Потенциальная и кинетическая энергии

Потенциальной энергией называют энергию, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела.

Потенциальной энергией, например, обладает тело, поднятое относительно поверхности Земли, потому что энергия тела зависит от взаимного положения его и Земли и их взаимного притяжения. Будем считать потенциальную энергию тела, лежащего на Земле, равной нулю. Тогда потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту, определится работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю. А работа, как мы знаем, равна произведению силы на путь, т. е.

A = Fh,

значит, в этом случае и потенциальная энергия E равна:

E = Fh.

Огромной потенциальной энергией обладает вода в реках, поднятая плотинами. Опускаясь вниз, вода совершает работу, приводя в движение мощные турбины электростанций.

Потенциальную энергию копра используют в строительстве для совершения работы по забиванию свай. Открывая дверь с пружиной, совершают работу по растяжению (или сжатию) пружины. За счет приобретенной энергии пружина, сокращаясь (или распрямляясь), совершает работу, закрывая дверь.

Энергию сжатых и закрученных пружин используют в винтовках для приведения в движение ударника с бойком, в ручных часах и разнообразных заводных игрушках. Потенциальной энергией обладает всякое упругое деформированное тело. Потенциальную энергию сжатого газа используют в работе тепловых двигателей, в отбойных молотках, которые широко применяют в горной промышленности, при строительстве дорог, выемке твердого грунта и т. д.

Чем сильнее газ сжат, тем большей потенциальной энергией он обладает, следовательно, и большую работу совершит при расширении.

Энергию, которой обладает тело вследствие своего движения, называют кинетической энергией.

Движущаяся вода, приводя во вращение турбины гидроэлектростанций, расходует свою кинетическую энергию и совершает работу. Кинетической энергией обладает и движущийся воздух — ветер.

От чего зависит кинетическая энергия? Обратимся к опыту. На рисунке 174 изображен наклонный желоб, к которому примыкает горизонтальный желоб. На горизонтальном желобе лежит небольшой деревянный цилиндр В. Если скатывать шарик А с разных высот, то можно заметить, что, чем с большей высоты скатывается шарик, тем больше его скорость и тем дальше он передвигает цилиндр, т. е. совершает большую работу.

За счет скорости большой кинетической энергией обладает летящая пуля. Если провести опыт с шариками разных масс, то можно убедиться, что кинетическая энергия шарика зависит от его массы. Чем больше масса тела и скорость, с которой оно движется, тем больше его кинетическая энергия.

Кинетическую энергию тел используют в технике. Особенно широко используется кинетическая энергия текущей воды. Падая с плотины, вода приводит в движение турбину, соединенную с генератором электрического тока. За счет кинетической энергии воды вырабатывается электрическая энергия.

В последнее время водная энергия приобрела огромное значение в народном хозяйстве, получив название «белого угля». В Советском Союзе энергию «белого угля» используют с помощью мощных гидроэлектростанций. Строительство гидроэлектростанций — очень важная задача народного хозяйства страны. И эта задача благодаря социалистическому строю нашей страны успешно разрешается. В настоящее время у нас действует ряд крупнейших гидроэлектростанций: Днепровская ГЭС им. В. И. Ленина мощностью 648 тыс. кВт; Волжская ГЭС им. В. И. Ленина мощностью 2,3 млн. кВт; Волжская ГЭС им. XXII съезда КПСС мощностью 2,53 млн. кВт; Братская ГЭС им. 50-летия: Великого Октября на Ангаре мощностью 4,5 млн. кВт. Построена на Енисее самая крупная в мире Красноярская ГЭС им. 50-летия СССР мощностью 6 млн. кВт; введены в действие новые гидроагрегаты на Саяно-Шушенской ГЭС мощностью по 640 тыс. кВт. Эти гидроагрегаты являются самыми мощными в мире.

Все тела в природе относительно условного нулевого значения обладают либо потенциальной, либо кинетической энергией, а иногда той и другой вместе. Например, летящий самолет обладает относительно Земли и кинетической, и потенциальной энергией.

Мы ознакомились с двумя видами механической энергии. Иные виды энергии (электрическая, химическая и др.) будут рассмотрены в других разделах курса физики.

Вопросы.

1. Какую энергию называют потенциальной? 2. Приведите примеры тел, обладающих потенциальной энергией. 3. В каком случае потенциальную энергию тела считают равной нулю? 4. Что является мерой потенциальной энергии тела, поднятого на некоторую высоту относительно поверхности Земли? 5. Как показать, что деформированная пружина обладает потенциальной энергией? Что является мерой этой энергии? В каком состоянии пружины ее потенциальную энергию удобно принять за нуль? 6. Какую энергию называют кинетической? 7. В каком случае кинетическую энергию тела считают равной нулю? 8. Назовите случаи, когда тела обладают кинетической энергией. 9. Как зависит кинетическая энергия от массы тела и его скорости? 10. Какой энергией обладает летящий самолет относительно Земли? 11. Какой энергией обладает поднятая плотиной вода? 12. Где используют кинетическую энергию текущей воды?

Упражнения. 1. Какой потенциальной энергией относительно Земля обладает тело массой 100 кг на высоте 10 м? 2. Молот копра для забивания свай (рис. 175) массой 500 кг падает с высоты 10 м. Чему будет равна потенциальная энергия молота на высоте 4 м? Чему равна совершенная им работа? 3. В каких местах реки — у истоков или в устье — каждый кубический метр воды обладает большей потенциальной энергией? Ответ обоснуйте. 4. В какой реке — горной или равнинной,— каждый кубический метр текущей воды обладает большей кинетической энергией? 5. Высота падения воды на Нурекской ГЭС, строительство которой завершено в десятой пятилетке, равна 275 м. Каждую секунду через одну турбину этой ГЭС проходит 155 м3 воды. Какая энергия в 1 с расходуется в турбине? Чему равен КПД турбины, если электрическая мощность ее равна 300 МВт?