Główna zawartość
Kurs: Fizyka w szkole średniej > Rozdział 5
Lekcja 6: Zasada zachowania energiiPrzegląd wiadomości na temat zasady zachowania energii
Przypomnij sobie, na czym polega zasada zachowania energii, co to jest energia mechaniczna i jak w bilansie energii uwzględnić pracę sił niezachowawczych. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości.
Pojęcia kluczowe
Pojęcie lub termin (oznaczenie) | Wyjaśnienie |
---|---|
Zasada zachowania energii | Energii nie można zniszczyć, nie można jej także stworzyć. Energia może jedynie zmienić swoją postać lub przepłynąć z jednego układu do drugiego. W izolowanym układzie suma wszystkoch rodzajów energii jest stała, nie zmienia się w czasie. |
Energia mechaniczna ( | Suma energii kinetycznej i potencjalnej . W układzie SI jednostką energii jest dżul ( |
Zasada zachowania energii mechanicznej | Szczególny przypadek zasady zachowania energii. Jeśli na układ działają siły zachowawcze, to jego całkowita energia mechaniczna jest zachowana, nie zmienia się w czasie. |
Energia termiczna | Energia wewnętrzna cząstek, z których zbudowane są ciała, stanowiące elementy układu, powiązana bezpośrednio z temperaturą. |
Praca sił niezachowawczych ( | Praca wykonana przez siły niezachowawcze. Przykładem może być praca sił tarcia, która zamienia się na energię termiczną. W układzie SI jednostką pracy jest dżul ( |
Równania
Równanie | Wyjaśnienie symboli | Interpretacja fizyczna |
---|---|---|
Energia mechaniczna jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej. | ||
Sformułowanie zasady zachowania energii mechanicznej. W układzie, z którym działają siły zachowawcze całkowita energia mechaniczna jest zachowana. | ||
Zmiana całkowitej energii mechanicznej układu równa się pracy wykonanej nad układem przez siły niezachowawcze.. |
Jak zapisać równanie bilansu energii?
Równanie bilansu energii
jest prawdziwe w każdej sytuacji, ale jego forma może zależeć od danego problemu i sił oraz form energii, które są z nim związane. Zapisując równanie bilansu energii w konkretnych przypadku, warto wykorzystać te wskazówki:
- Zebrać dostępną informację. Zidentyfikować układ i zebrać dostępną informację na temat stanu poszczególnych jego elementów, pamiętając o tym, że energia potencjalna i praca są pojęciami, które mogą zależeć od więcej niż jednego elementu badanego układu.
- Określić stan początkowy i stan końcowy układu i przypisać im odpowiednio energię kinetyczną i potencjalną. Zasada zachowania energii pozwala zapisać jedno równanie bilansu energii, z którego można wyznaczyć jedną nieznaną wielkość.
- Energia potencjalna określona jest w całej przestrzeni z dokładnością do stałej, ponieważ znaczenie ma nie jej wartości w danym punkcie, a różnica energii potencjalnej między dwoma punktami. Warto wykorzystać tę swobodę i na przykład przypisać punktowi najniższej energii potencjalnej wartość zero. W przypadku jednorodnego pola grawitacyjnego oznaczać to będzie, że mierzymy wysokość od najniższego poziomu, którego wysokość ustalamy jako równą zero. W ten sposób z równania bilansu energii pozbywamy się jednego składnika.
- Jeśli w układzie działają tylko siły zachowawcze, albo przyjęcie takiego założenia jest dobrym przybliżeniem (przykładem są układy, w których można pominąć wpływ sił tarcia lub sił oporu), bilans energii zapisujemy w formie równania opisującego zachowanie energii mechanicznej układu:
Jeśli siły niezachowawcze mają istotny wpływ na zachowanie się układu, do równania bilansu energii dodajemy człon pracy sił niezachowawczych :
- W równaniu można pominąć człony równe zero, na przykład energię kinetyczną elementów znajdujących się w stanie początkowym lub końcowym w spoczynku.
Często spotykane błędy i nieporozumienia
- W praktyce najczęściej porównujemy energię układu w początkowej i końcowej chwili danego procesu. W międzyczasie energia całkowita, choć pozostaje stała, może przyjmować różne formy i rozkładać się w różny sposób pomiędzy elementami układu.
Na przykład, przeanalizujmy co dzieje się z energią w przypadku, gdy puszczamy znajdującą się na pewnej wysokości piłkę na położoną pod nią sprężynę tak, jak na rysunku 1. W układzie składającym się z piłki poruszającej się w polu grawitacyjnym Ziemi i sprężyny, w chwili początkowej puszczamy piłkę (opis po lewej stronie), a w chwili końcowej piłka zatrzymuje się w najniższym punkcie (opis po prawej stronie). W chwili początkowej piłka ma energię potencjalną , a sprężyna jest swobodna, a w chwili końcowej energia potencjalna piłki, liczona względem poziomu, na którym się zatrzymała, jest równa zero, natomiast sprężyna posiada energię potencjalną sprężystości .
Zasada zachowania energii pozwala nam przyrównać początkową energię potencjalną piłki, liczoną względem poziomu, na którym się zatrzymała, do energii sprężystości maksymalnie ściśniętej sprężyny:
Wprawdzie piłka porusza się w trakcie tego procesu, ale jej energia kinetyczna w stanie początkowym i w stanie końcowym równa się zero.
- Czasem ktoś myli się, sądząc że zachowana jest energia danego obiektu. Całkowita energia jest zachowana, ale poszczególne elementy układu mogą ją sobie przekazywać w różnej formie.
An example of this would be pushing a friend on a sled. Your friend was initially at rest, but after the push he has kinetic energy. Your pushing force transferred energy to the friend.
Dowiedz się więcej
Aby dowiedzieć się więcej o zasadzie zachowania energii obejrzyj film na ten temat.
Jeśli chcesz sprawdzić, czy dobrze rozumiesz ten materiał, spróbuj wykonać ćwiczenia o interpretacji zasady zachowania energii i o opartych o nią obliczeniach.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji