Енергія, робота та потужність

Розглянуте раніше поняття «імпульс» (), що характеризує інертні властивості тіла і є деякою мірою руху тіла, не завжди можна застосувати для оцінки зміни характеру руху тіла. Наприклад, розглянемо рух тіла за наявності тертя, в результаті якого тіло зупиняється (), при цьому механічний рух перетворюється у теплову форму руху (молекул), і імпульс тіла не може бути мірою такого руху. Отже, потрібна інша, універсальна міра руху, що дозволяла б врахувати перехід від однієї форми руху до іншої, тобто що була б єдиною кількісною мірою руху у всіх його формах. Такою фізичною величиною є енергія. Енергія – це кількісна міра руху матерії в усіх формах цього руху.

У природі постійно протікають процеси, що супроводжуються перетворенням однієї форми руху матерії в іншу, а енергія є єдиною мірою, що характеризує кількісні та якісні зміни руху, що відбуваються при цьому. Ці зміни зумовлені взаємодією тіл системи, як між собою, так і з зовнішніми тілами. Оскільки рух є невід’ємним атрибутом матерії (способом її існування), будь-яке тіло має певний запас енергії, що є мірою цього руху. Таким чином, енергія – це єдина кількісна міра руху в усіх формах його прояву і лише умовно для кількісної оцінки якісно різних форм руху і відповідно до них взаємодій вводиться поняття механічної, теплової, електромагнітної і інших видів енергії.

Зміна механічного руху тіла зумовлена силами, що діють на нього з боку інших тіл. Тому для кількісної оцінки обміну енергією між взаємодіючими тілами вводиться поняття роботи сили.

Робота є мірою передачі енергії від одного тіла до іншого.

Елементарною роботою сили на малому переміщенні називається скалярний добуток:

(1.107)

де α – кут між векторами та . В залежності від кута a робота може бути додатною (), від’ємною () і рівною нулю ().

В загальному випадку, коли тіло, рухаючись по криволінійній траєкторії, проходить скінченний шлях, можна уявно розбити цей шлях на безкінечно малі елементи, на кожному з яких силу можна вважати постійною, і елементарна робота визначається рівнянням (1.107), тоді загальна робота на усьому шляху визначається

(1.108)

і називається криволінійним інтегралом вектора вздовж траєкторії L.

При дії на тіло одночасно декількох сил загальна робота визначатиметься:

тобто робота результуючої декількох сил рівна алгебраїчній сумі робіт, виконаних кожною із сил окремо.

Одиницею роботи в системі СІ є джоуль (Дж). 1 Дж = 1м·1с.

Потужність – це робота, віднесена до одиниці часу:

(1.109)

По-іншому потужність можна записати:

(1.110)

Таким чином, одну і ту ж потужність можна розвинути або за рахунок дії великої сили, що спричинює малу швидкість тіла (наприклад, сила тяги двигуна повільного трактора), або ж за рахунок відносно незначної дії сили, що спричинює велику швидкість тіла (наприклад, сили тяги двигуна спортивного автомобіля).

Одиницею потужності в системі СІ є ватт (Вт). 1 Вт = 1 Дж/1 с. Однією з позасистемних одиниць вимірювання потужності, що часто зустрічається в автомобільній індустрії, є кінська сила. 1 к.с. = 736 ватт.