Energi- nilai paling universal untuk menggambarkan fenomena fisik.
Energi adalah jumlah kerja maksimum yang dapat dilakukan suatu benda.
Ada beberapa jenis energi. Misalnya, dalam mekanika:

Energi potensial gravitasi,
ditentukan oleh tinggi h.

- Energi potensial deformasi elastis,
ditentukan oleh jumlah deformasi X.

- Energi kinetik - energi pergerakan benda,
ditentukan oleh kecepatan tubuh v.

Energi dapat ditransfer dari satu tubuh ke tubuh lain, dan juga dapat diubah dari satu jenis ke jenis lainnya.

- Menyelesaikan energi mekanik.

Hukum kekekalan energi: di tertutup sistem tubuh lengkap energi tidak berubah pada setiap interaksi dalam sistem tubuh ini. Hukum memberlakukan pembatasan pada jalannya proses di alam. Alam tidak mengizinkan energi muncul entah dari mana dan menghilang entah ke mana. Mungkin ternyata hanya begini: berapa banyak satu tubuh kehilangan energi, berapa banyak yang diperoleh orang lain; berapa banyak satu jenis energi berkurang, begitu banyak yang ditambahkan ke jenis lain.
Dalam mekanika, untuk menentukan jenis energi, perlu memperhatikan tiga besaran: tinggi mengangkat tubuh di atas bumi h, deformasi x, kecepatan tubuh v.

Energi- ukuran universal dari berbagai bentuk gerakan dan interaksi.

Perubahan gerak mekanis suatu benda disebabkan oleh gaya yang bekerja padanya dari benda lain. Untuk menggambarkan secara kuantitatif proses pertukaran energi antara benda-benda yang berinteraksi, konsep ini diperkenalkan dalam mekanika tenaga kerja.

Jika sebuah benda bergerak lurus dan gaya konstan bekerja padanya F, membuat sudut dengan arah gerakan, maka pekerjaan gaya ini sama dengan proyeksi gaya F s pada arah gerakan (F s = Fcosα), dikalikan dengan perpindahan yang sesuai dari titik penerapan kekuatan:

Jika kita mengambil bagian lintasan dari titik 1 ke titik 2, maka pekerjaan padanya sama dengan jumlah aljabar dari pekerjaan dasar pada bagian jalan yang sangat kecil. Oleh karena itu, jumlah ini dapat direduksi menjadi integral

Satuan kerja - Joule(J): 1 J - kerja yang dilakukan oleh gaya 1 N pada lintasan 1 m (1 J = 1 N m).
Untuk mengkarakterisasi laju melakukan pekerjaan, konsep daya diperkenalkan:
Seiring waktu dt memaksa F melakukan pekerjaan F d r, dan daya yang dikembangkan oleh gaya ini pada waktu tertentu
yaitu, itu sama dengan produk skalar dari vektor gaya dan vektor kecepatan dengan mana titik penerapan gaya ini bergerak; N adalah nilai skalar.
Satuan daya - watt(W): 1 W - daya di mana pekerjaan 1 J dilakukan dalam 1 s (1 W = 1 J / s)

kinetik dan energi potensial.

Energi kinetik dari sistem mekanik adalah energi gerakan mekanis dari sistem yang ditinjau.
Kekuatan F, bekerja pada benda yang diam dan membuatnya bergerak, melakukan kerja, dan energi benda yang bergerak bertambah dengan jumlah kerja yang dikeluarkan. Jadi usaha yang dilakukan oleh gaya F di jalur yang telah ditempuh benda selama peningkatan kecepatan dari 0 ke v, dihabiskan untuk meningkatkan energi kinetik dT benda, yaitu.

Menggunakan hukum kedua Newton dan mengalikan dengan perpindahan d r kita mendapatkan
(1)
Dari rumus (1) dapat diketahui bahwa energi kinetik hanya bergantung pada massa dan kecepatan benda (atau titik), yaitu, energi kinetik benda hanya bergantung pada keadaan geraknya.
Energi potensial- energi mekanik sistem tubuh, yang ditentukan oleh sifat kekuatan interaksi di antara mereka dan pengaturan timbal baliknya.
Biarkan interaksi benda satu sama lain dilakukan oleh medan gaya (misalnya, medan gaya elastis, medan gaya gravitasi), yang dicirikan oleh fakta bahwa pekerjaan yang dilakukan oleh gaya yang bekerja dalam sistem saat menggerakkan benda dari posisi pertama ke posisi kedua tidak bergantung pada lintasan yang dilalui pergerakannya, tetapi hanya bergantung pada posisi awal dan akhir sistem. Bidang seperti itu disebut potensi, dan gaya yang bekerja di dalamnya - konservatif. Jika kerja suatu gaya bergantung pada lintasan benda yang bergerak dari satu posisi ke posisi lain, maka gaya seperti itu disebut disipatif; contoh gaya disipatif adalah gaya gesekan.
Bentuk spesifik dari fungsi P bergantung pada bentuk medan gaya. Misalnya, energi potensial benda bermassa m, dinaikkan ke ketinggian h di atas permukaan bumi, adalah (7)

Energi mekanik total suatu sistem adalah energi gerak mekanik dan interaksi:
yaitu, sama dengan jumlah energi kinetik dan potensial.

Hukum Kekekalan Energi.

yaitu, energi mekanik total sistem tetap konstan. Ekspresi (3) adalah hukum kekekalan energi mekanik: dalam sistem benda di mana hanya gaya konservatif yang bekerja, energi mekanik total adalah kekal, yaitu tidak berubah dari waktu ke waktu.

Sistem mekanis, pada benda yang hanya bekerja gaya konservatif (baik internal maupun eksternal), disebut sistem konservatif , dan kita merumuskan hukum kekekalan energi mekanik sebagai berikut: dalam sistem konservatif, energi mekanik total adalah kekal.
9. Dampak benda yang benar-benar elastis dan tidak elastis.

Memukul adalah tumbukan dua atau lebih benda yang berinteraksi dalam waktu yang sangat singkat.

Setelah benturan, tubuh berubah bentuk. Konsep tumbukan menyiratkan bahwa energi kinetik dari gerakan relatif benda yang menabrak diubah untuk waktu yang singkat menjadi energi deformasi elastis. Selama tumbukan, ada redistribusi energi antara benda-benda yang bertabrakan. Eksperimen menunjukkan bahwa kecepatan relatif benda setelah tumbukan tidak mencapai nilainya sebelum tumbukan. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa tidak ada benda elastis yang ideal dan permukaan yang idealnya halus. Perbandingan komponen normal kecepatan relatif benda setelah tumbukan dengan komponen normal kecepatan relatif benda sebelum tumbukan disebut faktor pemulihan: = n "/ν n di mana n" - setelah tumbukan; n - sebelum tumbukan.

Jika untuk benda yang bertabrakan =0, maka benda tersebut disebut benar-benar tidak elastis, jika =1 - benar-benar elastis. Dalam praktiknya, untuk semua benda 0<ε<1. Но в некоторых случаях тела можно с большой степенью точности рассматривать либо как абсолютно неупругие, либо как абсолютно упругие.

garis mogok disebut garis lurus yang melalui titik kontak benda dan tegak lurus terhadap permukaan kontaknya. Ketukannya disebut pusat, jika benda-benda yang bertabrakan sebelum tumbukan bergerak sepanjang garis lurus melalui pusat-pusat massanya. Di sini kita hanya mempertimbangkan dampak pusat yang benar-benar elastis dan benar-benar tidak elastis.
Dampak yang benar-benar elastis- tabrakan dua benda, sebagai akibatnya tidak ada deformasi yang tersisa di kedua benda yang berpartisipasi dalam tumbukan dan seluruh energi kinetik benda sebelum tumbukan setelah tumbukan diubah lagi menjadi energi kinetik asli.
Untuk tumbukan yang benar-benar elastis, hukum kekekalan energi kinetik dan hukum kekekalan momentum terpenuhi.

