Механическая энергия не всегда сохраняется

РАБОТА СИЛЫ ТРЕНИЯ И МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ

Нам остается еще рассмотреть работу третьей механической силы -силы трения. В земных условиях сила трения в той или иной мере играет роль при всех движениях.

Чем отличается работа силы тре­ния от работы других сил?

Напомним, что сила трения (имеется в виду трение скольжения) возникает при движении одного тела относительно другого. Направлена сила трения всегда против направ­ления движения. В этом ее главное отличие от сил тяжести и упругости.

Работа силы тяжести и силы упругости может быть и положи­тельной и отрицательной. Например, при свободном падении тела работа силы тяжести положительна и его кинетическая энергия растет. Если же тело брошено вертикально вверх, оно движется против силы тяжести, работа силы тяжести отрицательна, и кинетическая энергия тела умень­шается. В конце концов тело оста­навливается на миг и начинает обратный путь вниз.

Иначе «ведет себя» сила трения. Если толкнуть тело, лежащее на горизонтальной поверхности, оно ста­нет двигаться против силы трения подобно тому, как движется тело, брошенное вверх. Кинетическая энергия тела уменьшается (работа отрицательная!). Пройдя какое-то расстояние, тело остановится, но не «на миг». Оно останавливается совсем и в обратный путь не дви­нется.

Все дело в том, что в примере с телом, брошенным вверх, кинетическая энергия тела, постепенно уменьшаясь, превраща­ется в энергию потенциальную. На «обратном» пути потенциальная энергия снова превращается в кине­тическую, В случае же движения тела под действием силы трения кинетическая энергия тела уменьша­ется, но в потенциальную энергию не превращается. Поэтому у такого тела «обратного» пути нет.

Таким образом, когда на тело действует сила трения (сама по себе или вместе с другими силами), закон сохранения полной механиче­ской энергии нарушается: кинети­ческая энергия уменьшается, а потенциальная взамен не появляет­ся. Полная механическая энергия уменьшается. Если, например, тело падает не в пустоте, а в воздухе, то потенциальная энергия умень­шается на mgh, как и в пустоте. Но скорость тела, когда оно дости­гает поверхности Земли, будет мень­ше, чем при свободном падении. Меньшей будет и его кинетическая энергия, так что ее увеличение уже не будет равно уменьшению потен­циальной энергии. Уменьшение пол­ной механической энергии произо­шло из-за работы силы сопротив­ления воздуха, а эта сила очень похожа на силу трения.

И все-таки энергия сохраняется!

Но оказывается, что нарушение закона сохранения энергии из-за действия силы трения только кажу­щееся. Дело в том, что трение одного тела о другое всегда приводит к нагреванию обоих трущихся тел, к повышению их температуры. А из курса физики VIII класса известно, что температура тел определяется кинетической энергией движения частиц (молекул), из которых со­стоят все тела. Тщательные изме­рения показали, что кинетическая энергия молекул увеличивается как раз на столько, на сколько умень­шается кинетическая энергия тру­щихся тел. Но энергия движения молекул не считается механической энергией. Механическая энергия — это энергия тел, а не частиц, из которых тела состоят. Ведь в законы механики температура не входит!

Таким образом, механическая энергия тела или системы тел случае, когда действуют силы трения, действительно не сохраня­ется, а уменьшается. Но мы здесь имеем дело с еще одним примером превращения энергии: механическая энергия превращается в энергию движения молекул. Эту энергию на­зывают внутренней энергией. Закон сохранения полной механической энергии может и нарушаться. Но никогда не нарушается закон сохра­нения полной энергии, если понимать под полной энергией не только механическую энергию, а сумму всех видов энергии — потенциальной, кинетической, внутренней и других видов, с которыми мы познакомимся в других частях курса.

Дата добавления: 2014-01-14