Закон за запазване на енергията

Развълнувай се, понеже в това видео ще говорим за един от най-важните закони в цялата наука. И това е законът за запазване на енергията. Ще се учудиш колко можем да разберем за Вселената въз основа на закона за запазване на енергията. И ще се учудиш колко неточности можеш да намериш в сюжетите на научната фантастика въз основа на закона за запазване на енергията. Да започнем с термините, които може да видиш. И после ще опитаме да разберем малко по-задълбочено това. Това ни казва, че общата енергия на една изолирана система е постоянна. Енергията не може да бъде създадена или разрушена. Може само да бъде прехвърлена от една форма в друга, или прехвърлена от една система към друга. Подчертах почти цялото нещо, понеже е толкова важно. За да разберем това, нека просто помислим какви видове енергия сме изучавали. Изучавали сме неща като кинетична енергия, която е енергията поради движението на тялото. Говорихме за потенциална енергия, която можеш да приемеш за енергията поради позицията на тялото. И това ще е механичната потенциална енергия. Ако комбинираш тези два вида енергия заедно те са известни като механична енергия. Нека оградим това. Това е механична енергия. Когато учиш физика за пръв път, това са видовете енергия, върху които се фокусираме. Но има други видове енергия. Има термална (топлинна) енергия. Има ядрена енергия. Има химична енергия. Това не са единствените видове. Когато говорим за закона за запазване на енергията, нещата като кинетична енергия могат да бъдат трансформирани в химична енергия. Но няма да говорим за тези други видове енергии в това видео. За да започнем да оценяваме това, нека първо помислим как механичната енергия може да бъде запазена. Можеш да гледаш на това като на закон за запазване на механичната енергия. Но после малко ще усложни нещата и ще видим дали можем някак да отхвърлим закона за запазване на енергията. И проявява скептицизъм към всеки, който твърди, че може да отхвърли закона за запазване на енергията. Да започнем със система, която съдържа цялата Земя и една топка. Да наречем това система Земя-топка. И когато работиш със закона за запазване на енергията, важно е да уточниш каква е системата ти. И ще приемем, че това е изолирана система, която не взаимодейства много с други външни системи, нещата като Слънцето и други подобни. Тук начертах Земята, това което прилича на трева и е равно. И нека начертая топката. Да кажем, че топката ми е над земята, ето така. Докато топката е неподвижна и ще приемем, че тук няма въздух, докато топката е неподвижна така имаме цялата потенциална енергия. Можем да я наречем гравитационна потенциална енергия. И символът, който използваме за потенциална енергия, е U. И можем да кажем, че това е гравитационната потенциална енергия. Можем да кажем, че няма кинетична енергия. Няма кинетична енергия. Ако мислехме за по-широка система, ако говорехме за Слънчевата система или нещо подобно, тогава Земята обикаля в орбита около Слънцето, Слънцето обикаля около центъра на галактиката. Но затова уточняваме, че това е системата Земя-топка. Но какво ще се случи, ако пусна топката? И, особено, какъв е енергийния профил на топката, точно когато докосне земята тук? Приемам, че ще удари земята и няма да отскочи, понеже това би усложнило нещата. В тази ситуация изведнъж нямаш гравитационна потенциална енергия, но точно когато докосне земята, не когато е неподвижна, а точно когато я докосне, ще има много кинетична енергия. Цялата кинетична енергия. И тук виждаме, че цялата тази потенциална енергия бива прехвърлена в кинетична енергия, точно когато топката докосне земята. Знам какво си мислиш. Ами след този момент? Ако тази топка, особено ако не отскочи, ако просто си стои там, изглежда вече нямаме енергия. Изглежда енергията е била разрушена. Въпросът ми е къде е отишла цялата тази енергия. Спри видеото и опитай да помислиш. Някои може да кажат: "След като топката просто си стои в покой, може би сме намерили случай, в който сме оспорили закона за запазване на енергията. " И, помни, казах ти да проявявал скептицизъм, ако някой ти каже това. Където енергията я няма, тя е била разпръсната. Превърнала се е в топлина. Ще е преобразувана в топлинна енергия. Топката и земята ще станат много по-топли, понеже кинетичната енергия, точно когато топката докосне земята, ще бъде превърната в топлинна енергия. Отново, не сме оборили закона за запазване на енергията. Друго нещо, което може да кажеш, е: "Представи си свят, в който има въздух." Нека начертая няколко въздушни частици ето тук. И знаем, че