Preden razkrijemo temo "Kako se meri delo", je treba narediti majhno digresijo. Vse na tem svetu se podreja zakonom fizike. Vsak proces ali pojav je mogoče razložiti na podlagi določenih fizikalnih zakonov. Za vsako merjeno količino obstaja enota, v kateri se običajno meri. Merske enote so stalne in imajo enak pomen po vsem svetu.
Razlog za to je naslednji. Leta 1960 je bil na enajsti generalni konferenci za uteži in mere sprejet sistem mer, ki je priznan po vsem svetu. Ta sistem so poimenovali Le Système International d’Unités, SI (SI System International). Ta sistem je postal osnova za določanje merskih enot, sprejetih po vsem svetu, in njihovih razmerij.
Fizikalni izrazi in terminologija
V fiziki se enota za merjenje dela sile imenuje J (Joule) v čast angleškega fizika Jamesa Joula, ki je naredil velik prispevek pri razvoju oddelka termodinamike v fiziki. En Joule je enak delu, ki ga opravi sila enega N (Newton), ko se njena uporaba premakne za en M (meter) v smeri sile. En N (Newton) je enak sili mase enega kg (kilograma) s pospeškom en m/s2 (meter na sekundo) v smeri sile.
Za tvoje informacije. V fiziki je vse medsebojno povezano, opravljanje katerega koli dela vključuje izvajanje dodatnih dejanj. Kot primer lahko vzamemo gospodinjski ventilator. Ko je ventilator priključen, se lopatice ventilatorja začnejo vrteti. Vrtljive lopatice vplivajo na pretok zraka in mu dajejo smerno gibanje. To je rezultat dela. Toda za opravljanje dela je potreben vpliv drugih zunanjih sil, brez katerih delovanje ni mogoče. Sem spadajo električni tok, moč, napetost in številne druge povezane vrednosti.
Električni tok je v svojem jedru urejeno gibanje elektronov v prevodniku na časovno enoto. Električni tok temelji na pozitivno ali negativno nabitih delcih. Imenujejo se električni naboji. Označeno s črkami C, q, Kl (Coulomb), poimenovano po francoskem znanstveniku in izumitelju Charlesu Coulomb. V sistemu SI je merska enota za število nabitih elektronov. 1 C je enaka prostornini nabitih delcev, ki tečejo skozi presek prevodnika na časovno enoto. Enota za čas je ena sekunda. Formula električni naboj je predstavljen na spodnji sliki.
Moč električnega toka označuje črka A (amper). Amper je enota v fiziki, ki označuje merjenje dela sile, ki se porabi za premikanje nabojev vzdolž prevodnika. V svojem bistvu je električni tok urejeno gibanje elektronov v prevodniku pod vplivom elektromagnetno polje. Prevodnik je material ali staljena sol (elektrolit), ki ima majhen upor pri prehodu elektronov. Na moč električnega toka vplivata dva fizikalne količine: napetost in upor. O njih bomo razpravljali spodaj. Jakost toka je vedno premo sorazmerna z napetostjo in obratno sorazmerna z uporom.
Kot je navedeno zgoraj, je električni tok urejeno gibanje elektronov v prevodniku. Vendar obstaja eno opozorilo: za premikanje potrebujejo določen vpliv. Ta učinek nastane z ustvarjanjem potencialne razlike. Električni naboj je lahko pozitiven ali negativen. Pozitivni naboji se vedno nagibajo k negativnim nabojem. To je potrebno za ravnovesje sistema. Razlika med številom pozitivno in negativno nabitih delcev se imenuje električna napetost.
Moč je količina energije, porabljena za opravljanje enega J (joula) dela v časovnem obdobju ene sekunde. Merska enota v fiziki je označena kot W (Watt), v sistemu SI W (Watt). Ker je upoštevana električna energija, je tukaj vrednost porabljene električna energija za izvedbo določeno dejanje v določenem časovnem obdobju.
Mehanski, jedrski, elektromagnetni itd. Vendar bomo za zdaj obravnavali le eno od njegovih oblik - mehansko. Poleg tega se je z vidika zgodovine razvoja fizike začela s preučevanjem sil in dela. Na eni od stopenj razvoja znanosti je bil odkrit zakon o ohranjanju energije.
Pri obravnavi mehanskih pojavov se uporabljata pojma kinetika in Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da energija ne izgine brez sledu, temveč prehaja iz ene vrste v drugo. Lahko se šteje, da je bilo povedano v splošni pogled oblikuje ohranitveni zakon
Najprej je treba opozoriti, da se vsota potenciala in teles imenuje mehanska energija. Poleg tega je treba upoštevati, da ohranitveni zakon velja v odsotnosti zunanji vpliv in dodatne izgube, ki na primer nastanejo zaradi premagovanja odpornih sil. Če je katera od teh zahtev kršena, bo ob spremembi energije prišlo do izgub energije.
