Підручник Фізика 7 клас - Пістун П. Ф. - Навчальна книга - Богдан 2015 рік

Розділ IV МЕХАНІЧНА РОБОТА ТА ЕНЕРГІЯ

§43. Механічна енергія та її види

✓ За яких умов тіло виконує роботу?

1. Якщо тіло здійснює під дією сили деяке переміщення у напрямі дії сили, то ця сила, звичайно ж, виконує роботу А = Fs. Часто говорять, щороботу виконує тіло.

Не будь-яке тіло і не за будь-яких обставин здатне виконати роботу.

Щоб переконатися у цьому, розглянемо кулю, яка лежить на горизонтальній поверхні стола. Куля перебуває у стані спокою, і ні про яку роботу не може бути й мови. Але якщо кулі дати можливість упасти з краю стола, то куля виконає певну роботу. Поставте на підлогу посудину з водою, і бризки наочно переконають вас у цьому (рис. 129, а). Отже, тіло, що перебуває у спокої на деякій висоті, роботи не виконує, але за певних умов (якщо дати йому можливість упасти з цієї висоти) здатне її виконати.

Чи виконує роботу рухоме тіло, яке не взаємодіє з іншими тілами? Ні, воно, очевидно, роботи не виконує, оскільки таке тіло рухається за інерцією і не діє на інші тіла. Чи може воно за певних умов виконати роботу? Поставимо на шляху металевої кульки, яка котиться, дерев’яний брусок. Ми побачимо, що останній зрушиться з місця після удару кульки (рис. 129, б). Отже, рухоме тіло може виконати роботу за певних умов (точніше, тутроботу виконує сила, з якою кулька діє на брусок).

Говорять, що якщо тіло може виконувати роботу, то воно має енергію.

Рис. 129

Рис. 130

2. Будь-яка машина або механізм також не завжди виконують роботу. Щоб двигун автомобіля виконував роботу, обертаючи колеса і переміщаючи його, необхідно автомобіль заправити бензином. Бензин згорає і віддає свою енергію двигуну; автомобіль починає рухатися. Для роботи вітряного двигуна (рис. 130) потрібний вітер. Енергія вітру приведе в рух лопаті двигуна.

Двигуни гідроелектростанції почнуть працювати тільки після того, як потік води з водосховища, розташованого вище рівня ріки, почне падати вниз. Падаюча вода, що має енергію, приведе в рух турбіни ГЕС. Інакше кажучи, щоб машина (механізм, двигун) виконувала роботу, вона повинна мати певну енергію.

3. Енергія — це фізична величина. її прийнято позначати літерою Е.

Енергію тіла, як і будь-яку фізичну величину, можна виміряти. Так, наприклад, тіло, підняте над землею, має певну енергію: вона дорівнює роботі, яку потрібно виконати, щоб підняти тіло на цю висоту з поверхні землі. Тіло, що рухається з певною швидкістю, також має енергію; вона дорівнює роботі, яку потрібно виконати для того, щоб цьому тілу, яке перебувало у спокої, надати цю швидкість. Енергія стиснутого в балоні газу дорівнює роботі, яку потрібно виконати, щоб накачати газ у цей балон, і т. ін.

Чим більшу роботу може виконати тіло, тим більшу енергію воно має.

Таким чином, енергію виражають у тих самих одиницях, що й роботу, тобто в джоулях.

4. У механіці розрізняють два види енергії — кінетичну і потенціальну.

Енергію, яку мають тіла внаслідок свого руху, називають кінетичною енергією (Ек).

Кінетична енергія залежить від швидкості руху тіла і його маси. Дійсно, чим масивніше тіло, тим більшу роботу воно може виконати до повної зупинки. Порівняйте результати дії кулі, яка влучила в мішень, і артилерійського снаряда, який рухався з тією самою швидкістю і влучив у ту саму мішень. У другому випадку буде виконана робота значно більша, ніж у першому. Очевидна також залежність кінетичної енергії тіла від його швидкості: чим більша швидкість, тим більшу роботу може виконати тіло, тобто, тим більша його енергія. Уявіть собі результат дії кулі, яку в першому випадку в мішень кинули рукою (швидкість її мала), а в другому — куля вилетіла зі ствола рушниці.

Отже, можна зробити висновок, що чим більша маса тіла і його швидкість руху, тим більша кінетична енергія тіла.

Кінетичну енергію тіла обчислюють за формулою:

Е = .

Енергію, яка залежить від взаємного розташування взаємодіючих тіл (або частин одного і того самого тіла), називають потенціальною енергією (Ер).

