Энергия в природе не возникает из ниоткуда и не исчезает бесследно — она лишь принимает новые формы. Этот фундаментальный принцип работает как в масштабах Вселенной, так и в микромире, определяя движение планет, работу механизмов и поведение элементарных частиц. В статье расскажем, как и когда открыли закон сохранения энергии, в чем его суть и как он находит применение в нашей жизни.
Кто и как открыл закон сохранения энергии: краткая история
Еще в античные времена ученые проявляли интерес к законам, управляющим взаимодействием физических тел, однако сформулировать эти принципы математически удалось лишь спустя столетия. Первую серьезную попытку предпринял Рене Декарт в середине XVII века. В своем труде «Начала философии» он выдвинул идею о равенстве «количества движения», передаваемого между телами при столкновении. Позже Готфрид Лейбниц дополнил эту концепцию, введя понятие «живой силы» (современная кинетическая энергия). Однако все предложенные теории были лишены строгого математического обоснования.
Прорыв произошел в XIX веке. В 1842 году немецкий врач Юлиус Майер, исследуя выделение энергии при сжатии газа, впервые определил механический эквивалент тепла. Через пять лет еще один немец Герман фон Гельмгольц развил эти идеи, интерпретируя тепло как следствие движения частиц материи.
Параллельно английский физик Джеймс Джоуль провел серию экспериментов, доказавших взаимосвязь тепловых, электрических и химических процессов. Его выводы, опубликованные в 1851 году, стали ключевым шагом к признанию единства различных форм энергии. В том же году Уильям Томсон (лорд Кельвин) углубил теорию, продемонстрировав опытным путем, что энергия не испаряется, а трансформируется в менее полезные виды, например, рассеивается в виде тепла. Открытие легло в основу второго начала термодинамики.
К 1852 году Томсон и его коллега Уильям Ранкин расширили понятие «энергия», объединив под ним все известные формы — от механической работы до теплопередачи. Финальным аккордом стала работа Альберта Эйнштейна, который в начале XX века в рамках теории относительности доказал эквивалентность массы и энергии, окончательно закрепив современную трактовку фундаментального закона сохранения.
Формулировка закона сохранения энергии: суть простыми словами
Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно — она лишь переходит из одной формы в другую. Так, когда падает яблоко с ветки, его потенциальная энергия переходит в кинетическую.
«Если провести точные расчеты, можно заметить, что не вся изначальная энергия перешла в кинетическую — казалось бы, закон не выполняется. Однако это не так: часть энергии перешла во внутреннюю энергию системы. Проще говоря, при падении яблока возникает трение, при котором и яблоко, и воздух нагреваются», — объясняет Константин Барковец, учитель физики в СОШ «МАШ» и школе при университете «Права и экономики», амбассадор «Атомного урока».
Формула закона сохранения механической энергии
В идеальных условиях закрытой системы, без трения и других потерь, сумма кинетической и потенциальной энергии неизменна. Оба вида энергии измеряются в Джоулях (Дж).
E = Eₖ + Eₚ = const
Кинетическая энергия
Формула кинетической энергии:
Eₖ = (m × v²) / 2
Где:
- m — масса в кг;
- v — скорость в м/с.
Энергия движения. Выше скорость и масса предмета — выше его кинетическая энергия.
Потенциальная энергия
Энергия взаимодействия тел. У камня на вершине горы есть потенциальная энергия гравитационного взаимодействия с планетой.
Формула потенциальной энергии:
Eₚ = m × g × h
Где:
- g ≈ 9.8 м/с² — ускорение свободного падения у поверхности земли;
- h — высота в метрах.
Потенциальная энергия также возникает, когда упругое тело, например, пружина или тетива, деформируется — сжимается, растягивается или изгибается. В процессе деформации оно получает энергию. Она высвобождается, когда тело возвращается в исходное состояние.
Eₚ = (1/2) × k × х²
Где:
- k — коэффициент жесткости упругого тела, измеряется в ньютонах на метр (Н/м);
- x — величина деформации в метрах.
В каком классе на уроках физики изучают закон сохранения энергии
В российской школе закон сохранения энергии вводят в 7-8 классе на примерах механики, углубляя знания в 10-11 классах при изучении термодинамики и электромагнетизма.
