Konzervativní síly: Co to je a proč na tom záleží (s příklady)

Když někdo zvedne šálek kávy ze stolu, pracujeproti gravitaci​​.Jakmile šálek už není na stole, ale ve vzduchu, má uloženou potenciální energii. Pokud to pustíme, spadne to.

Gravitační síla je příkladem akonzervativní síla. Další síly kolem nás podobně ukládají energii v systému tím, že drží objekty v určité konfiguraci, která bude mít za následek pohyb, transformující uloženou energii na kinetickou energii, jakmile je uvolněna.

Celková kinetická a potenciální energie v systému se označuje jako celková mechanická energie systému. Celková energie je součtem mechanické energie a tepelné a jiných forem energie.

TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)

Konzervativní síly vedou k akumulaci potenciální energie.​

Podívejte se znovu na ten šálek kávy. Zda je šálek hoden nahoru výše než pas osoby, než je uchopen do rukou ve výšce pasu, nebo zda je jednoduše zvednuto přímo do výšky pasu, množství gravitační potenciální energie, které pohár na konci obsahuje, zůstává stejný. Stejný pokles bude mít, pokud v obou případech klesne z výšky pasu.

Jinými slovy, množství potenciální energie, kterou objekt získá prožitím konzervativní síly, jenezávislý na cestě: záleží jen na objektukonečné posunutí (rozdíl mezi konečnou polohou a počáteční polohou), nikoli celková ujetá vzdálenost. Zatímco v prvním případě pohár putovalcelkem dález bodu a do bodu b - pohyb nahoru, okamžité zastavení a následný pád do rukou to to chytilo - stále to začalo a skončilo ve stejných pozicích jako pohár, který byl jednoduše zvednut nahoru. Tím dochází k celkové změně potenciální energieod gravitační sílypro každý šálek stejný.

Naproti tomu nekonzervativní síla nevede k akumulaci energie. Místo toho energie použitá nekonzervativní silou k prácirozptýlí se do okolního prostředí jako teplo (tepelná energie) a nelze jej znovu použít.

Další běžnou definicí konzervativní síly je definice, ve které je čistá práce v uzavřené dráze nulová. Uzavřená cesta je cesta, ve které objekt začíná a končí ve stejné poloze (jeho posun je nulový). Protožepráceve fyzice je sílaFpůsobící na objekt krát jeho posunutíd​

z toho vyplývá, že pokud je posunutí objektu nula, je to také celková práce. Síla, která to pohnula, tedy musela být konzervativní.

Stejně jako gravitace, i jiné konzervativní síly způsobují změnu polohy objektu, která vede k akumulaci energie. Například síla pružiny ve svinuté hračce jako Slinky nebo šíp stažený zpět na přídi jsou konzervativní síly, stejně jako elektrostatické síly, které drží dvě nabité částice v určité vzdálenosti od sebe, nebo magnetické síly, které drží severní a jižní pól nebo dva tyčové magnety odděleně.

Jakmile jsou objekty „uvolněny“ v kterémkoli z těchto případů, pohnou se. Vyskočí Slinky, šipka poletí k cíli nebo částice přitahují nebo odpuzují.

Konzervativní síly umožňují lidem ukládat energii, kterou lze později využít k užitečné práci. Jsou zdrojem opakovaně použitelné energie - objekt lze zvednout ze země, aby na něj působila gravitační síla znovu a znovu, a luk a šíp lze nastavit a uvolnit několikrát.

Ve skutečném světě samozřejmě konzervativní síly neexistují izolovaně. V každé ze zde popsaných situacíčást energie se vždy rozptýlí jako teplo ze síly tření, nekonzervativní síla a již se nedokáže vrátit přímo k uložené energii v tomto systému.

Ani samotné konzervativní síly nejsou neomezené. V určitém okamžiku dosáhne napnutá pružina svého elastického limitu a zlomí se. Šálek kávy, který spadl z příliš vysoké výšky, se rozbije neopravitelně. Ale s pevným pochopením limitů těchto objektů může fyzik nebo inženýr vyrábět přehrady, dědečkové hodiny, baterie do automobilů a nesčetné množství dalších zařízení, která dokážou užitečné věci.