Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике

Если на систему действуют одни только консервативные силы, то можно для нее ввести понятие потенциальной энергии. Какое – либо произвольное положение системы, характеризующееся заданием координат ее материальных точек, условно примем за нулевое. Работа, совершаемая консервативными силами при переходе системы из рассматриваемого положения в нулевое, называется потенциальной энергией системы в первом положении

(3.9)

Работа консервативных сил не зависит от пути перехода, а потому потенциальная энергия системы при фиксированном нулевом положении зависит только от координат материальных точек системы в рассматриваемом положении. Иными словами, потенциальная энергия системы U является функцией только ее координат.

Потенциальная энергия системы определена не однозначно, а с точностью до произвольной постоянной. Этот произвол не может отразится на физических выводах, так как ход физических явлений может зависеть не от абсолютных значений самой потенциальной энергии, а лишь от ее разности в различных состояниях. Эти же разности от выбора произвольной постоянной не зависят.

Пусть система перешла из положения 1 в положение 2 по какому – либо пути 12 (рис. 3.3). Работу А ₁₂, совершенную консервативными силами при таком переходе, можно выразить через потенциальные энергии U ₁ и U ₂ в состояниях 1 и 2. С этой целью вообразим, что переход осуществлен через положение О, т. е. по пути 1О2. Так как силы консервативны, то А ₁₂ = А _1О2 = А _1О + А _О2 = А _1О – А _2О. По определению потенциальной энергии U ₁ = A _1O, U ₂ = A _2O. Таким образом,

A ₁₂ = U ₁ – U ₂, (3.10)

т. е. работа консервативных сил равна убыли потенциальной энергии системы.

Рис. 3.3

Та же работа А ₁₂, как было показано ранее в (3.7), может быть выражена через приращение кинетической энергии по формуле

А ₁₂ = К ₂ – К ₁.

Приравнивая их правые части, получим К ₂ – К ₁ = U ₁ – U ₂, откуда

К ₁ + U ₁ = К ₂ + U ₂.

Сумма кинетической и потенциальной энергий системы называется ее полной энергией Е. Таким образом, Е ₁ = Е ₂, или

E º K + U = const. (3.11)

В системе с одним только консервативными силами полная энергия остается неизменной. Могут происходить лишь превращения потенциальной энергии в кинетическую и обратно, но полный запас энергии системы измениться не может. Это положение называется законом сохранения энергии в механике.

Вычислим потенциальную энергию в некоторых простейших случаях.

а) Потенциальная энергия тела в однородном поле тяжести. Если материальная точка, находящаяся на высоте h, упадет на нулевой уровень (т. е. уровень, для которого h = 0), то сила тяжести совершит работу A = mgh. Поэтому на высоте h материальная точка обладает потенциальной энергией U = mgh + C, где С – аддитивная постоянная. За нулевой можно принять произвольный уровень, например, уровень пола (если опыт производится в лаборатории), уровень моря и т. д. Постоянная С равна потенциальной энергии на нулевом уровне. Полагая ее равной нулю, получим

U = mgh. (3.12)

б) Потенциальная энергия растянутой пружины. Упругие силы, возникающие при растяжении или сжатии пружины, являются центральными силами. Поэтому они консервативны, и имеет смысл говорить о потенциальной энергии деформированной пружины. Ее называют упругой энергией. Обозначим через х растяжение пружины,т. е. разность x = l – l ₀ длин пружины в деформированном и недеформированном состояниях. Упругая сила F зависит только от растяжения. Если растяжение x не очень велико, то она пропорциональна ему: F = – kx (закон Гука). При возвращении пружины из деформированного в недеформированное состояние сила F совершает работу

Если упругую энергию пружины в недеформированном состоянии условиться считать равной нулю, то

(3.13)

в) Потенциальная энергия гравитационного притяжения двух материальных точек. По закону всемирного тяготения Ньютона гравитационная сила притяжения двух точечных тел пропорциональна произведению их масс Mm и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

, (3.14)

где G – гравитационная постоянная.

Сила гравитационного притяжения, как сила центральная, является консервативной. Для ее имеет смысл говорить о потенциальной энергии. При вычислении этой энергии одну из масс, например М, можно считать неподвижной, а другую – перемещающейся в ее гравитационном поле. При перемещении массы m из бесконечности гравитационные силы совершают работу

где r – расстояние между массами М и m в конечном состоянии.

Эта работа равна убыли потенциальной энергии:

Обычно потенциальную энергию в бесконечности U _¥ принимают равной нулю. При таком соглашении

(3.15)

Величина (3.15) отрицательна. Это имеет простое объяснение. Максимальной энергией притягивающиеся массы обладают при бесконечном расстоянии между ними. В этом положении потенциальная энергия считается равной нулю. Во всяком другом положении она меньше, т. е. отрицательна.

Допустим теперь, что в системе наряду с консервативными силами действуют также диссипативные силы. Работа всех сил А ₁₂ при переходе системы из положения 1 в положение 2 по – прежднему равна приращению ее кинетической энергии К ₂ – К ₁. Но в рассматриваемом случае эту работу можно представить в виде суммы работы консервативных сил и работы диссипативных сил . Первая работа может быть выражена через убыль потенциальной энергии системы: Поэтому

Приравнивая это выражение к приращению кинетической энергии, получим

,

или

, (3.16)

где E = K + U – полная энергия системы. Таким образом, в рассматриваемом случае механическая энергия Е системы не остается постоянной, а уменьшается, так как работа диссипативных сил отрицательна.