Енергія – це фізична величина, яка проявляється в декількох видах. Визначається вона як здатність виконувати роботу і пов’язана з теплом. Енергія, найчастіше, сприймається в формі кінетичної і потенційної енергії. Тобто вона пов’язана з рухом і потенціалом, який залежить тільки від положення або стану задіяної системи.
Концепція і класифікація енергії
Ще в давнину енергію визначали як властивість або здатність, яку тіла і речовини повинні виробляти навколо себе і які під час перетворень обмінюються через два механізми: у формі роботи або тепла. Правда, тоді ще не знали, що таким чином виконується закон збереження енергії.
Але крім фізичних змін, що проявляються, наприклад, в підйомі об’єкта, його транспортуванні, деформації або нагріванні, енергія також присутня в хімічних змінах, таких як спалювання шматка дерева або розкладання води електричним струмом.
Енергія може бути представлена у вигляді різних перехідних форм:
- теплова;
- механічна;
- хімічна;
- електрична;
- ядерна.
У фізиці найважливіша форма називається механічною енергією. Це сума і визначення потенційної і кінетичної енергії, формула якої:
E = Ek + Wp
Енергія руху
Кінетична енергія тіла – це та, якою тіло володіє завдяки своєму руху. Її визначають як силу, необхідну для прискорення тіла певної маси від спокою до максимальної зазначеної швидкості. Як тільки досягається прискорення, тіло зберігає енергію, якщо швидкість не змінюється. Щоб тіло повернулося в стан спокою, необхідна негативна робота тієї ж величини.
Розрахунок потужності вимірюється по-різному. Для того щоб знайти її кількість можна використовувати онлайн-калькулятор.
Історія та визначення
Ідею зв’язку класичної механіки і кінематичної енергії вперше висунули Готфрід Вільгельм Лейбніц і Даніель Бернуллі. Вчений Грейвсанд з Нідерландів надав експериментальне підтвердження цього зв’язку.
Але перші теоретичні міркування цих ідей приписані Гаспар-Гюстав Коріолісу, який в 1829 році опублікував статтю, де була викладена математика цього процесу. Сам термін з’явився в 1849 році завдяки Вільяму Томсону, більш відомому як лорд Кельвін.
Теорема про кінетичну енергію говорить: зміна кінетичної сили тіла дорівнює роботі рівнодіючої всіх сил, що діють на тіло. Ця теорема справедлива незалежно від того, які сили діють на тіло.
Як і будь-яка фізична величина, яка є функцією швидкості, вона не тільки залежить від внутрішньої природи цього об’єкта, але також залежить від відносин між об’єктом і спостерігачем (у фізиці спостерігач формально визначається класом певною системи координат, що називається інерціальною системою відліку).
Ця енергія деградує і зберігається в кожній трансформації, втрачаючи здатність здійснювати нові трансформації, але вона не може бути створена або зруйнована, тільки трансформована, тому її сума у Всесвіті завжди постійна.
Кінематика системи частинок
Для частинки або для твердого тіла, яке не обертається, кінетична енергія падає до нуля, коли тіло зупиняється. Однак для систем, які містять багато частинок з незалежними рухами, це не зовсім вірно.
Для твердого тіла, яке обертається, повна кінетична сила може бути розбита на дві суми:
- енергія переміщення, пов’язана зі зміщенням центру мас тіла в просторі;
- енергія обертання (з обертальним рухом з певною кутовою швидкістю).
Потенційна енергія
Цей термін був введений в XIX столітті вченим Вільямом Ренкіном і пов’язаний з механічною енергією, яка залежить від розташування тіла в силовому полі (гравітаційне, електростатичне і т.д.) або з наявністю силового поля всередині тіла.
Незалежно від сили, що її породжує, потенційна енергія, якою володіє фізична система, зберігається завдяки своєму положенню і/або конфігурації, в чому і полягає її відмінність з кінетичною енергією.
