В переводе с греч. «природа»

§2.7 Потенциальная энергия
Вторым видом механической энергии является потенциальная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием тел.
Потенциальная энергия характеризует не любое взаимодействие тел, а лишь такое, которое описывается силами, не зависящими от скорости. Большинство сил (сила тяжести, сила упругости, гравитационные силы и т.д.) именно таковы; исключением являются лишь силы трения. Работа рассматриваемых сил не зависит от формы траектории, а определяется лишь её начальным и конечным положением. Работа таких сил на замкнутой траектории равна нулю.
Силы, работа которых не зависит от формы траектории, а зависит лишь от начального и конечного положения материальной точки (тела) называют потенциальными или консервативными силами.
Если тело взаимодействует со своим окружением посредством потенциальных сил, то для характеристики этого взаимодействия можно ввести понятие потенциальной энергии.
П отенциальной называют энергию, обусловленную взаимодействием тел и зави­сящую от их взаимного расположения.
Найдем потенциальную энергию тела, поднятого над землей. Пусть тело массой m равномерно перемещается в гравитационном поле из положения 1 в положение 2 по поверхности, сечение которой плоскостью чертежа показано на рис. 2.8. Это сечение является траекторией материальной точки (тела). Если трение отсутствует, то на точку дейст­вуют три силы:
1) сила N со стороны поверхности нормально поверхности, работа этой силы равна нулю;
2) сила тяжести mg, работа этой силы А₁₂;
3) сила тяги F со стороны некоторого движущего тела (двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, человек и т. п.); работу этой силы обозначим А_T.
Р ассмотрим работу силы тяжести при перемещении тела вдоль наклонной плоскости длиной ℓ (рис. 2.9). Как видно из этого рисунка, работа равна
А' = mgℓ соsα = mgℓ соs(90° + α) = - mgℓ sinα
Из треугольника ВСD имеем ℓ sinα = h, по­этому из последней формулы следует:
А' = -mgh.
Траекторию движения тела (см. рис. 2.8) можно схематично представить небольшими участками наклонной плоскости, поэтому для , работы силы тяжести на всей траектории 1 -2 справедливо выражение
A₁₂=mg (h₁-h₂) =-( mg h₂ - mg h₁) (2.30)
Итак, работа силы тяжести не зависит от траектории тела, а зависит от различия в высотах расположения начальной и конечной точек траектории.
Величину
е_п = mg h (2.31)
называют потенциальной энергией материальной точки (тела) массой m поднятой над землей на высоту h. Следовательно, формулу (2.30) можно переписать так:
A₁₂= =-( En₂ - En₁) или A₁₂= =-ΔEn (2.32)
Работа силы тяжести равна взятому с обратным знаком изменению потенциальной энергии тел, т. е. разности ее конечного и начального значений (теорема о потенциальной энергии).
Подобные рассуждения можно привести и для упруго деформированного тела.
(2.33)
Отметим, что физический смысл имеет разность потенциальных энергий как величина, определяющая работу консервативных сил. В связи с этим безразлично, какому положению, конфигурации, следует приписать нулевую потенциальную энергию.
Из теоремы о потенциальной энергии можно получить одно очень важное следствие: консервативные силы всегда направлены в сторону уменьшения потенциальной энергии. Установленная закономерность проявляется в том, что любая система, предоставленная самой себе, всегда стремится перейти в такое состояние, в котором её потенциальная энергия имеет наименьшее значение. В этом заключается принцип минимума потенциальной энергии.
Если система в данном состоянии не обладает минимальной потенциальной энергией, то это состояние называют энергетически невыгодным.
Если шарик находится на дне вогнутой чаши (рис.2.10,а), где его потенциальная энергия минимальна (по сравнению с ее значениями в соседних положениях), то его состояние более выгодно. Равновесие шарика в этом случае является устойчивым: если сместить шарик в сторону и отпустить, то он снова возвратится в своё первоначальное положение.
Энергетически невыгодным, например, является положение шарика на вершине выпуклой поверхности (рис.2.10, б). Сумма сил, действующих при этом на шарик, равна нулю, и потому, этот шарик будет находится в равновесии. Однако равновесие это является неустойчивым: достаточно малейшего воздействия, чтобы он скатился вниз и тем самым перешёл в состояние энергетически более выгодное, т.е. обладающее меньшей
п отенциальной энергией.

При безразличном равновесии (рис. 2.10, в) потенциальная энергия тела равна потенциальной энергии всех его возможных ближайших состояний.

На рисунке 2.11 можно указать некоторую ограниченную область пространства (например cd), в которой потенциальная энергия меньше, чем вне её. Эта область получила название потенциальной ямы.

§2.8 Закон сохранения энергии в механике

В 1018 г.Эмми Нётер, немецкий физик и математик, доказал фундаментальную теорему физики, которую в упрощённом виде можно сформулировать так: каждому свойству симметрии пространства и времени соответствует свой закон сохранения. В частности, как следует из теоремы (теоремы Нётер) однородности времени должен соответствовать закон сохранения энергии: при любых процессах, происходящих в замкнутой консервативной системе, её полная механическая энергия не изменяется.
Элементарная работа потенциальных сил равна взятому с обратным знаком эле­ментарному изменению потенциальной энергии dA= -dE_п . Так как иных сил в системе нет, то та же элементарная работа равна элементарному изменению кинетической энергии dA= dE_к. По­этому можем записать
-dE_п = dE_к
dE_к + dE_п = 0,
d(Е_к + Е_п) = 0. (2.34)
Обозначим
Е_к + Е_п = Е (2.35)
здесь Е — полная механическая энергия. Из (2.39) видим, что полная механическая энергия остается постоянной:
E=const (2.36)
При решении задач в механике удобно пользоваться законом сохранения энергии в виде
ΔE_к = ΔE_п или Е_к1 + Е_п1 = Е_к2 + Е_п2. (2.37)
здесь Е_к1 и Е_п1, — соответственно кинетическая и потенциальная энергии тела (системы) в начальном положении; Е_к2 и Е_п2 — то же для конечного положения тела (системы).
Закон сохранения энергии в механике является частным случаем более общего закона сохранения и превращения энергии, который является одним из основных законов природы.
В земных условиях невозможно указать консервативную систему, хотя бы потому, что всегда действуют силы трения и сопротивления (диссипативные силы), происходит уменьшение механической энергии (диссипация энергии). В этом случае механическая энергия уже не будет оставаться постоянной; она будет изменяться, и её изменение, как это видно из формулы (2.38) будет складываться из изменения кинетической энергии ΔE_к, и изменения потенциальной энергии ΔE_п :
ΔЕ= ΔE_к,+ ΔE_п.. (2.38)
Учитывая соотношения (2.27) и (2.32), выражающие теорему о кинетической и потенциальной энергиях, последнее равенство можно переписать так:
ΔЕ= А_пот+А_дис-А_пот= А_дис. (2.39)
Изменение полной механической энергии неконсервативной системы равно сумме работы диссипативных сил.
Так как диссипативные силы направлены противоположно перемещению, то работа этих сил отрицательна и, следовательно, механическая энергия системы уменьшается.