Одним із фундаментальних законів природи є закон збереження і перетворення енергії:

Енергія нікуди не зникає і нізвідки не виникає, вона лише перетворюється з одного виду на інший, передається від одного тіла до іншого.

У повсякденному житті вам часто доводилося спостерігати, як потенціальна енергія тіла перетворювалась в його кінетичну енергію, і навпаки, кінетична — в потенціальну. Розглянемо приклад перетворення потенціальної енергії тіла в кінетичну. 

Якщо зменшується один вид енергії, то інший, навпаки, — збільшується. Дослідженнями було встановлено, що під час перетворення одного виду енергії в інший повна енергія залишається незмінною, зберігається. 

У положенні А за найбільшого відхилення від положення рівноваги деформовані пружини володіють максимальною потенціальною енергією Eп = max. Потім ця енергія перетворюється у кінетичну енергію кулі, і вона рухається, збільшуючи свою швидкість. Потенціальна енергія пружин зменшується, а кінетична енергія кулі буде збільшуватися і досягне найбільшого значення Eк = max, у момент проходження положення О. У цьому положенні деформація пружин відсутня і, отже, їхня потенціальна енергія дорівнює нулю, Eп = 0.

Під час руху кулі від положення О до положення В її швидкість зменшується, тому зменшується і її кінетична енергія. У момент найбільшого відхилення кулі її кінетична енергія рівна нулю: Eк = 0. Деформація ж пружин збільшується і досягає максимального значення у положенні В. Тобто, їхня потенціальна енергія зросте до Eп = max.

Таким чином, під час коливань кулі відбуваються перетворення потенціальної енергії деформованих пружин у кінетичну енергію кулі і навпаки. Але головним є те, що сума кінетичної і потенціальної енергій залишається величиною сталою, тобто постійною залишається повна механічна енергія тіл Е:    E = Eп + Eк = const

Однією з проблем енергетики світу є те, що споживання електроенергії впродовж доби є надто нерівномірними, існують періоди максимального навантаження (пікове навантаження) та мінімального навантаження на мережу. Але в той же час виробництво електроенергії впродовж доби є майже постійним, наприклад, потужність атомної електростанції можна змінювати дуже повільно, а отже, електроенергія виробляється весь час — як удень, так і вночі. Вітрогенератор і сонячні електростанції виробляють електроенергію тільки тоді, коли є носій енергії, і контролювати їх виробництво також складно.

Одним з виходів з даної ситуації є накопичення електроенергії в нічний час доби та використання її вдень. Найчастіше для цього використовують гідроакумулюючі електростанції.

У період, коли споживання електроенергії мале, вода з основної водойми не зливається через греблю, а продовжує обертати лопаті турбін, з’єднаних з генераторами. Вироблений електричний струм приводить у дію електричні двигуни насосів, які закачують воду у водойми, розміщені вище від рівня основної. У період збільшеного споживання струму вода з цієї водойми обертає турбіни й виробляє додаткову енергію.

Таким чином, кінетична енергія падаючої води перетворюється в потенціальну енергію води в додатковій водоймі, яка потім знову перетворюється в кінетичну енергію падаючої води.

Відкриття закону збереження і перетворення енергії спричинило закриття цілого напрямку в науці, коли вчені та винахідники намагалися створити пристрій, який виконував би роботу без споживання енергії зовні. Такий пристрій називають «вічним двигуном» (лат. perpetuum mobile — вічний рух).

У багатьох проектах вічного двигуна застосовують дію сили тяжіння. У подібних механізмах деяке важке тіло здійснює замкнутий шлях; під час його опускання повертається така сама кількість роботи, яка була витрачена на його підняття. Тому такі механізми можуть здійснювати роботу лише за рахунок первинного запасу кінетичної енергії, наданого їм при пуску; коли ж цей запас буде повністю витрачений, «вічний двигун» зупиниться.

Закон збереження і перетворення енергії виявився настільки незаперечним, що в 1775 р. Паризька академія наук — найвищий на той час науковий трибунал Західної Європи — виступила проти безпідставної віри в можливість створення вічного двигуна й прийняла рішення не розглядати більше заявки на патентування даного пристрою. 

Дайте відповідь на запитання

1. Сформулюйте закон збереження енергії.

2. У яких умовах виконується закон збереження повної механічної енергії в загальному вигляді?

3. Наведіть приклади перетворення одного виду механічної енергії в інший.

Поясніть

1. Під час скочування санок з гори їх швидкість безперервно збільшується. Чому?

2. Поясніть, які відбуваються перетворення енергії під час запуску стріли із лука.

3. Поясніть, які перетворення енергії і чому відбуваються у наступних випадках:

а) під час руху м’яча, кинутого вгору;

б) під час скочування кульки з похилої площини;

в) при падінні води у водоспаді;

г) при падінні пластилінової кульки на підлогу.

Приклад розв'язування задачі

Тіло масою 2 кг підняте над землею на висоту 10 м. Визначте повну механічну енергію тіла на цій висоті. Яку потенціальну та кінетичну енергії матиме тіло внаслідок падіння на висоті 5 м? 

Задачі

 1. Потенціальна енергія тіла, яке перебуває на деякій висоті в стані спокою, дорівнює 400 Дж. Тіло відпускають. Якою буде кінетична енергія тіла в момент, коли його потенціальна енергія становитиме 150 Дж?

2. Тіло кидають угору, надаючи йому кінетичну енергію 300 Дж. На якійсь висоті кінетична енергія тіла зменшиться до 120 Дж. Якою буде потенціальна енергія тіла на цій висоті?

3. Камінь масою 500 г кинули вертикально вгору зі швидкістю 20 м/с. Визначте кінетичну і потенціальну енергії каменя на висоті 10 м.

4. Тіло, що перебувало в стані спокою, падає з висоти 20 м. На якій висоті швидкість руху тіла дорівнюватиме 10 м/с?

5. М’яч кинули вертикально вгору зі швидкістю 8 м/с. Визначте, на який висоті швидкість руху м’яча зменшиться вдвічі.

6. Тіло підняли на висоту 10 м над землею і відпустили. Воно впало на землю зі швидкістю 12 м/с. Безпосередніми розрахунками перевірте, чи справджується у цьому досліді закон збереження механічної енергії. Поясніть одержаний результат. 

Парк для скейтів

Приклади навчальних цілей

• Поясніть збереження механічної енергії за допомогою кінетичного, гравітаційного потенціалу та теплової енергії.

• Опишіть, як зміна маси, тертя чи гравітації впливає на енергію скейтбордиста.

• Передбачте положення або оцініть швидкість за допомогою стовпчастої діаграми або кругової діаграми енергії.

• Обчисліть швидкість або висоту в одній позиції на основі інформації про іншу позицію.

• Опишіть, що відбувається з енергією в системі, коли висота змінюється.

• Спроектуйте скейт-парк, використовуючи поняття механічної енергії та енергозбереження.