Закон збереження енергії – основа основ
У своїй повсякденній діяльності людина використовує найрізноманітнішу енергію: теплову, механічну, ядерну, електромагнітну, тощо. Однак поки що розглядатимемо лише одну її форму – механічну. Тим більше, що з погляду історії розвитку фізики, вона починалася з вивчення механічного руху, сил і роботи. На одному з етапів становлення науки було відкрито закон збереження енергії.
При розгляді механічних явищ використовують поняття кінетичної та потенційної енергії. Експериментально встановлено, що енергія не зникає безвісти, з одного виду вона перетворюється на інший. Можна вважати, що сказане у найзагальнішому вигляді формулює закон збереження механічної енергії.
Спочатку треба зазначити, що у сумі потенційна та кінетична енергії тіла називаються механічною енергією. Далі необхідно на увазі, що закон збереження повної механічної енергії справедливий за відсутності зовнішнього впливу і додаткових втрат, викликаних, наприклад, подолання сил опору. Якщо якась із цих вимог порушена, то при зміні енергії відбуватимуться її втрати.
Найпростіший експеримент, що підтверджує вказані граничні умови, кожен може провести самостійно. Підніміть м'ячик на висоту та відпустіть його. Вдарившись об підлогу, він підскочить і потім знову впаде на підлогу і знову підскочить. Але з кожним разом висота його підйому буде меншою і меншою, поки м'яч не замре нерухомо на підлозі.
Що ми бачимо у цьому досвіді? Коли м'яч нерухомий і знаходиться на висоті, він має лише потенційну енергію. Коли починається падіння, у нього з'являється швидкість, отже, з'являється кінетична енергія. Але в міру падіння висота, з якої почався рух, стає менше і, відповідно, стає меншейого потенційна енергія, тобто. вона перетворюється на кінетичну. Якщо провести розрахунки, то з'ясується, що значення енергії дорівнюють, а це означає, що закон збереження енергії за таких умов виконується.
Однак у подібному прикладі є порушення двох раніше встановлених умов. М'яч рухається в оточенні повітря і зазнає опору з його боку, хай і невелике. І енергія витрачається подолання опору. З іншого боку, м'яч зіштовхується зі статтю і відскакує, тобто. він має зовнішній вплив, а це друге порушення граничних умов, які необхідні, щоб закон збереження енергії був справедливим.
Зрештою стрибки м'яча припиняться, і він зупиниться. Вся наявна первісна енергія виявиться витраченою на подолання опору повітря та зовнішнього впливу. Однак крім перетворення енергії виявиться виконаною робота з подолання сил тертя. Це призведе до нагрівання тіла. Найчастіше величина нагріву не дуже значна, і її можна визначити лише при вимірі точними приладами, але така зміна температури існує.
Крім механічної, є інші види енергії – світлова, електромагнітна, хімічна. Однак для всіх різновидів енергії справедливо, що з одного виду можливий перехід до іншого, і що за таких перетворень сумарна енергія всіх видів залишається постійною. Це підтвердженням загального характеру збереження енергії.
Тут треба врахувати, що перехід енергії може означати її марну втрату. При механічних явищах свідченням цього буде нагрівання навколишнього середовища або поверхонь, що взаємодіють.
Таким чином, найпростіше механічне явище дозволило нам визначити закон збереження енергії та граничні умови, що забезпечують йогоВиконання. Було встановлено, що здійснюється перетворення енергії з наявного виду на будь-який інший, і виявлено загальний характер згаданого закону.