2. Кинетическая энергия

Кинетическая энергия механической системы – это энергия механического движения этой системы.

Сила F, действуя на покоящееся тело и вызывая его движение, совершает работу, а энергия движущегося тела возрастает на величину затраченной работы. Таким образом, работа dA силы F на пути, который тело прошло за время возрастания скорости от 0 до v, идет на увеличение кинетической энергии dT тела, т.е.

dA=dT.

Используя второй закон Ньютона и умножая на перемещение , получаем

Так как , то , откуда

.

Таким образом, тело массой m, движущееся со скоростью v, обладает кинетической энергией

. (3.9)

Из формулы (3.9) видно, что кинетическая энергия зависит только от массы и скорости тела, т.е. кинетическая энергия системы есть функция состояния ее движения. При выводе формулы (3.9) предполагалось, что движение рассматривается в инерциальной системе отсчета, следовательно, кинетическая энергия зависит от выбора системы отсчета.

2. Потенциальная энергия

Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия различных тел или частей одного и того же тела, определяемая их взаимным расположением.

Тело, находясь в потенциальном поле сил, обладает потенциальной энергией П. Работа консервативных сил при элементарном (бесконечно малом) изменении конфигурации системы равна приращению потенциальной энергии, взятому со знаком минус, так как работа совершается за счет убыли потенциальной энергии:

dA = – dП. (3.10)

Работа dA выражается как скалярное произведение силы на перемещение и выражение (3.10) можно записать в виде

. (3.11)

Исходя из (3.11) потенциальная энергия может быть определена как

,

где С –  постоянная интегрирования, т.е. потенциальная энергия определяется с точностью до некоторой произвольной постоянной. Это не отражается на физических законах, так как в них входит или разность потенциальных энергий в двух положениях тела, или производная П по координатам.

Для консервативных сил

, ,

или в векторном виде

, (3.12)

где

grad П=. (3.13)

Вектор, определяемый выражением (3.13) называется градиентом скаляра П. – единичные векторы координатных осей. Для него наряду с обозначением grad П применяется также обозначение .  ("набла") означает символический вектор, называемый оператором Гамильтона или набла–оператором:

. (3.14)

Конкретный вид функции П зависит от характера силового поля. Например, потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту h над поверхностью Земли, равна

П =mgh, (3.15)

где высота h отсчитывается от нулевого уровня, для которого П₀=0. Выражение (3.15) вытекает из того, что потенциальная энергия равна работе силы тяжести при падении тела с высоты h на поверхность Земли.

Найдем потенциальную энергию упругодеформированного тела (пружины). Сила упругости пропорциональна деформации:

F_{x упр}= – kx,

где F_{x упр} – проекция силы упругости на ось x, k – коэффициент упругости (для пружины коэффициент жесткости), а знак минус указывает, что F_{x упр} направлена в сторону, противоположную деформации х.

По третьему закону Ньютона, деформирующая сила равна по модулю силе упругости и противоположно ей направлена, т.е.

F_x=–F_{x упр}=kx.

Элементарная работа dA, совершаемая силой F_x при бесконечно малой деформации dx, равна

dA=F_xdx=kxdx,

а полная работа

идет на увеличение потенциальной энергии пружины. Таким образом, потенциальная энергия упругодеформированного тела

.

Потенциальная энергия системы является функцией состояния системы. Она зависит от конфигурации системы и ее положения по отношению к внешним телам.

Полная механическая энергия системы – энергия механического движения и взаимодействия:

Е=Т+П,

т.е. равна сумме кинетической и потенциальной энергий.