Dampak yang benar-benar tidak elastis- tabrakan dua benda, akibatnya benda-benda itu terhubung, bergerak lebih jauh sebagai satu kesatuan. Benturan yang benar-benar tidak elastis dapat ditunjukkan dengan menggunakan bola-bola plastisin (tanah liat) yang bergerak ke arah satu sama lain.

Jika gaya, gaya gesek, dan gaya hambatan tidak bekerja dalam sistem tertutup, maka jumlah energi kinetik dan potensial semua benda sistem tetap konstan.

Perhatikan contoh manifestasi hukum ini. Biarkan benda yang diangkat di atas Bumi memiliki energi potensial E 1 = mgh 1 dan kecepatan v 1 diarahkan ke bawah. Akibat jatuh bebas, benda bergerak ke suatu titik dengan ketinggian h 2 (E 2 = mgh 2), sedangkan kecepatannya bertambah dari v 1 ke v 2. Oleh karena itu, energi kinetiknya telah meningkat dari

Mari kita tulis persamaan kinematika:

Mengalikan kedua sisi persamaan dengan mg, kita mendapatkan:

Setelah transformasi kita mendapatkan:

Pertimbangkan pembatasan yang dirumuskan dalam hukum kekekalan energi mekanik total.

Apa yang terjadi pada energi mekanik jika gaya gesekan bekerja dalam sistem?

Dalam proses nyata, di mana gaya gesekan bekerja, ada penyimpangan dari hukum kekekalan energi mekanik. Misalnya, ketika sebuah benda jatuh ke bumi, energi kinetik benda tersebut pertama-tama meningkat seiring dengan bertambahnya kecepatan. Gaya resistensi juga meningkat, yang meningkat dengan meningkatnya kecepatan. Seiring waktu, itu akan mengimbangi gravitasi, dan di masa depan, dengan penurunan energi potensial relatif terhadap Bumi, energi kinetik tidak meningkat.

Fenomena ini berada di luar lingkup mekanika, karena kerja gaya resistensi menyebabkan perubahan suhu tubuh. Pemanasan tubuh di bawah aksi gesekan mudah dideteksi dengan menggosokkan kedua telapak tangan.

Jadi, dalam mekanika, hukum kekekalan energi memiliki batas yang agak kaku.

Perubahan energi termal (atau internal) terjadi sebagai akibat dari kerja gaya gesekan atau tahanan. Itu sama dengan perubahan energi mekanik. Dengan demikian, jumlah energi total benda selama interaksi adalah nilai konstan (dengan mempertimbangkan transformasi energi mekanik menjadi energi internal).

Energi diukur dalam satuan yang sama dengan usaha. Akibatnya, kami mencatat bahwa hanya ada satu cara untuk mengubah energi mekanik - untuk melakukan pekerjaan.

Energi- ukuran pergerakan materi dalam segala bentuknya. Sifat utama dari semua jenis energi adalah interkonversi. Jumlah energi yang dimiliki tubuh ditentukan oleh kerja maksimum yang dapat dilakukan tubuh, setelah menghabiskan energinya sepenuhnya. Energi secara numerik sama dengan kerja maksimum yang dapat dilakukan tubuh, dan diukur dalam satuan yang sama dengan kerja. Selama transisi energi dari satu jenis ke jenis lainnya, perlu untuk menghitung energi tubuh atau sistem sebelum dan sesudah transisi dan mengambil perbedaannya. Perbedaan ini disebut kerja:

Jadi, besaran fisika yang mencirikan kemampuan suatu benda untuk melakukan kerja disebut energi.

Energi mekanik suatu benda dapat disebabkan oleh gerakan benda pada kecepatan tertentu, atau karena adanya benda dalam medan gaya potensial.

Energi kinetik.

Energi yang dimiliki oleh suatu benda karena geraknya disebut kinetik. Usaha yang dilakukan pada benda sama dengan pertambahan energi kinetiknya.

Mari kita cari pekerjaan ini untuk kasus ketika resultan semua gaya yang diterapkan pada benda sama dengan .

Usaha yang dilakukan oleh tubuh karena energi kinetik sama dengan hilangnya energi ini.

Energi potensial.

Jika benda lain bekerja pada benda tersebut pada setiap titik dalam ruang, maka benda tersebut dikatakan berada dalam medan gaya atau medan gaya.

Jika garis aksi semua gaya ini melewati satu titik - pusat gaya medan - dan besarnya gaya hanya bergantung pada jarak ke pusat ini, maka gaya tersebut disebut pusat, dan medan gaya tersebut adalah disebut pusat (gravitasi, medan listrik dari muatan titik).

Medan gaya yang konstan dalam waktu disebut stasioner.

Bidang di mana garis-garis aksi gaya adalah garis lurus paralel yang terletak pada jarak yang sama satu sama lain adalah homogen.

Semua gaya dalam mekanika dibagi menjadi konservatif dan non-konservatif (atau disipatif).

Gaya-gaya yang kerjanya tidak bergantung pada bentuk lintasan, tetapi hanya ditentukan oleh posisi awal dan akhir benda di ruang angkasa, disebut konservatif.

Kerja gaya konservatif sepanjang lintasan tertutup adalah nol. Semua kekuatan sentral konservatif. Gaya deformasi elastis juga merupakan gaya konservatif. Jika hanya gaya konservatif yang bekerja di dalam medan, medan tersebut disebut potensial (medan gravitasi).

Gaya yang kerjanya bergantung pada bentuk lintasan disebut gaya non-konservatif (gaya gesekan).

Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh tubuh atau bagian tubuh karena posisi relatifnya.

Konsep energi potensial diperkenalkan sebagai berikut. Jika benda berada dalam medan gaya potensial (misalnya, dalam medan gravitasi bumi), setiap titik medan dapat dikaitkan dengan beberapa fungsi (disebut energi potensial) sehingga kerja A 12, dilakukan di atas tubuh oleh gaya medan ketika bergerak dari posisi sewenang-wenang 1 ke posisi sewenang-wenang lainnya 2, sama dengan penurunan fungsi ini pada jalur 1®2:

,

dimana dan adalah nilai energi potensial sistem pada posisi 1 dan 2.

Dalam setiap masalah khusus, disepakati untuk mempertimbangkan energi potensial dari posisi tertentu tubuh sama dengan nol, dan mengambil energi dari posisi lain relatif terhadap tingkat nol. Bentuk spesifik dari fungsi tergantung pada sifat medan gaya dan pilihan level nol. Karena level nol dipilih secara sewenang-wenang, ia dapat memiliki nilai negatif. Sebagai contoh, jika kita menganggap nol energi potensial benda yang terletak di permukaan bumi, maka di medan gaya gravitasi di dekat permukaan bumi, energi potensial benda bermassa m, dinaikkan ke ketinggian h di atas permukaan, adalah (Gbr. 5).

di mana perpindahan tubuh di bawah aksi gravitasi;

Energi potensial benda yang sama yang terletak di dasar sumur dengan kedalaman H sama dengan

Dalam contoh yang dipertimbangkan, ini tentang energi potensial dari sistem tubuh-Bumi.

Energi potensial gravitasi - energi suatu sistem benda (partikel) karena gaya tarik gravitasi timbal baliknya.

Untuk dua benda titik gravitasi dengan massa m 1 dan m 2, energi potensial gravitasi adalah:

,

di mana \u003d 6,67 10 -11 - konstanta gravitasi,

r adalah jarak antara pusat massa benda.

Ekspresi untuk energi potensial gravitasi diperoleh dari hukum gravitasi Newton, asalkan untuk benda yang jauh tak terhingga energi gravitasinya adalah 0. Ekspresi untuk gaya gravitasi adalah:

Di sisi lain, menurut definisi energi potensial:

Kemudian .

Energi potensial dapat dimiliki tidak hanya oleh sistem tubuh yang berinteraksi, tetapi oleh satu tubuh. Dalam hal ini, energi potensial tergantung pada posisi relatif bagian-bagian tubuh.

Mari kita nyatakan energi potensial dari benda yang mengalami deformasi elastis.

Energi potensial deformasi elastis, jika kita mengasumsikan bahwa energi potensial dari benda yang tidak berbentuk adalah nol;

di mana k- koefisien elastisitas, x- deformasi tubuh.