«На уроках я часто объясняю явления природы через призму закона. От расчета скорости падения яблока до энергии, которая выделяется при распаде урана. В качестве доказательства, что закон выполняется, можно провести эксперимент с маятником. Он наглядно демонстрирует превращение потенциальной энергии в кинетическую и обратно», — объяснил Константин Барковец.
Специалист рассказал, что эксперимент состоит из трех шагов.
- Подвесьте груз на нити, создав маятник.
- Отклоните груз и отпустите.
- Наблюдайте, как потенциальная энергия (когда груз находится в верхней точке) превращается в кинетическую (когда груз движется вниз) и обратно.
«Энергия системы сохраняется и переходит из одной формы в другую. Если бы не было трения, маятник качался бы вечно», — подытожил Константин Барковец.
Примеры задач с законом сохранения энергии в механике
Чтобы разобраться с темой на практике, разберем две задачи из тех, что решают на уроках физики.
Задача №1
Мяч массой 0,5 кг падает с высоты 10 м. Какой будет его скорость у земли?
Решение
Потенциальная энергия мяча (гравитационная) переходит в кинетическую (энергию движения).
Согласно закону сохранения энергии, Eₚ = Eₖ, следовательно, m × g × h = (m × v²) / 2.
Приравниваем обе формулы и сокращаем массу, так как она не равна нулю и присутствует в обеих частях равенства. Получаем v²/2 = g × h.
Затем нам нужно вычислить скорость — умножаем обе части равенства на 2, после чего извлекаем из правой части квадратный корень: v = √(2 × g × h).
Подставляем числовые значения из условия задачи и получаем скорость мяча у земли √(2 × 9,8 × 10) ≈ 14 м/с.
Задача №2
Спортивный батут имеет коэффициент жесткости 1800 H/м. Во время прыжка гимнастки сетка батута прогибается на х = 0,6 м. Какая упругая потенциальная энергия запасается в сетке батута при максимальном прогибе?
Решение
Формула упругой потенциальной энергии: Eₚ = (1/2) × k × х²
Подставляем значения: Eₚ = (1/2) × 1800 H/м × (0,6 м)² = 324 Дж.
Применение закона сохранения энергии в жизни
- Питание. Из поглощенной еды в процессе обмена веществ высвобождается энергия. Организм использует ее для работы органов и систем, физической активности.
- Качели. При движении вниз из максимальной точки подъема потенциальная энергия преобразуется в кинетическую.
- Работа гидроэлектростанций. Потенциальная энергия воды превращается в электрическую.
- Современные квантовые компьютеры. При выполнении квантовых операций энергия системы перераспределяется, но ее суммарное значение всегда неизменно. Это важно для корректной работы квантовых алгоритмов.
Мнение эксперта
«Даже Большой взрыв по одной из теорий изначально был «чистой энергией», которая породила все, что есть в космосе. Частично энергия «превратилась» в материальные объекты, частично — в поля различной природы, темную материю и т.д. А в квантовой теории поля существует очень интересное явление, когда вакуум «рождает» частицы. Казалось бы, это контрпример, доказывающий неполное выполнение закона сохранения энергии. Однако и здесь Вселенная строго регулирует образование этих виртуальных частиц. Они «берут в долг» энергию у вакуума на короткое время, но в конечном счете суммарная энергия системы сохраняется. Все эти примеры подтверждают работу закона», — рассказывает Константин Барковец.
Что нужно запомнить о законе сохранения энергии
- Энергия во Вселенной не создается из ничего и не пропадает без следа.
- Если существует только Eₖ и Eₚ, то в замкнутой системе Eₖ + Eₚ = const.
- Кинетическая энергия — энергия движения. Eₖ = (m × v²) / 2.
- Потенциальная энергия — энергия взаимодействия одного тела с другим. Гравитационная рассчитывается по формуле Eₚ = m × g × h.
- Энергия упругой деформации возникает, когда тело (пружина, резиновый жгут) деформируется — сжимается или растягивается. Рассчитывается по формуле Eₚ = (1/2) × k × x².
