§ 36. Механічна енергія. Робота
Поміркуйте
Ви, напевно, неодноразово вживали слова «робота» та «енергія»? Що вони означають для вас? А що вони означають для науковців?
Пригадайте
Робота
Уявіть, що вам потрібно підняти вантаж. Щоб це зробити, слід не лише прикласти до нього певну силу, яка спрямована вгору, але й перемістити вгору точку прикладання сили.
Інша ситуація: вам потрібно перемістити підлогою важкий ящик. Ви штовхаєте ящик, і він пересувається. Знову було прикладено силу, під дією якої тіло перемістилося.
Розглянуті приклади об’єднує те, що під дією сили тіло переміщується й виконується робота з переміщення тіл.
Робота виконується лише тоді, коли на тіло діє сила й тіло переміщується під дією цієї сили.
Чим більшими є сила й переміщення під дією цієї сили, тим більшою є виконана робота.
А от якщо сила діє на тіло, але переміщення немає, то робота не виконується. Наприклад, вантаж може тримати опора: хоча з боку опори на вантаж діє спрямована вгору сила, але тіло не переміщується. У цьому випадку робота не виконується.
Коли ми говоримо про професійну діяльність дорослих чи про навчальні завдання, ми вживаємо термін «робота», що скоріше має значення «праця», а не «робота» в науковому сенсі.
Дізнайтеся більше
На початку ХІХ століття французький механік та інженер Жан-Віктор Понселе запропонував називати роботою добуток сили на переміщення тіла під дією цієї сили.
Завдання 1
Кінетична енергія
Термін «енергія» пов’язаний зі здатністю тіла виконувати роботу.
Енергію має будь-яке тіло, що рухається. Наприклад, молоток, який рухає рука майстра, виконує роботу із забивання цвяха в дошку.
Енергія, яку мають тіла, що рухаються, називають кінетичною енергією
Потенціальна енергія
Нерухоме тіло також здатне виконувати роботу.
На гідроелектростанціях вода, що падає з греблі водосховища, виконує роботу.
Візьміть у руки пружину та стисніть її. Над пружиною виконано роботу з її деформації, отже вона отримала енергію і може виконати роботу.
Енергія піднятих над землею або деформованих пружних тіл отримала назву потенціальна енергія.
Завдання 2 (експеримент)
Нерухомо тримайте блокнот (підручник чи зошит) у руці над столом. Кінетичної енергії в нього немає. Але він здатен виконати роботу. У цьому легко переконатися.
Відпустіть блокнот. Він падає й набуває певної швидкості. Це свідчить про те, що над блокнотом виконано роботу.
Механічна енергія
Суму кінетичної та потенціальної енергій називають механічною енергією тіла.
Літак високо в небі має як кінетичну енергію (бо рухається з великою швидкістю), так і потенціальну (бо перебуває на певній висоті над землею).
Метеорит, що падає на Землю, має дуже велику механічну енергію, і його падіння може спричинити значні руйнування.
Якщо тіло має механічну енергію, то воно здатне виконувати роботу.
Під час виконання роботи тіло зменшує свою механічну енергію, і навпаки, під час виконання роботи над тілом його механічна енергія збільшується.
Дізнайтеся більше
Чи може втома під час виконання певних дій бути мірою роботи? Спробуємо з’ясувати. Коли ви довгий час тримаєте в руках важкий рюкзак, то помітно втомлюєтеся. Але рюкзак весь час нерухомий, отже ніяка механічна робота не виконується.
Чому ж настає втома? Відповідь проста: коли ви тримаєте рюкзак у руках, ваші м’язи напружені. Саме це спричиняє їхню втому. Якщо рюкзак надіти на плечі, тримати його буде легше, адже вага рюкзака буде припадати не на м’язи, а на кістки.
Завдання 3
Підсумуємо
Завдання 4
Завдання 5
Завдання 6
Ключова ідея
Робота виконується лише тоді, коли на тіло діє сила, й тіло переміщується під дією цієї сили. Чим більшими є сила й переміщення під дією цієї сили, тим більшою є виконана робота. Якщо на тіло діє сила, але тіло залишається нерухомим, робота не виконується.
У науці термін енергія пов’язаний зі здатністю тіла виконувати роботу.
Тіла, що рухаються, здатні виконувати роботу, вони мають кінетичну енергію.
Підняті над землею або деформовані пружні тіла здатні виконувати роботу й мають потенціальну енергію.
Тіло одночасно може мати кінетичну й потенціальну енергію.
Суму цих енергій називають механічною енергією тіла.
Якщо тіло має механічну енергію, то воно здатне виконувати роботу. Під час виконання роботи тіло зменшує свою механічну енергію, і навпаки, під час виконання роботи над тілом його механічна енергія збільшується.
Запитання для повторення й засвоєння
1. У яких випадках говорять, що виконується робота?
2. Як робота залежить від сили та переміщення?
3. Які тіла мають кінетичну енергію?
4. У яких випадках тіло має потенціальну енергію?
5. Чи змінюється механічна енергія тіла, якщо сила, прикладена до нього, виконує роботу?
6*. У конструкції дверей доволі часто використовують спеціальні пружні механізми, що зачиняють ці двері автоматично. За рахунок чого виконується робота із зачинення дверей, адже людина вже увійшла в приміщення й не діє на двері?