Dalam kasus umum, sebuah benda dapat secara bersamaan memiliki energi kinetik dan energi potensial. Jumlah energi ini disebut energi mekanik penuh tubuh: .

Energi mekanik total suatu sistem sama dengan jumlah energi kinetik dan energi potensialnya. Energi total sistem sama dengan jumlah semua jenis energi yang dimiliki sistem.

Hukum kekekalan energi adalah hasil generalisasi dari banyak data eksperimen. Gagasan hukum ini milik Lomonosov, yang menyatakan hukum kekekalan materi dan gerak, dan formulasi kuantitatif diberikan oleh dokter Jerman Mayer dan naturalis Helmholtz.

Hukum kekekalan energi mekanik: di bidang gaya konservatif saja, energi mekanik total tetap konstan dalam sistem benda yang terisolasi. Kehadiran gaya disipatif (gaya gesekan) menyebabkan disipasi (hamburan) energi, yaitu mengubahnya menjadi jenis energi lain dan melanggar hukum kekekalan energi mekanik.

Hukum kekekalan dan transformasi energi total: energi total sistem terisolasi adalah nilai konstan.

Energi tidak pernah hilang dan tidak muncul lagi, tetapi hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk lain dalam jumlah yang setara. Ini adalah esensi fisik dari hukum kekekalan dan transformasi energi: materi dan gerakannya tidak dapat dihancurkan.

Contoh hukum kekekalan energi :

Dalam proses jatuh, energi potensial diubah menjadi energi kinetik, dan energi totalnya sama dengan mgH, tetap konstan.

Jika hanya gaya konservatif yang bekerja pada sistem, maka kita dapat memperkenalkan konsepnya energi potensial. Setiap posisi sewenang-wenang dari sistem, yang ditandai dengan pengaturan koordinat titik materialnya, secara kondisional akan kami ambil sebagai nol. Usaha yang dilakukan oleh gaya konservatif selama transisi sistem dari posisi yang dipertimbangkan ke nol disebut energi potensial sistem di posisi pertama

Kerja gaya konservatif tidak bergantung pada lintasan transisi, dan oleh karena itu energi potensial sistem pada posisi nol tetap hanya bergantung pada koordinat titik material sistem pada posisi yang dipertimbangkan. Dengan kata lain, energi potensial sistemkamuadalah fungsi dari koordinatnya saja.

Energi potensial sistem tidak didefinisikan secara unik, tetapi sampai konstanta yang berubah-ubah. Kesewenang-wenangan ini tidak dapat mempengaruhi kesimpulan fisik, karena jalannya fenomena fisik mungkin tidak bergantung pada nilai absolut dari energi potensial itu sendiri, tetapi hanya pada perbedaannya di berbagai keadaan. Perbedaan yang sama tidak bergantung pada pilihan konstanta arbitrer.

konservatif, maka TETAPI 12 = TETAPI 1O2 = TETAPI 1O + TETAPI O2 = TETAPI 1O - TETAPI 2O. Menurut definisi energi potensial kamu 1 = SEBUAH 1O , kamu 2 = SEBUAH 2O. Lewat sini,

SEBUAH 12 = kamu 1 – kamu 2 , (3.10)

itu. kerja gaya konservatif sama dengan penurunan energi potensial sistem.

Pekerjaan yang sama TETAPI 12 , seperti yang ditunjukkan sebelumnya pada (3.7), dapat dinyatakan dalam peningkatan energi kinetik dengan rumus

TETAPI 12 = Ke 2 – Ke 1 .

Menyamakan ruas kanannya, kita peroleh Ke 2 – Ke 1 = kamu 1 – kamu 2, dari mana

Ke 1 + kamu 1 = Ke 2 + kamu 2 .

Jumlah energi kinetik dan energi potensial suatu sistem disebut energi total E. Lewat sini, E 1 = E 2 , atau

E K+U= konstanta (3.11)

Dalam sistem dengan hanya gaya konservatif, energi total tetap tidak berubah. Hanya transformasi energi potensial menjadi energi kinetik dan sebaliknya yang dapat terjadi, tetapi pasokan energi total sistem tidak dapat berubah. Posisi ini disebut hukum kekekalan energi dalam mekanika.

