Էներգիա

Էներգիան ֆիզիկական մեծություն է, որը բնութագրում է մարմնի աշխատանք կատարելու ունակությունը։ Ֆիզիկայում էներգիան (հունարեն՝ էներգոս բառից) սկալյար ֆիզիկական մեծություն է։ Էներգիան ունի տարբեր ձևեր` կինետիկ, պոտենցիալ, ջերմային, գրավիտացիոն, ձայնային, առաձգական, էլեկտրամագնիսական էներգիաները։

Կայծակը ուժեղ էլեկտրական դաշտերից առաջացած օդի էլեկտրական ճեղքումն է, և էներգիայի հոսք է ցուցադրում։ Մթնոլորտի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան փոխակերպվում է ջերմության, լույսի և ձայնի, որոնք էներգիայի այլ ձևեր են։

«Էներգիա» մեծությունը սերտորեն առնչվում է մեխանիկական աշխատանքի հետ։ Եթե մարմինը կամ մարմինների որևէ համակարգ կարող է աշխատանք կատարել, ապա ասում են, որ այն օժտված է էներգիայով։ Աշխատանք կարող են կատարել ինչպես շարժվող, այնպես էլ այլ մարմինների հետ փոխազդող մարմինները։ Մեխանիկայում տարբերում են երկու տեսակի էներգիա՝ կինետիկ և պոտենցիալ։ Մարմինների շարժմամբ պայմանավորված էներգիան անվանում են կինետիկ էներգիա, իսկ փոխազդեցությամբ պայմանավորված էներգիան՝ պոտենցիալ էներգիա։

Էներգիան կարող է մի ձևից փոխակերվել մյուսին, սակայն ընդհանուր էներգիայի չափը միշտ նույնն է մնում։ Այս սկզբունքը՝ էներգիայի պահպանման օրենքը, առաջին անգամ կանխադրվել է վաղ 19-րդ դարում, և վերաբերվում է մեկուսացված համակարգին։ Նյոթերի թեորեմի համաձայն, էներգիայի պահպանման օրենքը այն փաստի հետևանքն է, որ ֆիզիկայի օրենքները ժամանակի ընթացքում չեն փոխվում։

Թեև համակարգի ընդհանուր էներգիան ժամանակի ընթացքում չի փոփոխվում, սակայն մեծությունը կարող է կախված լինել կոորդինատային համակարգից։ Օրինակ՝ շաժվող օդանավի մեջ նստած ուղևորը օդանավի նկատմամբ զրո կինետիկ էներգիա ունի, սակայն նրա կինետիկ էներգիան Երկրի նկատմամբ զրո չէ։

Կինետիկ էներգիա

Կինետիկ էներգիա անվանում են մարմինների շարժումով պայմանավորված էներգիան։

$A={\frac {mv_{2}^{2}}{2}}-{\frac {mv_{1}^{2}}{2}}\qquad (1)$

Մարմնի վրա ազդող հաստատուն ուժի կատարած աշխատանքը փոփոխությունն է մի ֆիզիկական մեծության, որը որոշվում է մարմնի զանգվածի և արագության քառակուսու արտադրյալի կեսով։

Մարմնի զանգվածի և արագության քառակուսու արտադրյալի կեսին հավասար մեծությունն անվանում են մարմնի կինետիկ էներգիա։ Մարմնի կինետիկ էներգիան հավասար է այն աշխատանքին, որը կարող է կատարել շարժվող մարմինը մինչև կանգ առնելը։

$E={\frac {mv^{2}}{2}}$

Օգտվելով կինետիկ էներգիայի սահմանումից $(1)$ բանաձևը կարող ենք ներկայացնել հետևյալ կերպ՝

$A={\frac {mv_{2}^{2}}{2}}-{\frac {mv_{1}^{2}}{2}}=E_{2}-E_{1}$

Մարմնի վրա ազդող ուժերի համազորի կատարած աշխատանքը հավասար է մարմնի կինետիկ էերգիայի փոփոխությանը։ Այս պնդումը կոչվում է կինետիկ էներգիայի թեորեմ։

Պոտենցիալ էներգիա

Պոտենցիալ էներգիա անվանում են մարմինների փոխազդեցությամբ պայմանավորված էներգիան։ Պոտենցիալ էներգիան չափվում է այն աշխատանքով, որը կարող է կատարել մարմինը՝ առանց արագությունը փոփոխելու մի դիրքից մյուսը տեղափոխելիս։ Պոտենցիալ էներգիայով է օժտված, օրինակ, սեղմված զսպանակը, Երկրից բարձրացված մարմինը։

Մարմնի՝ ծանրության ուժով պայմանավորված պոտենցիալ էներգիա

Մարմնի՝ ծանրության ուժով պայմանավորված պոտենցիալ էներգիան։ m զանգվածով մարմինը Երկրի մակերևույթից $h_{1}$ բարձրությամբ կետից որևէ հետագծով $h_{2}$ բարձրությամբ մեկ այլ կետ տեղափոխելիս, երբ ծանրության ուժը կարելի է հաստատուն համարել, նրա աշխատանքը որոշվում է հետևյալ բանաձևով՝

$A=mgh_{1}-mgh_{2}$

Կատարված աշխատանքը կարելի է ներկայացնել որպես mgh մեծության սկզբնական և վերջնական արժեքների տարբերություն։

