כשמישהו מרים כוס קפה מהשולחן, הם עובדיםנגד כוח המשיכה.ברגע שהספל כבר לא על השולחן אלא באוויר, הוא אגר אנרגיה פוטנציאלית. אם מרפה, הוא ייפול.
כוח הכבידה הוא דוגמה לאכוח שמרני. כוחות אחרים סביבנו אוגרים באופן דומה אנרגיה במערכת על ידי החזקת אובייקטים בתצורה מסוימת שתביא לתנועה, והפיכת האנרגיה המאוחסנת לאנרגיה קינטית, לאחר שחרורם.
האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית הכוללת במערכת מכונה האנרגיה המכנית הכוללת של המערכת. האנרגיה הכוללת היא סכום האנרגיה המכנית וצורות אנרגיה תרמיות אחרות.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
כוחות שמרניים גורמים לאנרגיה פוטנציאלית מאוחסנת.
הגדרת כוח שמרני
התבונן שוב בכוס הקפה ההיא. בין אם הספל מושלך כלפי מעלה גבוה יותר ממותניו של האדם לפני שנתפס בידיו בגובה המותניים, ובין אם זה פשוט מורם ישר עד לגובה המותניים, כמות האנרגיה הפוטנציאלית הכבידתית שהכוס מכילה בסוף נשארה אותו. תהיה אותה נפילה אם היא תיפול מגובה המותניים בשני המקרים.
במילים אחרות, כמות האנרגיה הפוטנציאלית שאובייקט מרוויח מחוויה של כוח שמרני היאבלתי תלוי בנתיב: זה תלוי רק באובייקטעקירה סופית (ההבדל בין המיקום הסופי למיקום ההתחלתי), ולא המרחק הכולל שעבר. ואילו במקרה הראשון הכוס נסעה
רחוק יותר בסך הכלמנקודה a לנקודה b - עולים למעלה, עוצרים באופן מיידי ואז נופלים לידיים שתפס את זה - זה עדיין התחיל והסתיים באותן מצבים כמו הגביע שפשוט הרים לְמַעלָה. זה הופך את השינוי הכולל באנרגיה הפוטנציאליתמכוח הכבידהעבור כל כוס זהה.לעומת זאת, כוח לא שמרני אינו מביא לאנרגיה מאוחסנת. במקום זאת, האנרגיה שמשתמש בכוח לא שמרני לעשות עבודהמתפוגג לסביבה הסובבת כחום (אנרגיה תרמית) ולא ניתן לעשות בה שימוש חוזר.
הגדרה נפוצה נוספת לכוח שמרני היא כזו בה העבודה נטו הנעשית בדרך סגורה היא אפס. נתיב סגור הוא מסלול בו האובייקט מתחיל ומסתיים באותו המיקום (תזוזתו אפס). כיעֲבוֹדָהבפיזיקה זה הכוחFפועל על עצם כפול עקירתוד
W = Fd
מכאן נובע שאם העקירה של אובייקט היא אפס, כך העבודה הכוללת. הכוח שהניע אותו, אם כן, בוודאי היה שמרני.
דוגמאות לכוחות שמרניים
בדומה לכוח המשיכה, כוחות שמרניים אחרים גורמים לשינוי במיקום האובייקט המביא לאנרגיה מאוחסנת. לדוגמא, כוח הקפיץ בצעצוע מפותל כמו סלינקי או חץ הנמשך לאחור על קשת הם כוחות שמרניים, וכך גם האלקטרוסטטי. כוחות המחזיקים שני חלקיקים טעונים במרחק כלשהו זה מזה, או הכוחות המגנטיים המחזיקים את הקוטב הצפוני והדרומי או שני מגנטים של מוטות מלבד.
ברגע שהאובייקטים "ישחררו" בכל אחד מהמקרים הללו, הם יזוזו. הסלינקי יצוץ, החץ יעוף אל המטרה או שהחלקיקים ימשכו או ידחו.
מדוע הכוחות השמרניים עניינים
כוחות שמרניים מאפשרים לבני אדם לאחסן אנרגיה שאחר כך ניתן להעביר לעבודה שימושית. הם מקור לאנרגיה רב-פעמית - ניתן להרים אובייקט מעל הקרקע בכוח הכבידה שיפעל עליו שוב ושוב, וניתן לכוון ולשחרר חץ וקשת מספר פעמים.
כמובן שבוולד האמיתי, כוחות שמרניים אינם קיימים בבידוד. בכל אחד מהמצבים המתוארים כאן,אנרגיה כלשהי תמיד מתפזרת כחום מכוח החיכוך, כוח לא שמרני, וכבר אינו מסוגל לחזור ישירות לאנרגיה המאוחסנת במערכת זו.
וגם כוחות שמרניים עצמם אינם מוגבלים. בשלב מסוים, קפיץ נמתח יגיע לגבול האלסטי שלו וישבר. כוס קפה שנשמטה גבוהה מדי תתנפץ ללא תיקון. אך עם הבנה מוצקה של גבולות האובייקט הללו, פיזיקאי או מהנדס יכול לייצר סכרים, שעוני סבא, מצברים לרכב ומספר עצום של מכשירים אחרים שיכולים לעשות דברים שימושיים.