Значення потенціалу завжди залежить від знаходження або конфігурації, обраної для її вимірювання, тому іноді кажуть, що фізично має значення тільки його зміна відносин між двома конфігураціями.
Сенс потенційної сили пов’язаний з роботою, що виконується силами фізичної системи для переміщення її з одного стану в інший. А її функція буде істотно залежати від типу силового поля або взаємодії, що діє на систему.
Це відноситься, наприклад, до атомної фізики при отриманні електронних станів атома або до молекулярної фізики для отримання таких станів молекули, як:
- електронний;
- вібраційний;
- вібраційно-обертальних;
- обертальний.
В інших більш загальних формулюваннях фізики потенційна функція енергії також відіграє важливу роль. Серед них лагранжева і гамільтонова формулювання механіки.
Гравітаційна сила
Потенційною гравітацією володіють тіла через те, що вони мають масу і знаходяться на певній взаємній відстані. Серед величезних мас діють сили тяжіння. Стосовно, наприклад, до планетарного руху, основна маса Сонячної системи складається з маси Сонця, яка створює гравітаційне силове поле, що впливає на малі маси планет.
Своєю чергою, кожна планета створює таке ж поле, яке впливає на другорядні тіла, що знаходяться на її поверхні. Залежність сили тяжіння від висоти можна зобразити на графіку. При збільшенні маси тіла лінійно збільшується і вона.
Енергія пружної деформації
Еластичність – це властивість певних матеріалів, завдяки якій, бувши деформованими, розтягнутими або відокремленими від свого вихідного положення, вони можуть відновити свій первісний стан або рівновагу.
Багато стародавніх військових машин використовували ці сили для запуску об’єктів на відстані, таких як дуга, яка стріляє стрілою, арбалет або катапульта. Вібрації або коливання матеріальних об’єктів, що викликані пружними силами, є джерелом звукових хвиль. Сили відновлення, коли об’єкт відновлює свою первісну форму практично без будь-якого демпфірування або деформації, є консервативними. В такому випадку може бути отримана пружна сила.
Пружина є прикладом пружного об’єкта, який точно відновлює первісну форму: при розтягуванні вона створює пружну силу, яка прагне повернути її до початкової довжини. Експериментально підтверджено, що ця відновна сила пропорційна розтягнутій довжині пружини. За допомогою закону Гука можна виразити пропорційність між силою і розтягнутою сумою.
Для твердих тіл сила пружності, зазвичай, описується в термінах величини деформації, викликаної розтягувальною силою, що виникає в результаті цього розтягування, що називається пружністю або модулем Юнга. Для рідин і газів це виражається зміною тиску, здатного викликати зміну об’єму, і називається модулем стисливості.
Однією з властивостей пружності твердого тіла або рідини при розтягуванні або деформації є те, що розтягнення або деформація пропорційні прикладеному зусиллю. Тобто для створення подвійного розтягування потрібно подвійна сила. Ця лінійна залежність зміщення від прикладеної сили відома як закон Гука.
Прикладне значення
Потенційна електростатична енергія може зберігатися за допомогою конденсаторів.
Конденсатор – це пристрій, який накопичує енергію всередині. Щоб зберегти електричний заряд, він використовує дві провідні поверхні, як правило, у формі листів або пластин, розділених діелектричним матеріалом (ізолятором). Ці плати є електрично зарядженими при підключенні до джерела живлення.
Дві пластини мають однакову величину, але з різними знаками, причому величина навантаження пропорційна прикладеній різниці потенціалів.
Області застосування конденсаторів численні в області електроніки, і, отже, вони також призначені для побутових приладів. У сучасних технологічних додатках їх використовують:
- у комп’ютерах;
- у засобах зв’язку;
- у відео, аудіоплеєрах тощо.
У цих приладах сучасної технології конденсатори здатні накопичувати електростатичну енергію протягом коротких періодів і з не надто високими значеннями.