Najenostavnejši poskus, ki potrdi podane robne pogoje, lahko izvede vsak sam. Dvignite žogo v višino in jo spustite. Ko bo udaril ob tla, bo skočil in nato spet padel na tla ter spet skočil. Toda vsakič, ko bo višina njenega vzpona vedno manjša, dokler žoga nepremično zamrzne na tleh.
Kaj vidimo v tej izkušnji? Ko žoga miruje in je na višini, ima le potencialno energijo. Ko se začne padec, pridobi hitrost, kar pomeni, da se pojavi kinetična energija. Toda ko padeš, se višina, s katere se je začelo gibanje, zmanjša in s tem postane manjša potencialna energija, tj. se spremeni v kinetično. Če izvedete izračune, se izkaže, da so energijske vrednosti enake, kar pomeni, da je pod takimi pogoji izpolnjen zakon o ohranjanju energije.
Vendar pa gre v takem primeru za kršitve obeh prejšnjih vzpostavljeni pogoji. Žoga se giblje obkrožena z zrakom in doživlja njegov upor, čeprav majhen. In energija se porabi za premagovanje odpora. Poleg tega žoga trči ob tla in se odbije, tj. doživi zunanji vpliv in to je druga kršitev robnih pogojev, ki so nujni za veljavnost zakona o ohranitvi energije.
Sčasoma se bo žogica nehala odbijati in se bo ustavila. Vsa razpoložljiva začetna energija bo porabljena za premagovanje zračnega upora in zunanjih vplivov. Vendar pa bo poleg transformacije energije opravljeno delo za premagovanje sil trenja. To bo povzročilo segrevanje samega telesa. Pogosto količina segrevanja ni zelo pomembna in jo je mogoče določiti le z merjenjem z natančnimi instrumenti, vendar takšna temperaturna sprememba obstaja.
Poleg mehanske obstajajo tudi druge vrste energije - svetlobna, elektromagnetna, kemična. Za vse vrste energije pa velja, da je možen prehod iz ene vrste v drugo in da pri takšnih transformacijah skupna energija vseh vrst ostaja konstantna. To potrjuje univerzalno naravo varčevanja z energijo.
Pri tem moramo upoštevati, da lahko prehod energije pomeni tudi njeno nekoristno izgubo. V primeru mehanskih pojavov bo to dokazano s segrevanjem okolju ali medsebojno delujočih površin.
Tako nam je najpreprostejši mehanski pojav omogočil določitev zakona o ohranitvi energije in robnih pogojev, ki zagotavljajo njegovo izvajanje. Ugotovljeno je bilo, da se energija pretvarja iz obstoječe oblike v katero koli drugo, in razkrita je bila univerzalnost omenjenega zakona.
Zakon o ohranitvi energije pravi, da energija telesa nikoli več ne izgine ali se pojavi, lahko se le preoblikuje iz ene vrste v drugo. Ta zakon je univerzalen. Ima svojo formulacijo v različnih vejah fizike. Klasična mehanika upošteva zakon o ohranitvi mehanske energije.
Poln mehanska energija zaprt sistem fizičnih teles, med katerimi delujejo konservativne sile, je stalna vrednost. Tako je formuliran Newtonov zakon o ohranitvi energije.
Šteje se, da je zaprt ali izoliran fizični sistem, ki ni prizadet zunanje sile. Ni izmenjave energije z okoliškim prostorom in lastno energijo ki ga ima, ostane nespremenjena, torej se ohrani. V takem sistemu delujejo samo notranje sile, telesa pa medsebojno delujejo. V njem lahko pride le do pretvorbe potencialne energije v kinetično energijo in obratno.
Najenostavnejši primer zaprtega sistema sta ostrostrelka in naboj.
Vrste mehanskih sil
Sile, ki delujejo znotraj mehanskega sistema, običajno delimo na konzervativne in nekonservativne.
Konservativen obravnavane so sile, katerih delo ni odvisno od trajektorije telesa, na katerega delujejo, ampak je določeno le z začetnim in končnim položajem tega telesa. Imenujejo se tudi konservativne sile potencial. Delo, ki ga opravijo takšne sile vzdolž zaprte zanke, je enako nič. Primeri konservativnih sil – gravitacija, elastična sila.
Vse druge sile se imenujejo nekonservativni. Tej vključujejo sila trenja in sila upora. Imenujejo se tudi disipativno sile. Te sile med kakršnimi koli gibi v zaprtem mehanskem sistemu opravljajo negativno delo in pod njihovim delovanjem se celotna mehanska energija sistema zmanjša (razprši). Ona gre v druge, ne mehanske vrste energije, na primer v toploto. Zato je zakon o ohranitvi energije v zaprtem mehanskem sistemu lahko izpolnjen le, če v njem ni nekonservativnih sil.
Celotna energija mehanskega sistema je sestavljena iz kinetične in potencialne energije in je njuna vsota. Te vrste energij se lahko transformirajo druga v drugo.
