РУҚА
Тапсырмалар № 19, 20 · ОГЭ

Закон сохранения энергии в механике

Как механическая энергия переходит из кинетической в потенциальную и обратно
5 мин чтенияҚиындық: Обновлено 27 қыркүйек 2026

Закон сохранения механической энергии помогает находить скорость, высоту и другие величины без подробного анализа движения по времени. Он особенно удобен, когда тело движется под действием сил тяжести или упругости и энергия переходит между кинетической и потенциальной.

Механическая энергия и условия сохранения

Механическая энергия системы складывается из кинетической энергии движения и потенциальной энергии взаимодействия тел или частей системы. Кинетическая энергия зависит от скорости, а потенциальная — от положения тела или деформации. Перед применением закона нужно выбрать систему и уровень отсчёта потенциальной энергии.

D
Определение

Механическая энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий системы: \(E=E_k+E_p\). Она измеряется в джоулях.

T
Закон сохранения механической энергии

Если в замкнутой механической системе действуют только консервативные силы — например, сила тяжести или сила упругости, — то сумма кинетической и потенциальной энергий постоянна: механическая энергия не возникает и не исчезает, а переходит из одной формы в другую.

\(E\)
механическая энергия
Дж
\(E_k\)
кинетическая энергия
Дж
\(E_p\)
потенциальная энергия
Дж
\(m\)
масса
кг
\(v\)
скорость
м/с
\(h\)
высота
м
\[E=E_k+E_p=\text{const}\]

Для движения около поверхности Земли потенциальная энергия тела массой \(m\) на высоте \(h\) равна \(mgh\). Уровень, на котором \(h=0\), выбирают произвольно, но во всём решении используют один и тот же выбор. Кинетическая энергия определяется формулой \(E_k=\frac{mv^2}{2}\); подробнее она разобрана на странице кинетической энергии.

\[E_k=\frac{mv^2}{2},\qquad E_{p,\,\text{тяж}}=mgh\]

В общем случае сохранение энергии записывают сравнением двух состояний: начального и конечного. Индексы 1 и 2 обозначают параметры тела в этих состояниях.

\[\frac{mv_1^2}{2}+mgh_1=\frac{mv_2^2}{2}+mgh_2\]
hv12
При переходе из состояния 1 в состояние 2 потенциальная энергия может уменьшаться, а кинетическая — увеличиваться.

Переходы между видами энергии

Если тело падает, его высота уменьшается, поэтому уменьшается потенциальная энергия \(mgh\). При отсутствии сопротивления воздуха такая потеря полностью превращается в кинетическую энергию: скорость возрастает. При подъёме происходит обратное: кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная увеличивается.

Для пружины используют потенциальную энергию упругой деформации \(E_p=\frac{kx^2}{2}\), где \(k\) — жёсткость пружины, а \(x\) — удлинение или сжатие. Например, сжатая пружина может разогнать брусок: энергия упругой деформации переходит в кинетическую.

\[E_{p,\,\text{упр}}=\frac{kx^2}{2}\]

Закон сохранения энергии отличается от закона сохранения импульса. Импульс сохраняется при нулевой сумме внешних сил, а механическая энергия — при отсутствии работы неконсервативных сил. При неупругом столкновении импульс замкнутой системы может сохраняться, но часть механической энергии переходит во внутреннюю энергию.

T
Если действует сопротивление

При наличии трения, сопротивления воздуха или другой неконсервативной силы механическая энергия не обязана сохраняться. Изменение механической энергии равно работе внешних и неконсервативных сил: \(E_2-E_1=A_{\text{неконс}}+A_{\text{внеш}}\).

Микро-проверка

Камень падает без сопротивления воздуха. Что происходит с его энергией?