Մարմնի զանգածի, ազատ անկման արագացման և Երկրից մարմնի բարձրության արտադրյալն անվանում են պոտենցիա էներգիա։

$E=mgh$

Մարմնի ծանրության ուժով պայմանավորված պոտենցիալ էներգիան հավասար է մարմինը մինչև զրոյական մակարդակ տեղափոխելիս ծանրության ուժի կատարած աշխատանքին։

$A=E_{1}-E_{2}=-(E_{2}-E_{1})=-\Delta E$

Ծանրության ուժի կատարած աշխատանքը հավասար է մարմնի պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությանը՝ հակառակ նշանով։ Այս պնդումը կոչվում է պոտենցիալ էներգիայի թեորեմ։

Առաձգականորեն դեֆորմացված մարմնի պոտենցիալ էներգիա

Եթե առաձգական մարմինը, օրինակ, զսպանակը, սեղմենք, ապա առաձգականության ուժի շնորհիվ այն կարող է ընդարձակվել և աշխատանք կատարել։ Առաձգականության ուժի կատարած աշխատանքը կարող ենք հաշվել հետևյալ բանաձևով, և այն արտահայտել պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությամբ՝

$A={\frac {kx_{1}^{2}}{2}}-{\frac {kx_{2}^{2}}{2}}$

Առաձգականորեն դեֆորմացված զսպանակի պոտենցիալ էներգիան որոշվում է հետևյալ բանաձևով՝

$E={\frac {kx^{2}}{2}}$ $A={\frac {kx_{1}^{2}}{2}}-{\frac {kx_{2}^{2}}{2}}=-(E_{2}-E_{1})=\Delta E$

Մարմնի վրա ազդող պոտենցիալային ուժի աշխատանքը հավասար է նրա պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությանը՝ հակառակ նշանով։ Այս պնդումը կոչվում է պոտենցիալ էներգիայի թեորեմ։

Պոտենցիալ էներգիայի մինիմումի սկզբունք

Կայուն է այն հավասարակշռությունը, որի դեպքում մարմնի պոտենցիալ էներգիան ընդունում է իր հնարավոր նվազագույն արժեքը։ Այս պնդումն անվանում են պոտենցիալ էներգիայի մինիմումի սկզբունք։

Լրիվ մեխանիկական էներգիա

Լրիվ մեխանիկական էներգիան մարմնի կինետիկ և պոտենցիալ էներգիաների գումարն է։ Պոտեցիալային ուժերի ազդեցության դեպքում մարմնի լրիվ մեխանիկական էներգիան մնում է հաստատուն, այսինքն՝ պահպանվում է։ Պոտենցիալային ուժերով փոխազդող մարմինների փակ համակարգի լրիվ մեխանիկական էներգիան պահպանվում է։ Այս պնդումն անվանում են լրիվ մեխանիկական էներգիայի պահպանման օրենք։ Համակարգի լրիվ մեխանիկական էներգիայի փոփոխությունը հավասար է արտաքին ուժերի և ներքին ոչ պոտենցիալային ուժերի աշխատանքների գումարին։

Պատմություն

Էներգիա բառը գալիս է հունարեն՝ ἐνέργεια (էներգեյա) բառից։ Առաջին անգամ հանդիպվում է Արիստոտելի «Նիկոմաքեական Էթիկա» գործում, մ.թ.ա. 4-րդ դարում։

Չափում

Կալորիմետր՝ գործիք, որը ֆիզիկոսներն օգտագործվում են էներգիան չափելու համար

Էներգիայի բացարձակ չափելու ձև չկա, որովհետև էներգիան բացատրվում է որպես այն աշխատանքը, որ մի համակարգը անում է (կամ կարող է անել) մյուսի վրա։ Այսպիսով, միայն մի համակարգի փոխակերպվումը մի համակարգից մյուս կարող է բացատրվել և չափվել։

Մեթոդներ

Էներգիայի չափման մեթոդները հաճախ ընդլայնվում են այլ մեթոդների՝ ավելի հիմնարար գիտական հասկացություններ չափելու համար, օրինակ՝ նյութ, հեռավորություն, ճառագայթում, ջերմություն, ժամանակ, էլեկտրական լիցք և էլեկտրական հոսանք։

Սովորաբար ամենահաճախ գործածվող տեխնիկան կալորաչափն է, որով չափվում է ջերմությունը՝ ջերմաչափի կամ ճառագայթման պայծառությունը՝ բոլոմետրի օգնությամբ։

Միավորներ

Գիտության պատմության մեջ, էներգիան տարբեր միավորներով է արտահայտվել, ինչպիսին են էրգերը և կալորիաները։ Ներկայում, էներգիայի չափման ընդունված միավորը Միավորների միջազգային համակարգում ջոուլն է։ Բացի ջոուլից, էներգիայի միավորներ են կիլովատտ-ժամը (ԿՎտժ) և բրիտանական ջերմային միավորը (British thermal unit կամ Btu)։ Սրանք երկուսն էլ ջոուլից մեծ միավորներ են։ Մեկ ԿՎտժ-ը հավասար է 3.6 միլիոն ջոուլի, իսկ մեկ Btu-ն հավասար է 1055 ջոուլի։

Աղբյուրներ

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից  (հ․ 4, էջ 57)։