Potencialna energija
Potencialna energija se imenuje energija interakcije fizičnih teles ali njihovih delov med seboj. Določena je z njunim relativnim položajem, to je razdaljo med njima, in je enaka delu, ki ga je potrebno opraviti, da se telo premakne iz referenčne točke v drugo točko v polju delovanja konzervativnih sil.
Vsako negibno fizično telo, dvignjeno na neko višino, ima potencialno energijo, saj nanj deluje gravitacija, ki je konservativna sila. Takšno energijo ima voda na robu slapu in sani na vrhu gore.
Od kod ta energija? Medtem ko je bilo fizično telo dvignjeno na višino, je bilo opravljeno delo in porabljena energija. Prav ta energija je shranjena v dvignjenem telesu. In zdaj je ta energija pripravljena za delo.
Količina potencialne energije telesa je določena z višino, na kateri se telo nahaja glede na nekaj vstopna raven. Za referenčno točko lahko vzamemo katero koli točko, ki jo izberemo.
Če upoštevamo položaj telesa glede na Zemljo, potem je potencialna energija telesa na površini Zemlje enaka nič. In na vrhu h izračuna se po formuli:
E p = m ɡ h ,
Kje m - telesna masa
ɡ - pospešek prosti pad
h – višina središča mase telesa glede na Zemljo
ɡ = 9,8 m/s 2
Ko telo pade z višine h 1 do višine h 2 gravitacija deluje. To delo je enako spremembi potencialne energije in ima negativen pomen, saj se količina potencialne energije zmanjša, ko telo pade.
A = - ( E p2 – E p1) = - ∆ E str ,
Kje E p1 – potencialna energija telesa na višini h 1 ,
E p2 - potencialna energija telesa na višini h 2 .
Če telo dvignemo na določeno višino, potem poteka delo proti gravitacijskim silam. V tem primeru ima pozitivna vrednost. In količina potencialne energije telesa se poveča.
Prožno deformirano telo (stisnjena ali raztegnjena vzmet) ima tudi potencialno energijo. Njena vrednost je odvisna od togosti vzmeti in dolžine, na katero je bila stisnjena ali raztegnjena, in jo določi formula:
E p = k·(∆x) 2 /2 ,
Kje k – koeficient togosti,
∆x – podaljšanje ali stiskanje telesa.
Potencialna energija vzmeti lahko opravi delo.
Kinetična energija
V prevodu iz grščine "kinema" pomeni "gibanje". Energija, ki jo fizično telo prejme zaradi svojega gibanja, se imenuje kinetično. Njegova vrednost je odvisna od hitrosti gibanja.
Nogometna žoga, ki se kotali po igrišču, sani, ki se kotalijo z gore in se še naprej premikajo, puščica, izstreljena z lokom - vse imajo kinetično energijo.
Če telo miruje, je njegova kinetična energija enaka nič. Takoj ko na telo deluje sila ali več sil, se začne premikati. In ker se telo premika, sila, ki deluje nanj, deluje. Delo sile, pod vplivom katerega telo iz stanja mirovanja preide v gibanje in spremeni svojo hitrost od nič do ν , poklical kinetična energija telesna masa m .
Če je bilo telo v začetnem trenutku že v gibanju, je bila njegova hitrost pomembna ν 1 , v zadnjem trenutku pa je bilo enako ν 2 , potem bo delo, ki ga opravi sila ali sile, ki delujejo na telo, enako povečanju kinetične energije telesa.
∆ E k = E k 2 - Ek 1
Če smer sile sovpada s smerjo gibanja, potem pozitivno delo, kinetična energija telesa pa se poveča. In če je sila usmerjena v smeri, ki je nasprotna smeri gibanja, potem se opravi negativno delo in telo oddaja kinetično energijo.
Zakon o ohranitvi mehanske energije
Ek 1 + E p1= E k 2 + E p2
Vsako fizično telo, ki se nahaja na neki višini, ima potencialno energijo. Toda ko pade, začne izgubljati to energijo. Kam gre? Izkazalo se je, da ne izgine nikamor, ampak se spremeni v kinetično energijo istega telesa.
Recimo , tovor je fiksno pritrjen na določeni višini. Njegova potencialna energija na tej točki je enaka največji vrednosti.Če ga spustimo, bo začel padati z določeno hitrostjo. Posledično bo začel pridobivati kinetično energijo. Toda hkrati se bo njegova potencialna energija začela zmanjševati. Na mestu udarca bo kinetična energija telesa dosegla maksimum, potencialna energija pa se bo zmanjšala na nič.
Potencialna energija žoge, vržene z višine, se zmanjša, poveča pa se njena kinetična energija. Sani, ki počivajo na vrhu gore, imajo potencialno energijo. Njihova kinetična energija je v tem trenutku enaka nič. Toda ko se začnejo kotaliti navzdol, se bo kinetična energija povečala, potencialna energija pa zmanjšala za enako količino. In vsota njihovih vrednosti bo ostala nespremenjena. Potencialna energija jabolka, ki visi na drevesu, se ob padcu pretvori v njegovo kinetično energijo.
Ti primeri nazorno potrjujejo zakon o ohranitvi energije, ki pravi, da celotna energija mehanskega sistema je stalna vrednost . Magnituda skupna energija sistem se ne spremeni, ampak potencialna energija prehaja v kinetično in obratno.
Za kolikor se zmanjša potencialna energija, za toliko se poveča kinetična energija. Njihov znesek se ne bo spremenil.
Za zaprt sistem fizičnih teles velja enakost:
E k1 + E p1 = E k2 + E p2,
Kje E k1, E p1
- kinetične in potencialne energije sistema pred kakršno koli interakcijo, E k2 , E p2
- ustrezne energije po njej.
Proces pretvorbe kinetične energije v potencialno in obratno si lahko ogledate tako, da opazujete nihajno nihalo.
Kliknite na sliko
V skrajnem desnem položaju se zdi, da nihalo zamrzne. V tem trenutku je njegova višina nad referenčno točko največja. Zato je tudi potencialna energija največja. In kinetična vrednost je nič, ker se ne premika. Toda v naslednjem trenutku se začne nihalo premikati navzdol. Njegova hitrost se poveča, s tem pa se poveča tudi kinetična energija. Ko pa se višina zmanjšuje, se zmanjšuje tudi potencialna energija. Na najnižji točki bo postala enaka nič, kinetična energija pa bo dosegla največjo vrednost. Nihalo bo preletelo to točko in se začelo dvigovati v levo. Njegova potencialna energija bo začela naraščati, kinetična energija pa se bo zmanjševala. itd.
Da bi prikazal transformacije energije, je Isaac Newton izumil mehanski sistem, imenovan Newtonova zibelka oz Newtonove kroglice .
Kliknite na sliko
Če se odbijete v stran in nato izpustite prvo kroglo, se njena energija in zagon preneseta na zadnjo preko treh vmesnih kroglic, ki bodo ostale negibne. In zadnja krogla se bo odklonila z enako hitrostjo in se dvignila na isto višino kot prva. Potem bo zadnja krogla svojo energijo in zagon preko vmesnih kroglic prenesla na prvo itd.
Žoga, premaknjena vstran, ima največjo potencialno energijo. Njegova kinetična energija je v tem trenutku enaka nič. Ko se začne premikati, izgubi potencialno energijo in pridobi kinetično energijo, ki v trenutku trka z drugo kroglo doseže maksimum in potencialna energija postane enaka nič. Nato se kinetična energija prenese na drugo, nato tretjo, četrto in peto kroglo. Slednji, ki je prejel kinetično energijo, se začne premikati in se dvigne na isto višino, na kateri je bila prva krogla na začetku svojega gibanja. Njegova kinetična energija je v tem trenutku enaka nič, potencialna energija pa je enaka največji vrednosti. Nato začne padati in prenaša energijo na kroglice na enak način v obratnem vrstnem redu.
To traja precej dolgo in bi lahko trajalo v nedogled, če ne bi bilo nekonservativnih sil. Toda v resnici v sistemu delujejo disipativne sile, pod vplivom katerih kroglice izgubijo energijo. Njihova hitrost in amplituda se postopoma zmanjšujeta. In na koncu se ustavijo. To potrjuje, da je zakon o ohranitvi energije izpolnjen le v odsotnosti nekonservativnih sil.
Potencialna energija je precej abstraktna količina, saj bo vsak predmet, ki ima določeno višino nad površjem Zemlje, že imel določeno količino potencialne energije. Izračuna se tako, da se hitrost prostega pada pomnoži z višino nad Zemljo, pa tudi z maso. Če se telo premika, lahko govorimo o prisotnosti kinetične energije.
Formula in opis zakona
Rezultat dodajanja kinetične in potencialne energije v sistemu, zaprtem pred zunanjimi vplivi, katerega deli medsebojno delujejo zaradi sil elastičnosti in gravitacije, se ne spremeni - to je zakon o ohranitvi energije v klasični mehaniki. Formula za ta zakon izgleda takole: Ek1+Ep1=Ek2+Ep2. Tu je Ek1 kinetična energija določenega fizično telo v določenem trenutku in Ep1 - potencial. Enako velja za Ek2 in En2, vendar v naslednjem časovnem obdobju. Toda ta zakon velja le, če je sistem, v katerem deluje, zaprt (ali konzervativen). To nakazuje, da se vrednost skupne mehanske energije ne spremeni, ko na sistem delujejo samo konzervativne sile. Ko pridejo v poštev nekonservativne sile, se del energije spremeni v druge oblike. Takšni sistemi se imenujejo disipativni. Zakon o ohranitvi energije deluje, ko zunanje sile na telo nikakor ne delujejo.