Алгоритм шешімдер тапсырма

  1. Выберите систему тел и отметьте начальное и конечное состояния.
  2. Определите, какие силы совершают работу. Проверьте, можно ли считать механическую энергию сохраняющейся.
  3. Выберите нулевой деңгей потенциальной энергии и выразите энергии в обоих состояниях.
  4. Запишите уравнение \(E_1=E_2\) или уравнение с работой неконсервативных сил.
  5. Подставьте единицы СИ, преобразуйте формулу и проверьте смысл ответа.
Полезный приём

Если начальная и конечная высоты кіреді только через разность, можно сразу записать \(\frac{mv_2^2}{2}-\frac{mv_1^2}{2}=mg(h_1-h_2)\). Масса часто сокращается, поэтому скорость падения не зависит от массы тела при одинаковых начальных условиях.

Разобранный пример: скорость тела после падения

№
Условие

Мяч бросили вертикально вверх со скоростью \(v_0=10\ \text{м/с}\). Сопротивлением воздуха пренебречь. Найдите максимальную высоту подъёма относительно точки броска. Примите \(g=10\ \text{м/с}^2\).

1
В максимальной точке скорость становится равной нулю: \(v_2=0\). Выберем точку броска нулевым уровнем, тогда \(h_1=0\), а высота максимального подъёма равна \(H\).
\(\displaystyle E_1=\frac{mv_0^2}{2}+mg\cdot 0\)
2
В верхней точке вся начальная кинетическая энергия перешла в потенциальную.
\(\displaystyle E_2=\frac{m\cdot 0^2}{2}+mgH\)
3
При отсутствии сопротивления механическая энергия сохраняется, поэтому \(E_1=E_2\).
\(\displaystyle \frac{mv_0^2}{2}=mgH\)
4
Сократим массу и выразим высоту.
\(\displaystyle H=\frac{v_0^2}{2g}=\frac{10^2}{2\cdot 10}=5\ \text{м}\)

Жауабы: максимальная высота подъёма относительно точки броска равна \(5\ \text{м}\). Время движения здесь не требовалось: закон сохранения энергии связывает состояния напрямую.

Если тело движется по наклонной плоскости, энергия также может сохраняться, если трения нет. При наличии трения нужно учитывать работу силы трения; графическое нахождение работы рассмотрено на странице графика работы силы. Для сложных движений полезны энергетические диаграммы, на которых видно, при каких значениях энергии движение возможно.

!
Частые ошибки

1. Сохраняют механическую энергию при заметном трении, не учитывая его работу. 2. Путают высоту \(h\) с пройденным путём: в потенциальной энергии важна координата относительно выбранного уровня. 3. Забывают квадрат скорости в \(E_k=\frac{mv^2}{2}\). 4. Используют разные нулевые уровни для начального и конечного состояния. 5. Считают, что при любом столкновении сохраняется кинетическая энергия; это верно только для абсолютно упругого столкновения.

Связь с работой и другими законами сохранения

Теорема о кинетической энергии утверждает: работа равнодействующей силы равна изменению кинетической энергии, \(A=\Delta E_k\). Для консервативной силы эта работа компенсируется изменением потенциальной энергии, поэтому \(\Delta(E_k+E_p)=0\). Если на систему действуют внешние силы, надо учитывать их работу; это подробно рассматривается на странице работы внешней силы.

В задачах о столкновениях часто применяют сразу два закона: сохранения импульса и сохранения энергии. Однако механическая энергия сохраняется только для упругого столкновения. При неупругом ударе после записи закона импульса используют закон сохранения полной энергии с учётом нагревания и деформации, а не равенство кинетических энергий.

Главное за минуту

Главное

  • Механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной: \(E=E_k+E_p\).
  • При действии только консервативных сил механическая энергия сохраняется.
  • Для движения около Земли используют \(E_p=mgh\), а для пружины — \(E_p=\frac{kx^2}{2}\).
  • При трении механическая энергия уменьшается на работу силы трения и переходит во внутреннюю энергию.
  • Закон сохранения импульса и закон сохранения энергии имеют разные условия применимости; при столкновениях их нельзя автоматически заменять друг другом.
Q
Жылдам тест по теме

Проверь себя

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · переход энергии
Как изменяется скорость тела при свободном падении без сопротивления воздуха?