Потенциальное силовое поле и силовая функция. Потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии

Силовым полем называется часть пространства, в котором на материальную точку действует сила, зависящая от координат точки и времени

Если сила явно не зависит от времени, то силовое поле называется стационарным. Стационарное силовое поле называется потенциальным, если проекции силы на оси Ох, Оу, Oz можно выразить через скалярную функцию по формулам

(I) т.е.

Функция называется силовой функцией. Из (I) следует, что силовая ф-я U определяется с точностью до аддитивной постоянной.

Потенциальной энергией материальной точки в данной точке потенциального силового поля называют работу, производимую силой, действующей на точку в потенциальном силовом поле, при её перемещении из рассматриваемой точки поля в начальную ., условно принимаемую за нулевую

Потенциальная энергия. — скалярная физическая величина, представляющая собой часть полной механической энергии системы, находящейся в поле консервативных сил.

Закон сохранения механической энергии, для любой замкнутой системы полная механическая энергия остается постоянной при любых взаимодействиях тел внутри системы. То есть энергия не возникает из ниоткуда и в никуда не исчезает. Она лишь переходит из одной формы в другую. Это справедливо для замкнутых систем, в которых энергия не поступает из вне, и не уходит из системы наружу.

Приближённым примером замкнутой системы может служить падение груза относительно большой массы, и малых размеров на землю с небольшой высоты. Допустим, что груз зафиксирован на некоторой высоте. При этом он обладает потенциальной энергией. Эта энергия зависит от его массы и высоты, на которой находится тело.

Формула 1 - Потенциальная энергия.

 

Кинетическая энергия груза при этом равна нулю, так как тело находится в состоянии покоя. То есть скорость тела равна нулю. При этом на систему не действуют никакие сторонние силы. В данном случае для нас важна только сила тяжести, действующая на груз.

Формула 2 - Кинетическая энергия.

 

Далее тело отпускают, и оно переходит в свободное падение. При этом его потенциальная энергия уменьшается. Так как уменьшается высота тела над землей. Также увеличивается кинетическая энергия. Вследствие того что тело начало двигаться и приобрело некоторую скорость. Груз движется к земле с ускорением свободного падения, а значит с прохождением некоторого расстояния, его кинетическая энергия увеличивается, вследствие увеличения скорости.

Рисунок 1 - Свободное падение тела.

 

Так как груз малыми размерами то сопротивление воздуха достаточно мало и энергия на его преодоление мала и ею можно пренебречь. Скорость движения тела не высока и на малом расстоянии не достигает момента, когда она уравновешивается трением о воздух и ускорение прекращается.

В момент столкновения с землей кинетическая энергия максимальна. Так как тело обладает максимальной для него скоростью. А потенциальная энергия равна нулю, так как тело достигло поверхности земли и высота равна нулю. То есть что происходит, максимальная потенциальная энергия в верхней точке, по мере движения переходит в кинетическую, которая в свою очередь достигает максимума в нижней точке. Но сумма всех энергий в системе за время движения остается постоянной. Насколько уменьшилась потенциальная энергия, настолько увеличилась кинетическая.