Primer manifestacije zakona
Eden tipičnih primerov, ki ponazarjajo opisano zakonitost, je poskus z jekleno kroglico, ki pade na ploščo iz enake snovi ali na stekleno in se od nje odbije približno na isto višino, kot je bila pred padcem. Ta učinek se doseže zaradi dejstva, da se energija, ko se predmet premika, večkrat pretvori. Sprva se vrednost potencialne energije začne gibati k nič, kinetična energija pa narašča, po trku pa postane potencialna energija elastične deformacije žoge.
To se nadaljuje, dokler se predmet popolnoma ne ustavi, ko se začne premikati navzgor zaradi sil elastične deformacije tako plošče kot padli predmet. Toda hkrati pride v poštev potencialna gravitacijska energija. Ker se šteje, da je žoga približno enake višine, s katere je padla, je kinetična energija v njej enaka. Poleg tega ostaja vsota vseh energij, ki delujejo na premikajoče se telo, enaka med celotnim opisanim procesom, kar potrjuje zakon o ohranitvi celotne mehanske energije.
Elastična deformacija - kaj je to?
Da bi v celoti razumeli navedeni primer, je vredno podrobneje razumeti, kaj je potencialna energija elastično telo- ta koncept pomeni lastnost elastičnosti, ki omogoča, da se, ko so vsi deli danega sistema deformirani, vrnejo v stanje mirovanja in opravljajo nekaj dela na telesih, s katerimi je fizični predmet v stiku. Na delo elastičnih sil ne vpliva oblika tirnice gibanja, saj je delo, opravljeno zaradi njih, odvisno samo od položaja telesa na začetku in koncu gibanja.
Ko delujejo zunanje sile
Toda ohranitveni zakon ne velja za realne procese, v katerih je udeležena sila trenja. Primer bi bil predmet, ki pade na tla. Med trkom se povečata kinetična energija in sila upora. Ta proces ne sodi v okvir mehanike, saj se zaradi naraščajočega upora telesna temperatura dvigne. Iz zgoraj navedenega sledi, da ima zakon o ohranitvi energije v mehaniki resne omejitve.
Termodinamika
Prvi zakon termodinamike pravi: razlika med količino toplote, akumulirane zaradi dela na zunanjih telesih, je enaka spremembi notranje energije danega nekonservativnega termodinamičnega sistema.
Toda ta izjava je najpogosteje oblikovana v drugačni obliki: količina toplote, ki jo prejme termodinamični sistem, se porabi za delo, opravljeno na predmetih zunaj sistema, pa tudi za spreminjanje količine energije v sistemu. Po navedbah ta zakon, ne more izginiti s spreminjanjem ene oblike v drugo. Iz tega sledi, da je ustvarjanje stroja, ki ne porablja energije (tako imenovani večni stroj), nemogoče, saj bo sistem potreboval energijo od zunaj. Toda mnogi so ga še vedno vztrajno poskušali ustvariti, ne da bi upoštevali zakon o ohranjanju energije.
Primer manifestacije ohranitvenega zakona v termodinamiki
Poskusi kažejo, da termodinamičnih procesov ni mogoče obrniti. Primer tega je stik teles z različnimi temperaturami, pri katerem bo bolj vroče oddalo toploto, drugo pa jo sprejelo. Obratni proces je načeloma nemogoč. Drug primer je prenos plina iz enega dela posode v drugega po odprtju pregrade med njima, pod pogojem, da je drugi del prazen. Snov se v tem primeru nikoli ne bo spontano začela premikati v nasprotno smer. Iz navedenega sledi, da vsak termodinamični sistem teži k stanju mirovanja, v katerem so njegovi posamezni deli v ravnotežju in imajo enako temperaturo in pritisk.
Hidrodinamika
Uporaba ohranitvenega zakona v hidrodinamičnih procesih je izražena v principu, ki ga je opisal Bernoulli. Sliši se takole: vsota pritiska kinestetične in potencialne energije na enoto prostornine je enaka na kateri koli dani točki v toku tekočine ali plina. To pomeni, da za merjenje pretoka zadostuje merjenje tlaka na dveh točkah. To se običajno naredi z manometrom. Toda Bernoullijev zakon velja le, če ima zadevna tekočina viskoznost, ki je enaka nič. Za opis toka realnih tekočin se uporablja Bernoullijev integral, ki vključuje dodajanje členov, ki upoštevajo upor.
elektrodinamika
Pri elektrifikaciji dveh teles ostane število elektronov v njiju nespremenjeno, zato je pozitivni naboj enega telesa po velikosti enak negativnemu naboju drugega. Tako zakon o ohranitvi električnega naboja pravi, da se v električno izoliranem sistemu vsota nabojev njegovih teles ne spremeni. Ta izjava velja tudi, ko se nabiti delci transformirajo. Ko torej trčita 2 nevtralno nabita delca, ostane vsota njunih nabojev še vedno enaka nič, saj se poleg negativno nabitega delca pojavi tudi pozitivno nabit.
Zaključek
Zakon o ohranitvi mehanske energije, gibalne količine in navora so temeljni fizikalni zakoni, povezani s homogenostjo časa in njegovo izotropnostjo. Niso omejeni na okvir mehanike in so uporabni tako za procese, ki se dogajajo v vesolju, kot za kvantne pojave. Naravovarstveni zakoni omogočajo pridobivanje podatkov o različnih mehanski procesi ne da bi jih proučevali z enačbami gibanja. Če neki proces v teoriji ignorira ta načela, potem je izvajanje poskusov v tem primeru nesmiselno, saj bodo neučinkoviti.
mehanska energija. Pretvorbe energije
Ker sta gibanje in interakcija medsebojno povezana (interakcija določa gibanje materialnih predmetov, gibanje predmetov pa vpliva na njihovo interakcijo), mora obstajati ena sama mera, ki označuje gibanje in interakcijo snovi.
Energija je ena sama skalarna kvantitativna mera različne oblike gibanje in interakcija snovi. Ustrezajo različne oblike gibanja in interakcije različne vrste energije: mehanske, notranje, elektromagnetne, jedrske itd. Najenostavnejša vrsta energije, ki ustreza najpreprostejši - mehanski - obliki gibanja in interakcije snovi, je mehanska energija.
Eden najbolj pomembne zakone vse naravoslovje je univerzalni zakon o ohranitvi energije. Trdi, da se energija ne pojavi od nikoder in ne izgine brez sledu, temveč le prehaja iz ene oblike v drugo.
Zakon o ohranitvi mehanske energije je poseben primer splošnega zakona o ohranitvi energije.
Celotna mehanska energija materialne točke (delca) in sistema delcev je sestavljena iz dveh delov. Prva komponenta energije delca je določena z njegovim gibanjem, imenujemo jo kinetična energija in se izračuna po formuli
Kje m- masa delcev, 
- njegova hitrost.
Kinetična energija delca se spremeni, če med gibanjem delca nanj deluje(-jo) sila(-e) in opravi delo.
V najpreprostejšem primeru, ko sila 
je konstanten po velikosti in smeri, tir gibanja pa je premočrtna, potem delo A, ki jo naredi ta sila pri premikanju 
, se določi s formulo
Kje s- prevožena razdalja, enaka modulu premika med premočrtnim gibanjem 
,
- skalarni produkt vektorjev 
in 
, ki je enak produktu modulov teh vektorjev in kosinusa kota 
med njimi.
Delo je lahko pozitivno, če kot 
pikantno ( 
90°), negativen, če je kot 
topo (90° 
180°), in je lahko enak nič, če je kot 
ravno ( 
=90°).
Lahko se dokaže, da sprememba kinetične energije 
delca, ko se premakne iz točke 1 v točko 2, je enaka vsoti dela, ki ga opravijo vse sile, ki delujejo na ta delec za določeno gibanje:
, (6.13)
Kje 
- kinetična energija delca na začetni in končni točki, 
- delo na silo 
(jaz=1,
2, ... n) za dani premik.
Kinetična energija sistema 
od n delcev je vsota kinetičnih energij vseh delcev v sistemu. Njena sprememba ob vsaki spremembi konfiguracije sistema, torej poljubnem gibanju delcev, je enaka celotnemu delu 
, ki ga izpopolnijo vse sile, ki delujejo na delce sistema med njihovim gibanjem:
. (6.14)
Druga komponenta mehanske energije je interakcijska energija, imenovana potencialna energija. V mehaniki lahko koncept potencialne energije uvedemo ne za katere koli interakcije, ampak samo za določen razred le-teh.
Naj na vsaki točki v prostoru, kjer se lahko nahaja delec, zaradi interakcije z drugimi telesi nanj deluje sila, ki je odvisna samo od koordinat x, y, z delcev in morda od časa t:
. Potem pravijo, da je delec v polju sile interakcije z drugimi telesi. Primeri: materialna točka, ki se giblje v gravitacijskem polju Zemlje; elektron, ki se giblje v elektrostatičnem polju mirujočega nabitega telesa. V teh primerih sila, ki deluje na delec v vsaki točki prostora, ni odvisna od časa: 
. Takšna polja imenujemo stacionarna.
Če je na primer elektron v električnem polju kondenzatorja, katerega napetost med ploščama se spreminja, potem bo na vsaki točki v prostoru sila odvisna tudi od časa: 
. Tako polje imenujemo nestacionarno.
Sila, ki deluje na delec, se imenuje konzervativna, ustrezno polje pa polje konzervativne sile, če je delo, ki ga ta sila opravi pri premikanju delca vzdolž poljubne zaprte konture, enako nič.
Konservativne sile in pripadajoča polja vključujejo silo univerzalne gravitacije in zlasti silo težnosti (gravitacijsko polje), Coulombovo silo (elektrostatično polje) in elastično silo (polje sil, ki delujejo na telo, pritrjeno na določeno točko). z elastično povezavo).