Потенціальною енергією володіє, наприклад, тіло, підняте над землею. Земля і тіло взаємно притягуються. Падаючи з певної висоти на землю, тіло виконує роботу. Так, ударник копра при падінні забиваю палю у ґрунт (рис. 131). Говорять, що при цьому виконується робота проти сил опору ґрунту (точніше — виконує роботу сила, з якою ударник діє на палю). Піднятий угору ударник копра знову запасає потенціальну енергію. Потенціальна енергія залежить від маси тіла і висоти, на яку воно було підняте.

Щоб забити палю, маса ударника копра повинна бути достатньо великою. Якщо з такої самої висоти, на якій знаходиться ударник, упаде легке тіло, наприклад, м’яч, то робота м’яча буде настільки мізерною, що паля не зрушиться з місця. Інакше кажучи, потенціальна енергія м’яча набагато менша від потенціальної енергії ударника копра.

Рис. 131

Робота, яку може виконати тіло, підняте на деяку висоту, прямо пропорційна цій висоті. Потенціальна енергія падаючої води, а, отже, і потужність гідроелектростанції залежить від висоти греблі. Саме тому ріки, що протікають на рівнинній місцевості, менш придатні для спорудження ГЕС, ніж ріки у гірських районах.

Тобто, можна зробити висновок, що чим більша висота, на яку підняте тіло, і чим більша його маса, тим більша потенціальна енергія цього тіла.

Потенціальну енергію тіла, піднятого над землею, обчислюють за формулою:

Еп = mgh.

Потенціальною енергією володіє також і будь-яке деформоване тіло. Так, розтягнута дверна пружина, стискаючись, приводить у рух двері (рис. 132,а). Пружина виконує роботу — повертає двері назад. Розтягнута тятива лука (рис. 132, б) виконує роботу — надає швидкості стрілі. У пневматичній рушниці (рис. 132, в) потенціальною енергією володіє стиснуте повітря, яке може виконувати роботу з виштовхування кулі зі ствола і надавати їй швидкості.

Рис. 132

Як кінетична, так і потенціальна енергії є величинами відносними. їхні значення істотно залежать від вибору тіл відліку, відносно яких визначається енергія.

Наприклад, кінетична енергія тіла, яке лежить на столі вагона рухомого поїзда, дорівнює нулю відносно стола або вагона, тобто відносно системи відліку, пов’язаної з вагоном. Відносно платформи тіло рухається разом з вагоном, а, отже, має певну кінетичну енергію. Інакше кажучи, тіло відносно системи відліку, пов’язаної з пероном, має деяку кінетичну енергію, відмінну від нуля.

Потенціальна енергія тіла, яке лежить на столі, дорівнює нулю, якщо розглядати його положення відносно поверхні стола. Якщо ж за нульовий рівень обрати рівень підлоги вагона, то тіло буде перебувати на певній висоті відносно цієї підлоги і, отже, матиме певний запас потенціальної енергії, що не дорівнює нулю.

Кінетична і потенціальна енергія — це два види механічної енергії.

Запитання для самоперевірки

1. Про які тіла говорять, що вони володіють енергією?

2. Назвіть одиницю енергії. Поясніть, чому одиниці роботи й енергії однакові.

3. Наведіть приклад, який би свідчив, що тіло, підняте над поверхнею землі, має певну потенціальну енергію.

4. Які існують види механічної енергії?

5. Наведіть приклади тіл, що мають потенціальну енергію; кінетичну енергію.

6. Чи залежить величина кінетичної і потенціальної енергій від вибору системи від ліку? Наведіть приклади.

Завдання 33

1. Яку енергію має куля, що летить? (Не поспішайте з відповіддю!)

2. Чи володіє енергією Місяць? Якщо так, то якими видами енергії?

3. Один учень стверджує, що потенціальна енергія книги, яка лежить на столі, дорівнює нулю, а інший — що книга володіє певною потенціальною енергією, не рівною нулю. Хто з них правий? Чому?

4. Обчисліть кінетичну енергію автомобіля з масою 1 т, який рухається зі швидкістю 72 км/год.

5. Камінь з масою 20 кг перебуває на схилі гори на висоті 100 м відносно поверхні Землі. Обчисліть потенціальну енергію каменя відносно поверхні Землі.

6. Швидкість літака зросла вдвічі. У скільки разів збільшилася його кінетична енергія?

7. Вертоліт підняв вантаж з масою 1 т на висоту 1 км над поверхнею Землі. Визначіть, яку потенціальну енергію набув вантаж відносно Землі і відносно дна шахти завглибшки 200 м.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити