استخدام قانون حفظ الطاقة. قانون الحفاظ على الطاقة. معنى قانون حفظ الطاقة الميكانيكية

إجمالي الطاقة الميكانيكية للنظام () هي طاقة الطاقة الميكانيكية والتفاعل:

أين - الطاقة الحركيةجسم؛ هي الطاقة الكامنة للجسم.

تم إنشاء قانون حفظ الطاقة كنتيجة لتعميم البيانات التجريبية. تعود فكرة مثل هذا القانون إلى M.V. لومونوسوف ، الذي قدم قانون حفظ المادة والحركة. من الناحية الكمية ، تمت صياغة القانون من قبل الطبيب الألماني ج. ماير وعالم الطبيعة. هيلمهولتز.

صياغة قانون حفظ الطاقة الميكانيكية

إذا كانت القوى المحافظة فقط تعمل في نظام من الأجسام ، فإن الطاقة الميكانيكية الكلية تظل دون تغيير بمرور الوقت. تسمى القوى (المحتملة) بالقوى التي لا يعتمد عملها: على نوع المسار ، والنقطة التي تطبق عليها هذه القوى ، والقانون الذي يصف حركة هذا الجسم ، ويتم تحديده حصريًا من خلال النقاط الأولية والنهائية من مسار الجسم (نقطة مادية)).

الأنظمة الميكانيكية التي تعمل فيها القوى المحافظة بشكل حصري تسمى الأنظمة المحافظة.

صياغة أخرى لقانون حفظ الطاقة الميكانيكية هي كما يلي:

بالنسبة للأنظمة المحافظة ، فإن إجمالي الطاقة الميكانيكية للنظام هو قيمة ثابتة.

الصيغة الرياضية لقانون حفظ الطاقة الميكانيكية هي:

معنى قانون حفظ الطاقة الميكانيكية

يرتبط هذا القانون بخاصية التجانس الزمني. ماذا يعني ثبات قوانين الفيزياء فيما يتعلق باختيار بداية المرجع الزمني.

في الأنظمة التبديدية ، تنخفض الطاقة الميكانيكية ، حيث يتم تحويل الطاقة الميكانيكية إلى أشكالها غير الميكانيكية. هذه العملية تسمى تبديد (تبديد) الطاقة.

في الأنظمة المحافظة ، تكون الطاقة الميكانيكية الكلية ثابتة. هناك انتقالات للطاقة الحركية إلى طاقة كامنة والعكس صحيح. وبالتالي ، فإن قانون الحفاظ على الطاقة الميكانيكية لا يعكس فقط الحفاظ على الطاقة من الناحية الكمية ، بل يشير إلى الجانب النوعي للتحول المتبادل أشكال مختلفةحركات تجاه بعضها البعض.

قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها هو قانون أساسي من قوانين الطبيعة. يتم إجراؤه في العالمين الكلي والجزئي.

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1

مثال 2

الطاقة الكامنة هي بالأحرى كمية مجردة ، لأن أي جسم له ارتفاع معين فوق سطح الأرض سيكون لديه بالفعل كمية معينة من الطاقة الكامنة. يتم حسابها بضرب سرعة السقوط الحر بالارتفاع فوق الأرض وكذلك بالكتلة. إذا كان الجسم يتحرك ، فيمكننا التحدث عن وجود الطاقة الحركية.

صيغة القانون ووصفه

نتيجة إضافة الطاقة الحركية والوضعية بشكل مغلق تأثير خارجيالنظام ، الذي تتفاعل أجزائه بسبب قوى المرونة والجاذبية ، لا يتغير - هذا هو قانون حفظ الطاقة في الميكانيكا الكلاسيكية. تبدو صيغة هذا القانون كما يلي: Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2. هنا Ek1 هي الطاقة الحركية لجسم مادي معين في لحظة معينة من الزمن ، و Ep1 هي الطاقة الكامنة. وينطبق الشيء نفسه على Ek2 و Ep2 ، ولكن بالفعل في الفترة الزمنية التالية. لكن هذا القانون صحيح فقط إذا كان النظام الذي يعمل فيه مغلقًا (أو محافظًا). يشير هذا إلى أن قيمة إجمالي الطاقة الميكانيكية لا تتغير عندما تعمل القوى المحافظة فقط على النظام. عندما تلعب القوى غير المحافظة دورها ، فإن بعض الطاقة تتغير وتتخذ أشكالًا أخرى. تسمى هذه الأنظمة التبديدية. يعمل قانون حفظ الطاقة عندما لا تؤثر القوى الخارجية على الجسم بأي شكل من الأشكال.

مثال على تجلي القانون

أحد الأمثلة النموذجية التي توضح القانون الموصوف هو تجربة كرة من الصلب ، التي تسقط على لوح من نفس المادة أو على الزجاج ، وترتد منها تقريبًا إلى نفس الارتفاع الذي كانت عليه قبل السقوط. هذا التأثيريتم تحقيقه بسبب حقيقة أنه عندما يتحرك الجسم ، يتم تحويل الطاقة عدة مرات. في البداية ، تبدأ قيمة الطاقة الكامنة في الميل إلى الصفر ، بينما تزداد الطاقة الحركية ، ولكن بعد الاصطدام تصبح الطاقة الكامنة للتشوه المرن للكرة.

يستمر هذا حتى يتوقف الكائن تمامًا ، وعند هذه النقطة يبدأ حركته الصعودية بسبب قوى التشوه المرنة لكل من اللوحة والجسم الساقط. لكن في الوقت نفسه ، تلعب الطاقة الكامنة للجاذبية دورًا. نظرًا لأنه من المفهوم أن الكرة في هذه الحالة هي نفس الارتفاع الذي سقطت منه تقريبًا ، فإن الطاقة الحركية فيها هي نفسها. بالإضافة إلى ذلك ، يظل مجموع كل الطاقات التي تعمل على جسم متحرك كما هو خلال العملية الموصوفة بأكملها ، مما يؤكد قانون حفظ الطاقة الميكانيكية الكلية.

تشوه مرن - ما هو؟

من أجل فهم المثال أعلاه بشكل كامل ، من المفيد أن نفهم بمزيد من التفصيل ماهية الطاقة الكامنة. جسم مرن- يعني هذا المفهوم امتلاك المرونة ، والتي ، عندما تتشوه ، تسمح لجميع أجزاء نظام معين بالعودة إلى حالة الراحة ، والقيام ببعض الأعمال على الأجسام التي يتلامس معها الجسم المادي. لا يتأثر عمل القوى المرنة بشكل مسار الحركة ، لأن العمل الذي يتم بسببها يعتمد فقط على موضع الجسم في بداية الحركة وفي نهايتها.

عندما تعمل القوى الخارجية

لكن قانون الحفظ لا ينطبق على العمليات الحقيقية التي تشارك فيها قوة الاحتكاك. مثال على ذلك كائن يسقط على الأرض. أثناء الاصطدام ، تزداد الطاقة الحركية وقوة السحب. لا تتناسب هذه العملية مع إطار الميكانيكا ، حيث ترتفع درجة حرارة الجسم بسبب زيادة المقاومة. مما سبق ، فإن الاستنتاج يتبع أن قانون الحفاظ على الطاقة في الميكانيكا له قيود خطيرة.

الديناميكا الحرارية

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن الفرق بين كمية الحرارة المتراكمة بسبب العمل المنجز على الأجسام الخارجية يساوي التغير في الطاقة الداخلية لنظام ديناميكي حراري غير متحفظ.

ولكن غالبًا ما تتم صياغة هذا البيان في شكل مختلف: يتم إنفاق كمية الحرارة التي يتلقاها النظام الديناميكي الحراري على العمل المنجز على أشياء خارج النظام ، وكذلك على تغيير كمية الطاقة داخل النظام. وفقًا لهذا القانون ، لا يمكن أن تختفي بالتغيير من شكل إلى آخر. من هذا يستنتج أن إنشاء آلة لا تستهلك الطاقة (ما يسمى بآلة الحركة الدائمة) أمر مستحيل ، لأن النظام سيحتاج إلى طاقة من الخارج. لكن الكثيرين ما زالوا يحاولون بإصرار إنشائه ، دون مراعاة قانون الحفاظ على الطاقة.

مثال على مظهر من مظاهر قانون الحفظ في الديناميكا الحرارية

تظهر التجارب أن العمليات الديناميكية الحرارية لا يمكن عكسها. مثال على ذلك هو ملامسة أجسام ذات درجات حرارة مختلفة ، والتي عندها ستطلق الحرارة الأعلى حرارة ، وتتلقى الثانية الحرارة. العملية العكسية مستحيلة من حيث المبدأ. مثال آخر هو انتقال الغاز من جزء من الإناء إلى جزء آخر بعد فتح فاصل بينهما بشرط أن يكون الجزء الثاني فارغًا. المادة في هذه الحالة لن تبدأ أبدًا في التحرك في الاتجاه المعاكس تلقائيًا. يترتب على ما سبق أن أي نظام ديناميكي حراري يميل إلى حالة من الراحة ، حيث تكون أجزائه الفردية في حالة اتزان ولها نفس درجة الحرارة والضغط.

الديناميكا المائية

يتم التعبير عن تطبيق قانون الحفظ في العمليات الهيدروديناميكية في المبدأ الذي وصفه برنولي. يبدو الأمر على هذا النحو: مجموع ضغط كل من الطاقة الحركية والطاقة الكامنة لكل وحدة حجم هو نفسه في أي نقطة مفردة في تدفق سائل أو غاز. هذا يعني أنه لقياس معدل التدفق ، يكفي قياس الضغط عند نقطتين. عادة ما يتم ذلك باستخدام مقياس ضغط. لكن قانون برنولي صالح فقط إذا كان السائل المعني له لزوجة صفرية. من أجل وصف تدفق السوائل الحقيقية ، يتم استخدام تكامل برنولي ، والذي يتضمن إضافة المصطلحات التي تأخذ في الاعتبار المقاومة.

الديناميكا الكهربائية

أثناء كهربة جسمين ، يظل عدد الإلكترونات فيهما دون تغيير ، بسبب الشحنة الموجبة لجسم واحد تساوي القيمة المطلقة للشحنة السالبة للجسم الآخر. وهكذا ، فإن قانون حفظ الشحنة الكهربائية يقول ذلك بالكهرباء نظام معزولمجموع التهم على أجسامها لا يتغير. هذه العبارة صحيحة أيضًا عندما تخضع الجسيمات المشحونة لتحولات. وهكذا ، عندما يصطدم جسيمان مشحونان محايدًا ، يظل مجموع شحناتهما مساويًا للصفر ، حيث يظهر الجسيم المشحون إيجابياً جنبًا إلى جنب مع الجسيم المشحون سالبًا.

خاتمة

قانون حفظ الطاقة الميكانيكية والزخم والزخم هي القوانين الفيزيائية الأساسية المرتبطة بتجانس الوقت وتناحيه. لا يقتصر الأمر على إطار الميكانيكا ويمكن تطبيقه على كل من العمليات التي تحدث في الفضاء الخارجي والظواهر الكمومية. تتيح قوانين الحفظ الحصول على بيانات حول العمليات الميكانيكية المختلفة دون دراستها باستخدام معادلات الحركة. إذا تجاهلت بعض العمليات النظرية هذه المبادئ ، فلا جدوى من إجراء تجارب في هذه الحالة ، لأنها ستكون غير فعالة.

بشكل عام ، يمتلك الجسم طاقة حركية وطاقة كامنة في نفس الوقت. مجموعهم يسمى طاقة ميكانيكية كاملة:

E \ u003d E k + E · p (15.1)

تم تقديم هذا المفهوم في عام 1847 من قبل العالم الألماني جي هيلمهولتز البالغ من العمر 26 عامًا.

ماذا يحدث لإجمالي الطاقة الميكانيكية أثناء تحرك الجسم؟ لمعرفة ذلك ، فكر في ظاهرة بسيطة.

اقذف الكرة عموديًا لأعلى. من خلال إعطاء سرعة الكرة ، فإننا ننقل إليها بعض الطاقة الحركية. عندما تتحرك الكرة لأعلى ، ستتباطأ حركتها بفعل جاذبية الأرض والسرعة ، ومعها ستقل الطاقة الحركية للكرة. ستزداد الطاقة الكامنة للكرة مع الارتفاع h في هذه الحالة. عند أعلى نقطة في المسار (عند أقصى ارتفاع) ، ستصل الطاقة الكامنة للكرة إلى أقصى قيمتها ، وستكون الطاقة الحركية مساوية للصفر. بعد ذلك ، ستبدأ الكرة في السقوط ، وتلتقط سرعتها تدريجيًا. في هذه الحالة ، ستبدأ الطاقة الحركية في الزيادة ، وستنخفض الطاقة الكامنة (بسبب انخفاض الارتفاع). في لحظة الاصطدام بالأرض ، ستصل الطاقة الحركية للكرة إلى أقصى قيمتها ، وستتحول الطاقة الكامنة إلى الصفر.

لذلك ، عندما تنخفض الطاقة الحركية للجسم ، تزداد الطاقة الكامنة ، والعكس صحيح ، عندما تزداد الطاقة الحركية للجسم ، تقل طاقته الكامنة. تظهر دراسة السقوط الحر للجسم (في حالة عدم وجود مقاومة للهواء) أن أي انخفاض في أحد هذه الأنواع من الطاقة يكون مصحوبًا بزيادة متساوية في النوع الآخر من الطاقة. يتم حفظ الطاقة الميكانيكية الكلية للجسم في هذه الحالة. هذا هو ما قانون حفظ الطاقة الميكانيكية:

تظل الطاقة الميكانيكية الكلية للجسم ، والتي لا تتأثر بقوى الاحتكاك والمقاومة ، دون تغيير أثناء حركته.

إذا قمنا بتعيين الطاقات الأولية والنهائية للجسم على أنها E و E "، فيمكن التعبير عن قانون حفظ الطاقة على أنه المعادلة التالية:

لنفترض أن الجسم المتحرك بحرية في اللحظة الأولى من الزمن كان على ارتفاع h0 وسرعته v0. ثم كانت طاقتها الميكانيكية الكلية في تلك اللحظة من الزمن تساوي

إذا كان الجسم قيد النظر بعد مرور بعض الوقت على ارتفاع h ، وله سرعة v (الشكل 28) ، فإن طاقته الميكانيكية الكلية ستصبح مساوية لـ

وفقًا لقانون الحفاظ على الطاقة ، يجب أن تتطابق قيمتا الطاقة هذه. لهذا

إذا كانت القيمتان الأوليتان h0 و v0 معروفتين ، فإن هذه المعادلة تسمح لك بإيجاد سرعة الجسم v عند ارتفاع h أو ، على العكس من ذلك ، الارتفاع h الذي ستكون عنده سرعة معينة للجسم v. في هذه الحالة ، لن تلعب كتلة الجسم أي دور ، حيث يتم تقليلها في المعادلة (15.5).


يجب أن نتذكر أن الطاقة الميكانيكية الكلية يتم حفظها فقط في حالة عدم وجود قوى احتكاك ومقاومة. إذا كانت هذه القوى موجودة ، فإن عملها يؤدي إلى انخفاض في الطاقة الميكانيكية.

1. ما يسمى إجمالي الطاقة الميكانيكية؟ 2. صياغة قانون الحفاظ على الطاقة الميكانيكية. 3. بأي طاقة - حركية أو جهد - هل تتزامن الطاقة الميكانيكية الكلية لجسم يسقط بحرية مع لحظة اصطدامه بالأرض؟ 4. ما هي الطاقة التي تتطابق مع إجمالي الطاقة الميكانيكية للكرة التي يتم رميها عموديًا لأعلى في الوقت الذي تكون فيه في أعلى نقطة في طيرانها؟ 5. ماذا يحدث للطاقة الميكانيكية الكلية للجسم في وجود قوى الاحتكاك والمقاومة؟

إذا تحرك جسم كتلته m تحت تأثير القوى المطبقة ، وتغيرت سرعته من وقت إلى آخر ، قامت القوى بعمل معين A.

عمل جميع القوى المطبقة يساوي عمل القوة الناتجة

هناك علاقة بين التغيير في سرعة الجسم والعمل الذي تقوم به القوى المطبقة على الجسم. هذه العلاقة أسهل في التأسيس بالنظر إلى حركة الجسم على طول خط مستقيم تحت تأثير قوة ثابتة. في هذه الحالة ، يتم توجيه متجهات قوة الإزاحة للسرعة والتسارع على طول خط مستقيم واحد ، ويقوم الجسم بأداء حركة مستقيمة متسارعة بشكل منتظم. بعد توجيه محور الإحداثيات على طول خط الحركة المستقيم ، يمكن للمرء أن يعتبر F و s و υ و a كميات جبرية (موجبة أو سالبة اعتمادًا على اتجاه المتجه المقابل). ثم يمكن كتابة عمل القوة في الصورة A = Fs. مع الحركة المتسارعة بشكل منتظم ، يتم التعبير عن الإزاحة بالصيغة

يوضح هذا التعبير أن الشغل الذي تقوم به القوة (أو الناتج عن كل القوى) يرتبط بتغيير في مربع السرعة (وليس السرعة نفسها).

كمية فيزيائية تساوي نصف حاصل ضرب كتلة الجسم ومربع سرعتها تسمى الطاقة الحركيةجثث:

هذا البيان يسمى نظرية الطاقة الحركية. نظرية الطاقة الحركية صالحة أيضًا في الحالة العامة عندما يتحرك الجسم تحت تأثير قوة متغيرة ، لا يتطابق اتجاهها مع اتجاه الحركة.

الطاقة الحركية هي الطاقة للحركة. الطاقة الحركية لجسم كتلته m يتحرك بسرعة تساوي الشغل الذي يجب أن يقوم به الجسم الساكن لإخباره بهذه السرعة:

في الفيزياء ، جنبًا إلى جنب مع الطاقة الحركية أو طاقة الحركة دور مهميلعب المفهوم الطاقة الكامنةأو طاقات تفاعل الهيئات.

يتم تحديد الطاقة الكامنة من خلال الوضع المتبادل للأجسام (على سبيل المثال ، موضع الجسم بالنسبة لسطح الأرض). لا يمكن تقديم مفهوم الطاقة الكامنة إلا للقوى لا يعتمد عملهم على مسار الحركة ولا يتم تحديده إلا من خلال المواضع الأولية والنهائية للجسم. تسمى هذه القوى محافظ.

عمل القوى المحافظة على مسار مغلق يساوي صفرًا. هذا البيان موضح في الشكل أدناه.

تمتلك خاصية المحافظة بواسطة قوة الجاذبية وقوة المرونة. بالنسبة لهذه القوى ، يمكننا تقديم مفهوم الطاقة الكامنة.

إذا تحرك جسم بالقرب من سطح الأرض ، فإنه يتأثر بقوة جاذبية ثابتة في الحجم والاتجاه ، ويعتمد عمل هذه القوة فقط على الحركة الرأسية للجسم. في أي جزء من المسار ، يمكن كتابة عمل الجاذبية في إسقاطات متجه الإزاحة على المحور OY ، وتوجيهها عموديًا لأعلى:

هذا العمل يساوي تغييرًا في كمية مادية mgh مأخوذة بالإشارة المعاكسة. هذه الكمية المادية تسمى الطاقة الكامنةالأجسام في مجال الجاذبية

إنه يساوي الشغل الذي تقوم به الجاذبية عندما ينخفض ​​الجسم إلى مستوى الصفر.

إذا أخذنا في الاعتبار حركة الأجسام في مجال جاذبية الأرض على مسافات كبيرة منه ، فعند تحديد الطاقة الكامنة ، من الضروري مراعاة اعتماد قوة الجاذبية على المسافة إلى مركز الأرض ( قانون الجاذبية الكونية). بالنسبة لقوى الجاذبية العامة ، من الملائم حساب الطاقة الكامنة من نقطة بعيدة لا نهائية ، أي افتراض أن الطاقة الكامنة للجسم عند نقطة بعيدة بشكل لانهائي تساوي صفرًا. الصيغة التي تعبر عن الطاقة الكامنة لجسم كتلته m على مسافة r من مركز الأرض هي:

أين M هي كتلة الأرض ، و G هو ثابت الجاذبية.

يمكن أيضًا تقديم مفهوم الطاقة الكامنة للقوة المرنة. هذه القوة أيضًا لها خاصية كونها محافظة. عن طريق شد (أو ضغط) الزنبرك ، يمكننا القيام بذلك بعدة طرق.

يمكنك ببساطة إطالة الزنبرك بمقدار x ، أو إطالة الزنبرك أولاً بمقدار 2x ثم تقليل الامتداد إلى x ، وهكذا. في كل هذه الحالات ، تؤدي القوة المرنة نفس العمل ، والذي يعتمد فقط على طول الزنبرك x في الحالة النهائية إذا كان الربيع غير مشوه في البداية. هذا العمل يساوي عمل القوة الخارجية أ ، المأخوذة بعلامة معاكسة:

الطاقة الكامنة لجسم مشوه بشكل مرنيساوي عمل القوة المرنة أثناء الانتقال من حالة معينة إلى حالة خالية من التشوه.

إذا كان الزنبرك في الحالة الأولية مشوهًا بالفعل ، وكانت استطاله مساوية لـ x 1 ، فعند الانتقال إلى حالة جديدة مع استطالة × 2 ، ستعمل القوة المرنة بشكل مساوٍ للتغير في الطاقة الكامنة ، المأخوذة مع العكس لافتة:

الطاقة الكامنة أثناء التشوه المرن هي طاقة تفاعل الأجزاء الفردية من الجسم مع بعضها البعض من خلال القوى المرنة.

إلى جانب قوة الجاذبية وقوة المرونة ، تمتلك بعض أنواع القوى الأخرى خاصية المحافظة ، على سبيل المثال ، قوة التفاعل الكهروستاتيكي بين الأجسام المشحونة. لا تمتلك قوة الاحتكاك هذه الخاصية. يعتمد عمل قوة الاحتكاك على المسافة المقطوعة. لا يمكن تقديم مفهوم الطاقة الكامنة لقوة الاحتكاك.

يبقى مجموع الطاقة الحركية والوضعية للأجسام التي تشكل نظامًا مغلقًا وتتفاعل مع بعضها البعض من خلال قوى الجاذبية والقوى المرنة دون تغيير.

هذا البيان يعبر عن قانون حفظ الطاقة في العمليات الميكانيكية. إنها نتيجة لقوانين نيوتن. مجموع E = E k + E p يسمى طاقة ميكانيكية كاملة. يتم استيفاء قانون حفظ الطاقة الميكانيكية فقط عندما تتفاعل الأجسام في نظام مغلق مع بعضها البعض بواسطة قوى محافظة ، أي القوى التي يمكن إدخال مفهوم الطاقة الكامنة من أجلها.

أحد الأمثلة على تطبيق قانون حفظ الطاقة هو إيجاد الحد الأدنى من القوة لخيط خفيف غير مرن يحمل جسمًا كتلته m أثناء دورانه في مستوى عمودي (مشكلة H. Huygens). أرز. 1.20.1 يشرح الحل لهذه المشكلة.

تتم كتابة قانون حفظ الطاقة للجسم في النقطتين العلوية والسفلية من المسار على النحو التالي:

من هذه النسب يتبع:

من الواضح أن قوة الخيط يجب أن تتجاوز هذه القيمة.

من المهم جدًا ملاحظة أن قانون حفظ الطاقة الميكانيكية جعل من الممكن الحصول على اتصال بين إحداثيات وسرعات الجسم عند نقطتين مختلفتين من المسار دون تحليل قانون حركة الجسم في جميع النقاط الوسيطة. يمكن أن يؤدي تطبيق قانون الحفاظ على الطاقة الميكانيكية إلى تبسيط حل العديد من المشكلات بشكل كبير.

في الظروف الواقعية ، تتأثر الأجسام المتحركة دائمًا تقريبًا ، جنبًا إلى جنب مع قوى الجاذبية والقوى المرنة والقوى المحافظة الأخرى ، بقوى الاحتكاك أو قوى المقاومة للوسط.

قوة الاحتكاك ليست متحفظة. يعتمد عمل قوة الاحتكاك على طول المسار.

إذا كانت قوى الاحتكاك تعمل بين الأجسام التي تشكل نظامًا مغلقًا ، إذن لا يتم حفظ الطاقة الميكانيكية. يتم تحويل جزء من الطاقة الميكانيكية إلى الطاقة الداخليةأجسام (تدفئة).

في أي تفاعلات جسدية ، لا تنشأ الطاقة ولا تختفي. إنه يتغير فقط من شكل إلى آخر.

هذه الحقيقة التي تم إثباتها تجريبياً تعبر عن القانون الأساسي للطبيعة - قانون حفظ وتحويل الطاقة.

إحدى نتائج قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها هو التأكيد على أنه من المستحيل إنشاء "آلة الحركة الدائمة" (دائمة الحركة) - آلة يمكنها العمل إلى أجل غير مسمى دون استهلاك الطاقة.

قانون الحفاظ على الطاقة ، لأي نظام مغلق ، تظل الطاقة الميكانيكية الكلية ثابتة لأي تفاعلات للأجسام داخل النظام. أي أن الطاقة لا تنشأ من العدم ولا تختفي إلى العدم. إنه يتغير فقط من شكل إلى آخر. هذا صحيح بالنسبة للأنظمة المغلقة ، حيث لا تأتي الطاقة من الخارج ، ولا تترك النظام بالخارج.

مثال تقريبي على نظام مغلق هو سقوط حمولة ذات كتلة كبيرة نسبيًا وأبعاد صغيرة على الأرض من ارتفاع صغير. افترض أن الحمل ثابت على ارتفاع معين. كما أن لديها طاقة كامنة. تعتمد هذه الطاقة على كتلتها والارتفاع الذي يقع عنده الجسم.

الفورمولا 1 - الطاقة الكامنة.

الطاقة الحركية للحمل في هذه الحالة تساوي الصفر ، لأن الجسم في حالة راحة. أي أن سرعة الجسم تساوي صفرًا. في هذه الحالة ، لا توجد قوى خارجية تعمل على النظام. في هذه الحالة ، فقط قوة الجاذبية المؤثرة على الحمل هي المهمة بالنسبة لنا.

الصيغة 2 - الطاقة الحركية.

ثم يتحرر الجسم ، ويسقط في السقوط الحر. نتيجة لذلك ، تنخفض طاقتها الكامنة. لأن ارتفاع الجسم عن سطح الأرض يتناقص. تزداد الطاقة الحركية أيضًا. يرجع ذلك إلى حقيقة أن الجسم بدأ في التحرك واكتسب بعض السرعة. يتحرك الحمل نحو الأرض مع تسارع السقوط الحر ، مما يعني أنه مع مرور مسافة معينة ، تزداد طاقته الحركية بسبب زيادة السرعة.

الشكل 1 - السقوط الحر للجسم.

نظرًا لأن الحمل صغير الحجم ، فإن مقاومة الهواء صغيرة جدًا والطاقة اللازمة للتغلب عليها صغيرة ويمكن إهمالها. سرعة حركة الجسم ليست عالية وعلى مسافة قصيرة لا تصل إلى اللحظة التي تتم موازنتها بالاحتكاك مع الهواء ويتوقف التسارع.

في لحظة الاصطدام بالأرض ، تكون الطاقة الحركية قصوى. لأن الجسم لديه أقصى سرعة له. والطاقة الكامنة هي صفر ، لأن الجسم وصل إلى سطح الأرض والارتفاع صفر. أي ما يحدث هو أن الطاقة الكامنة القصوى عند النقطة العليا ، أثناء تحركها ، تنتقل إلى طاقة حركية ، والتي بدورها تصل إلى الحد الأقصى عند النقطة السفلية. لكن مجموع كل الطاقات في النظام أثناء الحركة يظل ثابتًا. مع انخفاض الطاقة الكامنة ، تزداد الطاقة الحركية بنفس القدر.

الصيغة 3 - الطاقة الكلية للنظام.

الآن إذا قمت بتركيب مظلة على الشحنة. وهكذا نزيد من قوة الاحتكاك مع الهواء ، ويتوقف النظام عن الانغلاق. كما كان من قبل ، يتحرك الحمل نحو الأرض ، لكن سرعته تظل ثابتة. حيث أن قوة الجاذبية متوازنة بقوة الاحتكاك على الهواء بسطح المظلة. وبالتالي ، تتناقص الطاقة الكامنة مع تناقص الارتفاع. والحركية ، طوال الخريف تظل ثابتة. لأن كتلة الجسم وسرعته لم تتغير.

الشكل 2 - السقوط البطيء للجسم.

يتم إنفاق فائض الطاقة الكامنة الناتج عن انخفاض ارتفاع الجسم في التغلب على قوى الاحتكاك ضد الهواء. مما يقلل من معدل نزوله النهائي. بمعنى ، يتم نقل الطاقة الكامنة إلى السطح الحراري والتدفئة للمظلة والهواء المحيط.