Primeri nekonservativnih sil so sila trenja, sila upora medija na gibanje telesa.
Samo za interakcije, ki ustrezajo konzervativnim silam, je mogoče uvesti koncept potencialne energije.
Pod potencialno energijo 
mehanski sistem razumemo kot količino, katere zmanjšanje (razlika med začetno in končno vrednostjo) ob poljubni spremembi konfiguracije sistema (sprememba položaja delcev v prostoru) je enako delu 
, ki ga izvajajo vse notranje konzervativne sile, ki delujejo med delci tega sistema:
, (6.15)
Kje 
- potencialna energija sistema v začetni in končni konfiguraciji.
Upoštevajte, da zmanjšanje 
enako z nasprotnim predznakom prirastka (sprememba) 
potencialno energijo in zato zvezo (6.15) lahko zapišemo v obliki
. (6.16)
Ta definicija potencialne energije sistema delcev omogoča iskanje njene spremembe, ko se spremeni konfiguracija sistema, ne pa tudi vrednosti potencialne energije samega sistema za dano konfiguracijo. Zato je v vseh posebnih primerih dogovorjeno, pri kakšni konfiguraciji sistema (ničelni konfiguraciji) je njegova potencialna energija 
je enak nič ( 
). Nato potencialna energija sistema za katero koli konfiguracijo 
, iz (6.15) pa sledi, da
, (6.17)
to pomeni, da je potencialna energija sistema delcev določene konfiguracije enaka delu 
, ki ga dosežejo notranje konzervativne sile pri spreminjanju konfiguracije sistema iz dane na nič.
Predpostavlja se, da je potencialna energija telesa, ki se nahaja v enotnem gravitacijskem polju blizu zemeljske površine, enaka nič, ko je telo na zemeljski površini. Nato potencialna energija privlačnosti telesa na višini do Zemlje h, enako delu gravitacije 
, ki se izvaja pri premikanju telesa s te višine na površino Zemlje, to je na daljavo h navpično:
Potencialna energija telesa, ki je z elastično zvezo (vzmetjo) pritrjeno na fiksno točko, je enaka nič, če je zveza nedeformirana. Potem je potencialna energija elastično deformiranega (raztegnjenega ali stisnjenega za količino 
) vzmeti s koeficientom togosti k enako
. (6.19)
Potencialna energija gravitacijske interakcije materialnih točk in elektrostatične interakcije točkastih nabojev velja za nič, če so te točke (naboji) med seboj neskončno oddaljene. Zato je energija gravitacijske interakcije materialnih točk z masami 
in 
, ki se nahaja na daljavo r drug od drugega je enako delu, ki ga opravi sila univerzalne gravitacije 
, popoln pri spreminjanju razdalje x med točkami od x=r prej 
:
. (6.20)
Iz (6.20) sledi, da se potencialna energija gravitacijske interakcije materialnih točk z določeno izbiro ničelne konfiguracije (neskončna razdalja) izkaže za negativno, ko so točke nameščene na končni razdalji druga od druge. To je posledica dejstva, da je sila univerzalne gravitacije privlačna sila in je njeno delo, ko se točke odmikajo druga od druge, negativno. Negativnost potencialne energije pomeni, da ko ta sistem preide iz poljubne konfiguracije v nič (pri premikanju točk s končne razdalje na neskončno), se njegova potencialna energija poveča.
Podobno je potencialna energija elektrostatične interakcije točkastih nabojev v vakuumu enaka
(6.21)
in negativno za privabljanje drugačnih nabojev (znaki 
in 
drugačen) in pozitiven za odboj istoimenskih nabojev (znaki 
in 
so enaki).
Skupna mehanska energija sistema (mehanska energija sistema) 
imenujemo vsota njegove kinetične in potencialne energije
. (6.22)
Iz (6.22) sledi, da je sprememba celotne mehanske energije sestavljena iz sprememb njene kinetične in potencialne energije.
Zamenjajmo formuli (6.14) in (6.16) v formulo (6.33). V formuli (6.14) skupno delo 
Predstavimo vse sile, ki delujejo na točke sistema, kot vsoto dela sil zunaj obravnavanega sistema, 
in delo notranje sile, ki pa je sestavljen iz dela notranjih konservativnih in nekonservativnih sil, 
:
Po zamenjavi to dobimo
Za zaprt sistem 
0. Če je sistem tudi konservativen, torej v njem delujejo samo notranje konservativne sile, potem 
=0. V tem primeru ima enačba (6.24) obliko 
, kar pomeni, da
Enačba (6.2) je matematični prikaz zakona o ohranitvi mehanske energije, ki pravi: skupna mehanska energija zaprtega konzervativnega sistema je konstantna, kar pomeni, da se s časom ne spreminja.