докато топката пада надолу, тя преминава през въздуха, приемаш това за въздушно съпротивление. Някои хора наричат това триене поради въздуха. Това ще забави тази топка. Може би няма да има толкова кинетична енергия, когато стигне тук долу. Изглежда енергията ще бъде разрушена в тази ситуация. И отново ще ти кажа не, енергията не е била разрушена. Докато топката пада надолу, топката и въздухът около нея ще се нагреят. Отново, това въздушно съпротивление е дисипативна сила. Ще доведе до създаване на термална енергия. И ако искахме да запишем това с уравнение, има два начина да запишем това. Ако просто записваме закона за запазване на механичната енергия, и не говорим за дисипативна сили, можем да кажем, че началната кинетична енергия плюс началната потенциална енергия ще е равно на крайната кинетична енергия плюс крайната потенциална енергия. Друг начин да запишем точно същото нещо е да кажем, че промяната в кинетичната енергия плюс промяната в потенциалната енергия трябва да даде сбор от нула, като приемем, че нямаме дисипативни сили и приемем, че не превръщаме в някакъв от другите видове енергия като химическа енергия или топлинна енергия. Но ако искаше да включиш дисипативни сили, дисипативните сили извършват нещо, наречено неконсервативна работа. Те извършват отрицателна работа, понеже силата на, да кажем, триене винаги действа в посока, обратна на движението. Като вземем това предвид, можем да пренапише тези уравнения. Можем да запишем, че началната кинетична енергия плюс началната потенциална енергия плюс всяка работа, извършена от неконсервативни сили, например от въздушно съпротивление или триене - и това тук ще е минус, ако говорим за, да кажем, триене. Това ще е равно на крайната кинетична енергия плюс крайната потенциална енергия. Или това тук можем да запишем като промяната в кинетичната енергия плюс промяната в потенциалната енергия ще е равно на работата, извършена от дисипативните сили. И, помни, ако говорим за триене, дисипативни сили, това тук ще е отрицателно. Друг начин, по който можехме да мислим за това, е че можехме да въведем топлинна енергия, можем да кажем, че промяната в кинетичната енергия плюс промяната в потенциалната енергия плюс промяната в термална та (топлинна) енергия ще е равно на нула. Или можеш да включиш работата, извършена от някоя дисипативна сила. Например ако видеше ситуация, при която общата промяна в механичната енергия ето тук беше отрицателна, не оборваш закона за запазване на енергия. Не е била разрушена енергия, а е имало отрицателна извършена работа от тези дисипативни сили. Къде е отишла тази енергия? Бива преобразувана в топлинна енергия. Да направим два примера, за да разберем това. Да направим един със система от Земята и махало. Това е Земята. И имам някаква кула. Да кажем, че тук имам махало. Имам махало. И при ниската точка топчето просто преминава ето тук, после се връща обратно до тази точка. И да кажем, че разликата във височината между тази точка тук и тази точка, в която е ето тук, е равна на h. И да кажем, че това е най-високата точка, до която ще стигне махалото. При тази точка имаме максимална потенциална енергия. И точно когато ще промени посоката си нямаме кинетична енергия, ще сме неподвижни за един миг. Но после махалото ще се залюлее обратно. И когато стигне ето тук цялата тази потенциална енергия ще бъде преобразувана в кинетична енергия, като приемем, че нямаме дисипативни сили като триене, забавяне, въздушно съпротивление. После цялата тази енергия бива преобразувана обратно в потенциална енергия. Друг пример, който можем да разгледаме, който малко ще усложни това, е да помислим за система Земя-пружина-топка. Това е Земята. И да кажем, че тук имаме пружина. И имаме топка, която е неподвижна. Тук горе има само потенциална енергия, гравитационна потенциална енергия. Само гравитационна потенциална енергия. Приемаме, че няма въздушно съпротивление. Пускаме топката. Точно преди да докосне пружината, когато имаме максимална скорост, тук ще имаме само кинетична енергия, само кинетична енергия, но после ще притисне пружината. И като приемем, че нямаме генерирана термална енергия, но всъщност в реалността винаги ще има някаква генерирана топлинна енергия, но ако пружината бъде притисната и в някакъв момент топката е ето тук, част от тази енергия е била преобразувана в пружинна потенциална енергия. Или понякога се нарича възстановителна потенциална енергия, понеже като притисне тази пружина, това нещо ще се върне обратно. И може да бъде преобразувана в кинетична енергия и/или гравитационна потенциална енергия.