Закон збереження і перетворення енергії в механіці.

 

Зміну кінетичної енергії системи тіл зумовлено роботою всіх сил, що діють на систему: і консервативних сил і неконсервативних.

(1)

- алгебраїчна сума робіт всіх консервативних сил, що діють в системі.

- аналогічно, сума неконсервативних сил.

Робота виконана консервативними силами визначається співвідношенням

(2)

Система

 

 

Підставивши (2) в (1), отримаємо

- повна механічна енергія системи в стані ІІ.

- повна механічна енергія системи в стані І.

Або

(3)

- повна механічна енергія системи в початковому стані.

- повна механічна енергія системи в кінцевому стані.

Отже, перетворення повної механічної енергії системи при її переході з одного механічного стану в інший дорівнює роботі всіх неконсервативних сил, що діють на тіла в системі в процесі цього переходу.

Це твердження – формулювання закону перетворення механічної енергії.

Робота, виконувана неконсервативними силами, завжди характеризує, чи перетворення механічної енергії в інші види, чи навпаки, перетворення не механічних видів енергії в механічну.

Наприклад:

Робота сил тертя характеризує перетворення механічної енергії в внутрішню.

Робота, яку виконує газ при розширенні характеризує перетворення внутрішньої енергії в механічну.

Таким чином, робота є міра перетворення одного виду енергії в іншій – це фізичний зміст роботи.

Закон збереження механічної енергії є окремим випадком загального закону збереження енергії і виконується якщо система:

a) Замкнута.

b) Консервативна.

Умова (а) означає, що на систему не діють зовнішні неконсервативні сили і тому система не обмінюється рухом(енергією) із зовнішнім середовищем.

Умова (b) означає, що в системі не діють внутрішні неконсервативні сили і тому внутрішня енергія системи не перетворюється в інші види.

Будь-яка механічна система буде консервативною, якщо зовнішні сили не змінюються з часом і потенціальні, а всі внутрішні сили також потенціальні.

Отже, якщо , і , тоді

(4) - закон збереження повної механічної енергії.

Повна механічна енергія замкнутої консервативної системи є величина постійна.

Закон збереження енергії не залежить від виду траєкторії та характеру діючих сил.

Закон збереження і перетворення енергії – загальний закон природи, у відповідності з яким енергія будь-якої замкнутої системи при всіх процесах, що проходять в системі, залишається незмінною(зберігається). При цьому енергія може тільки перетворюватися із однієї форми в іншу і перерозподілятися між частинами системи. Для незамкнутої системи збільшення(зменшення) її енергії дорівнює зменшенню(збільшенню) енергії взаємодіючих з нею тіл і фізичних полів.

Збереження енергії в замкнутій системі пов’язано в однорідністю часу. Однорідність часу полягає в тому, що всі явища в замкнутій системі за однакових початкових умов будуть протікати однаково незалежно від того, в який момент часу ці початкові умови створені.

 

Космічні швидкості.

 

Перша космічна швидкість – це швидкість, яку необхідно надати тілу в горизонтальному напрямку, щоб воно стало штучним супутником Землі.

Для того, щоб тіло рухалось поблизу Землі, по кругловій орбіті, тобто стало штучним супутником Землі(ШСЗ) необхідно, щоб доцентрова сила дорівнювала силі тяжіння.

=>

Друга космічна швидкість – це швидкість, яку необхідно надати тілу, для того, щоб воно штучним супутником Сонця.

Для цього тілу потрібно надати таку кінетичну енергію, яка дорівнювала б роботі по переміщенню тіла з земної поверхні на нескінченність(практично за межі помітного виміру земного тяжіння). Межі земного тяжіння дорівнюють радіусу Землі.

 

Третя космічна швидкість – це швидкість необхідна для подолання тіла притягання Сонця.

Для цього тілу необхідно надати кінетичну енергію, що дорівнює роботі по переміщенню тіла із земної орбіти на нескінченність. Очевидно, що ця робота дорівнює потенціальній енергії тіла, що знаходиться в полі тяжіння Сонця на відстані земної орбіти від Сонця.

=>

де - швидкість тіла відносно Сонця.

Швидкість – це швидкість тіла відносно сонця, але її можна надати у напрямі дотичної до земної орбіти у напрямі руху Землі. Адже в цьому напрямі тіло має відносно Сонця орбітальну швидкість Землі(29,8 км/с), тому відносно Землі достатньо надати тілу швидкість

 

Але при цьому треба врахувати, що швидкість , тіло повинно мати після виходу з поля тяжіння Землі. Тому початкова швидкість відльоту тіла з земної поверхні повинна бути дещо більша . Для визначення будемо виходити з таких міркувань.

Для подолання земного тяжіння, зберігаючи при цьому швидкість , тіло повинно мати кінетичну енергію , що дорівнює сумі потенціальної енергії на земній поверхні і кінетичної енергії тіла . Тоді на основі заходу збереження енергії можемо записати:

=>

Четверта космічна швидкість. Маючи земне тіло могло б подолати тяжіння Галактики і піти у Всесвіт. Точний розрахунок четвертої космічної швидкості складний. Тому ми обмежимось приблизною оцінкою її величини, виходячи з таких міркувань.

Астрономічні спостереження показують, що серед зірок, які рухаються навколо центра Галактики на ті й же відстані, що і Сонце, не існує ні однієї зорі, швидкість якої перевищувала б 285 км/с(Саме Сонце має швидкість 220 км/с). Це зумовлено, ймовірно, тим, що швидкість 285 км/с і є та найбільша швидкість при якій зірки можуть залишатись в межах Галактики. При більшій швидкості вони вже не утримуються нашою зірковою системою. Отже четверта космічна швидкість повинна бути дещо більшою 285 км/с, і як показують розрахунки астрофізиків, приблизно дорівнює 290 км/с.