Pogoj 
0 je izpolnjeno, če v sistemu delujejo tudi nekonservativne sile, vendar je njihovo delo enako nič, kot na primer ob prisotnosti sil statičnega trenja. V tem primeru za zaprt sistem velja tudi zakon o ohranitvi mehanske energije.
Upoštevajte, da ko 
posamezne komponente mehanske energije: ni treba, da kinetična in potencialna energija ostaneta konstantni. Spreminjajo se lahko, kar spremlja opravljanje dela konzervativnih notranjih sil, spreminjajo pa se potencialna in kinetična energija. 
in 
enaki po velikosti in nasprotni po predznaku. Na primer, zaradi dela, ki ga na delce sistema izvajajo notranje konzervativne sile, se bo njegova kinetična energija povečala, hkrati pa se bo njegova potencialna energija zmanjšala za enako količino.
Če nekonzervativne sile opravljajo delo v sistemu, potem to nujno spremljajo medsebojne transformacije mehanske in drugih vrst energije. Tako opravljanje dela nekonservativnih sil drsnega trenja ali upora medija nujno spremlja sproščanje toplote, to je prehod dela mehanske energije v notranjo (toplotno) energijo. Nekonzervativne sile, katerih delo vodi do prehoda mehanske energije v toplotno, imenujemo disipativne, proces prehoda mehanske energije v toplotno pa disipacija mehanske energije.
Obstaja veliko nekonservativnih sil, katerih delo, nasprotno, vodi do povečanja mehanske energije sistema zaradi drugih vrst energije. Na primer, kot posledica kemičnih reakcij eksplodira projektil; v tem primeru drobci prejmejo povečanje mehanske (kinetične) energije zaradi dela nekonzervativne tlačne sile plinov, ki se širijo - produktov eksplozije. V tem primeru je z delom nekonservativnih sil prišlo do prehoda kemične energije v mehansko. Diagram medsebojnih transformacij energije pri delu, ki ga opravljajo konzervativne in nekonservativne sile, je prikazan na sliki 6.3.
Tako je delo kvantitativna mera pretvorbe ene vrste energije v drugo. Delo konservativnih sil je enako količini potencialne energije, pretvorjene v kinetično ali obratno (skupna mehanska energija se ne spremeni), delo nekonservativnih sil je enako količini mehanske energije, pretvorjene v druge vrste energijo ali obratno.
Slika 6.3 - Shema energetskih transformacij.
Univerzalni zakon o ohranitvi energije je pravzaprav zakon o neuničljivosti gibanja v naravi, zakon o ohranitvi mehanske energije pa je zakon o neuničljivosti mehanskega gibanja pod določenimi pogoji. Sprememba mehanske energije, kadar ti pogoji niso izpolnjeni, ne pomeni uničenja gibanja ali njegovega pojava od nikoder, temveč kaže na preoblikovanje enih oblik gibanja in interakcije snovi v druge.
Bodimo pozorni na razliko v zapisu infinitezimalnih količin. na primer dx označuje neskončno majhen prirastek koordinate, 
- hitrost, dE- energija, infinitezimalno delo pa je označeno z 
. Ta razlika ima globok pomen. Koordinate in hitrost delca, njegova energija in številne druge fizikalne količine so funkcije stanja delca (sistema delcev), torej so določene s trenutnim stanjem delca (sistema delcev) in niso odvisne od kakšna so bila prejšnja stanja in na poti je delec (sistem) dosegel trenutno stanje. Spremembo takšne količine lahko predstavimo kot razliko med vrednostmi te količine v končnem in začetnem stanju. Infinitezimalno spremembo takšne količine (funkcije stanja) imenujemo totalni diferencial in za količino X označen z dX.
Enake količine kot delo ali količina toplote ne označujejo stanja sistema, temveč način, na katerega je bil izveden prehod iz enega stanja sistema v drugega. Na primer, nima smisla govoriti o delu, ki ga opravi sistem delcev v danem stanju, lahko pa govorimo o delu, ki ga opravijo sile, ki delujejo na sistem med njegovim prehodom iz enega stanja v drugo. Tako nima smisla govoriti o razliki v vrednostih takšne količine v končnem in začetnem stanju. Neskončno majhna količina Y, ki ni funkcija države, je označena 
.
Posebnost funkcij stanja je, da so njihove spremembe v procesih, v katerih se sistem, ko je zapustil začetno stanje, vanj vrne, enake nič. Mehansko stanje sistema delcev določajo njihove koordinate in hitrosti. Torej, če se zaradi nekega procesa mehanski sistem vrne v prvotno stanje, potem koordinate in hitrosti vseh delcev v sistemu prevzamejo svoje prvotne vrednosti. Tudi mehanska energija kot količina, ki je odvisna samo od koordinat in hitrosti delcev, bo dobila prvotno vrednost, torej se ne bo spremenila. Hkrati bo delo, ki ga opravijo sile, ki delujejo na delce, različno od nič, njegova vrednost pa se lahko spreminja glede na vrsto trajektorij, ki jih opisujejo delci sistema.
