Zákon zachování mechanické energie

V izolované soustavě, na kterou působí pouze konzervativní síly (jako je gravitační síla a síla pružnosti), zůstává celková mechanická energie konstantní.

Celková mechanická energie (\(E\)) je součtem kinetické energie (\(E_k\)) a potenciální energie (\(E_p\)) těles v soustavě:

\[E = E_k + E_p = \text{konstantní}\]

To znamená, že se kinetická energie může přeměňovat na potenciální energii a naopak, ale jejich součet se nemění. Pokud jedna složka energie klesá, druhá musí o stejnou hodnotu vzrůst.

\[E_{k1} + E_{p1} = E_{k2} + E_{p2}\]

kde:

• \(E_{k1}\) je počáteční kinetická energie

• \(E_{p1}\) je počáteční potenciální energie

• \(E_{k2}\) je konečná kinetická energie

• \(E_{p2}\) je konečná potenciální energie

Příklady:

• Volný pád: Když těleso padá, jeho potenciální energie (daná výškou) se mění na kinetickou energii (danou rychlostí). Celková mechanická energie (součet potenciální a kinetické) zůstává konstantní (za předpokladu zanedbání odporu vzduchu).

• Kyvadlo: Při kmitání kyvadla se neustále přeměňuje potenciální energie (v krajních polohách) na kinetickou energii (v nejnižším bodě) a zpět. Celková mechanická energie je stálá (opět za ideálních podmínek bez tření).

• Pohyb tělesa po nakloněné rovině (bez tření): Těleso klouzající dolů po nakloněné rovině mění svou potenciální energii na kinetickou, přičemž celková mechanická energie se zachovává.

• Pružina: Stlačení nebo natažení pružiny ukládá potenciální energii. Po uvolnění se tato potenciální energie přemění na kinetickou energii pohybujícího se tělesa připojeného k pružině.

Zákon zachování energie

Energie, jak jsme již zmínili, je zachována, což ji činí jednou z nejdůležitějších fyzikálních veličin v přírodě. Zákon zachování energie lze vyjádřit následujícím způsobem:

Celková energie je konstantní v jakémkoli procesu. Může se změnit ve formě nebo být přenesena z jednoho systému do druhého, ale celkový součet zůstává stejný.

Prozkoumali jsme některé formy energie a způsoby, jakými může být přenesena mezi systémy. Tento průzkum vedl k definici dvou hlavních typů mechanické energie (kinetická a potenciální energie). Energie však může existovat v mnoha dalších formách, projevujících se různými způsoby, a je potřeba se vypořádat se všemi těmito formami, než budeme schopni napsat rovnici pro výše uvedený obecný zákon zachování energie.

Jiné formy energie než mechanická energie

V tuto chvíli zahrnujeme všechny ostatní formy energie do jedné skupiny nazývané jiná energie (OE). Pak můžeme vyjádřit zákon zachování energie ve formě rovnice:

\[ E_{k1} + E_{p1} + W + OE_1 = E_{k2} + E_{p2} + OE_2 \]

Všechny typy energie a práce mohou být zahrnuty do této velmi obecné formulace zákona zachování energie. Kinetická energie je označena jako E_k, práce vykonaná konzervativní silou je reprezentována E_p, práce vykonaná nenezachovávajícími silami je W a všechny ostatní energie jsou zahrnuty pod OE. Tato rovnice platí pro všechny předchozí příklady; v těchto situacích byla OE konstantní, a tedy byla odečtena a přímo nezohledněna.

Užitečnost principu zachování energie

Skutečnost, že energie je zachována a existuje v mnoha formách, ji činí velmi důležitou. Energie je diskutována v mnoha kontextech, protože je zapojena do všech procesů. Bude také zřejmé, že mnoho situací je nejlépe pochopeno z hlediska energie a že problémy jsou často nejjednodušeji koncepčně řešeny a vyřešeny zohledněním energie.

Kdy hraje OE roli? Jedním z příkladů je, když člověk jí. Jídlo se oxiduje s uvolněním oxidu uhličitého, vody a energie. Některá z této chemické energie se přemění na kinetickou energii, když se člověk pohybuje, na potenciální energii, když mění výšku, a na tepelnou energii (další formu OE).

Některé z mnoha forem energie

Existuje mnoho dalších forem energie kromě těch, které jsme již probrali. Některé z nich si nyní představíme:

• Elektrická energie: Běžná forma energie, kterou lze snadno přeměnit na jiné formy a využít k vykonávání práce v mnoha zařízeních.

• Chemická energie: Uložena v palivech (např. benzín, jídlo) a bateriích. Uvolňuje se chemickými reakcemi (např. oxidací) a může být přeměněna na jiné formy energie, včetně elektrické energie a tepla.

• Energie záření (Elektromagnetické záření): Energie přicházející ze Slunce, zahrnující viditelné světlo, infračervené a ultrafialové záření. Je zdrojem většiny energie na Zemi.

• Jaderná energie: Uvolňuje se při přeměnách hmoty na energii v atomových jádrech. Využívá se v jaderných elektrárnách k výrobě elektřiny a je zdrojem energie Slunce.

• Tepelná energie: Vnitřní energie atomů a molekul v neustálém náhodném pohybu. Je spojena s teplotou objektu.

Všechny tyto formy energie lze vzájemně přeměňovat a využívat k vykonávání práce.