделі суден, автомобілів, літаків, а потім провести змагання на швидкість і дальність їх руху. З’ясуйте, які перетворення енергії відбуваються під час їхнього руху. Поміркуйте, як досягти найкращих результатів використання енергії двигунів та підвищити їх характеристики. Перевірте ідеї на своїх конструкціях. Для виготовлення таких моделей можна використати пластикові флакони, обрізки фанери, цупкий папір, картон, гумові стрічки та нитки.
Мал. 4.18
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...