3. Dynamika
W tym rozdziale poznamy prawa ruchu, czyli zasady pozwalające powiązać własności ruchu z przyczynami, które go wywołują. Przedyskutujemy przykłady pokazujące równoważność stanu spoczynku i ruchu jednostajnego prostoliniowego, wprowadzimy pojęcie układu inercjalnego i poznamy przypadki układów nieinercjalnych. Omówimy relacje pomiędzy siłą i przyspieszeniem i wprowadzimy pojęcie masy bezwładnej. Zobaczymy, że zapoczątkowana przez Galileusza i Newtona mechanika klasyczna potrafi opisać w postaci prostych praw niezwykłą złożoność ruchów, wśród których żyjemy.
8. Prawo zachowania energii
Prawo zachowania energii
Jeśli pracę nad ciałem przy przesunięciu z punktu A do B wykonują wyłącznie siły zachowawcze, spełniony jest związek:
{Praca W_A_B jest równa różnicy energii potencjalnej E_p_A i energii potencjalnej E_p_B, która jest równa różnicy energii kinetycznej E_k_B i energii kinetycznej E_k_A}
Wynika z niego, że
{Suma energii potencjalnej E_p_A i energii kinetycznej E_k_A jest równa sumie energii potencjalnej E_p_B i energii kinetycznej E_k_B}
Suma energii potencjalnej i kinetycznej dla dowolnie wybranych punktów \( A \) i \( B \) na drodze poruszającego się ciała jest taka sama. Oznacza to, że suma obu rodzajów energii, stanowiąca całkowitą energię mechaniczną ciała, pozostaje stała, kiedy ciało porusza się pod działaniem sił zachowawczych, czyli
{Suma energii potencjalnej E_p i energii kinetycznej E_k równa się constans}
Wzór ten wyraża prawo, zwane też zasadą, zachowania energii mechanicznej, które sformułować można następująco
Wzór (3.8.1) można także zapisać w postaci:
{M Minus różnica energii potencjalnej E_p_B i energii potencjalnej E_p_A jest równa różnicy energii kinetycznej E_k_B i energii kinetycznej E_k_A}
czyli
{minus zmiana energii potencjalnej delta E_p jest równa zmianie energii kinetycznej delta E_k}
Zapis ten określa prawo zmian energii potencjalnej i kinetycznej ciała, gdy działają na niego wyłącznie siły zachowawcze. Wówczas ubytkowi energii potencjalnej towarzyszy zawsze równy mu co do wartości bezwzględnej przyrost energii kinetycznej i vice versa.
Kiedy na ciało działają siły dyssypatywne zasada zachowania energii mechanicznej nie jest spełniona. Siły te zmieniają energię mechaniczną ciała. Następuje zamiana energii mechanicznej na inne rodzaje energii, np. energię cieplną, chemiczną, elektryczną, jądrową itp.
Zasadę zachowania energii możemy sformułować w sposób ogólny. Rozpatrzmy układ odosobniony, czyli taki, który w żaden sposób nie oddziałuje z otoczeniem, a więc nie wymienia ani energii, ani masy z otoczeniem i weźmy pod uwagę sumę wszystkich postaci energii w dowolnych procesach zachodzących w tym układzie. Nazwijmy tę energię - całkowitą energią układu.
Energia całkowita układu odosobnionego jest stała.
Zasada zachowania energii całkowitej należy do fundamentalnych zasad fizyki. Sformułowana została w oparciu o obserwacje i doświadczenia. Dotychczas nie znaleziono faktów przeczących jej słuszności. Ich poszukiwania doprowadziły natomiast do odkrycia wielu efektów fizycznych, których nieuwzględnienie interpretowano początkowo jako niezgodność z zasadą zachowania energii.