Mari kita hitung energi potensial dalam beberapa kasus yang paling sederhana.

a) Energi potensial suatu benda dalam medan gravitasi seragam. Jika suatu titik material terletak pada ketinggian h, akan jatuh ke tingkat nol (yaitu tingkat yang h= 0), maka gravitasi akan melakukan kerja A=mgh. Oleh karena itu, di atas h titik material memiliki energi potensial U=mgh+C, di mana DARI adalah konstanta aditif. Tingkat sewenang-wenang dapat diambil sebagai nol, misalnya, tingkat lantai (jika percobaan dilakukan di laboratorium), permukaan laut, dll. Konstan DARI sama dengan energi potensial pada tingkat nol. Mengaturnya sama dengan nol, kita dapatkan

U=mgh. (3.12)

b) Energi potensial pegas yang diregangkan. Gaya elastis yang terjadi ketika pegas diregangkan atau ditekan adalah gaya pusat. Oleh karena itu, mereka konservatif, dan masuk akal untuk berbicara tentang energi potensial pegas yang cacat. Mereka memanggilnya energi elastis. Dilambangkan dengan x ekstensi pegas, itu. perbedaan x = l – aku 0 panjang pegas dalam keadaan terdeformasi dan tidak terdeformasi. kekuatan elastis F tergantung pada peregangan. Jika peregangan x tidak terlalu besar, maka sebanding dengannya: F = – kx(Hukum Hooke). Ketika pegas kembali dari kondisi terdeformasi ke kondisi tak terdeformasi, gaya F melakukan pekerjaan

.

Jika energi elastis pegas dalam keadaan tak terdeformasi diasumsikan sama dengan nol, maka

. (3.13)

c) Energi potensial gaya tarik gravitasi dua titik material. Menurut hukum gravitasi universal Newton, gaya gravitasi tarik-menarik dua benda titik sebanding dengan produk massa mereka mm dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:

,(3.14)

di mana Gadalah konstanta gravitasi.

Gaya tarik gravitasi, sebagai gaya pusat, adalah konservatif. Masuk akal baginya untuk berbicara tentang energi potensial. Saat menghitung energi ini, salah satu massa, misalnya M, dapat dianggap diam, dan yang lainnya bergerak dalam medan gravitasinya. Saat memindahkan massa m dari tak terhingga, gaya gravitasi melakukan pekerjaan

,

di mana r- jarak antar massa M dan m dalam keadaan akhir.

Usaha ini sama dengan kehilangan energi potensial:

.

Biasanya energi potensial di tak terhingga kamu diambil sama dengan nol. Dengan kesepakatan seperti itu

. (3.15)

Kuantitas (3.15) adalah negatif. Ini memiliki penjelasan sederhana. Massa yang menarik memiliki energi maksimum pada jarak tak terbatas di antara mereka. Dalam posisi ini, energi potensial dianggap nol. Di posisi lain, itu lebih kecil, mis. negatif.

Mari kita asumsikan bahwa, bersama dengan gaya konservatif, gaya disipatif juga bekerja dalam sistem. Pekerjaan semua kekuatan TETAPI 12 selama transisi sistem dari posisi 1 ke posisi 2 masih sama dengan kenaikan energi kinetiknya Ke 2 – Ke satu . Tetapi dalam kasus yang sedang dipertimbangkan, usaha ini dapat direpresentasikan sebagai jumlah dari usaha gaya-gaya konservatif
dan kerja gaya disipatif
. Usaha pertama dapat dinyatakan dalam penurunan energi potensial sistem:
. Itu sebabnya

.

Menyamakan ekspresi ini dengan peningkatan energi kinetik, kita peroleh

, (3.16)

di mana E=K+U adalah energi total sistem. Jadi, dalam kasus yang sedang dipertimbangkan, energi mekanik E sistem tidak tetap konstan, tetapi berkurang, karena kerja gaya disipatif
negatif.