Физика на ладони. Об устройстве Вселенной – просто и понятно. Венсан Бокео

пример, чтобы точнее сформулировать понятие потенциальной энергии. Бросим мяч с крыши многоэтажного дома (силу трения в данном примере мы не учитываем). Изначально у мяча нет никакой скорости, то есть никакой кинетической энергии. Но благодаря гравитации мяч приобретет скорость, то есть он обладает «потенциальной кинетической энергией». Чему она равна?

      Пророем яму к центру Земли: мяч продолжит падать с ускорением до тех пор, пока не достигнет центра Земли. То есть именно в центре Земли мяч достигнет своей максимальной кинетической энергии, которую мы обозначим E_Kmax. Это значит, что в момент броска мяч обладал «потенциальной энергией», равной E_Kmax (= он обладал потенциалом выработать кинетическую энергию E_Kmax) (➙ рис. 7.1).

      Рис. 7.1 – Свободное падение мяча в туннеле, пересекающем Землю

      С другой стороны, достигнув центра Земли, мяч больше не сможет ускоряться: его потенциальная энергия станет нулевой. То есть потенциальная энергия мяча, которую ему придает тяжесть, напрямую связана с высотой, на которой он находится: чем с большей высоты он падает, тем большую скорость он разовьет при падении.

      Мы видим, что во время падения кинетическая энергия мяча изменилась от 0 до E_Kmax, в то время как его потенциальная энергия изменилась с E_Kmax до 0. Таким образом, общая энергия мяча (кинетическая + потенциальная) во время его движения осталась неизменной: его «потенциальная» энергия просто перешла в «кинетическую».

      

      ВЕЛИЧИНА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

      Представим электрон, расположенный рядом с протоном. Предположим, что речь идет о точечных частицах. Из-за электростатического притяжения у электрона появится кинетическая энергия, потому что он будет ускоряться в сторону протона. То есть он с самого начала обладает потенциальной энергией.

      Но сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между электроном и протоном. По мере того как электрон будет приближаться к протону, сила будет нарастать, а в момент их контакта она уже будет стремиться к бесконечности. Это значит, что ускорение будет стремиться к бесконечности: электрон приобретет бесконечную кинетическую энергию. Иными словами, изначально электрон обладал бесконечной потенциальной энергией.

      Вывод довольно досадный: если все частицы обладают бесконечной потенциальной энергией, понятие потенциальной энергии становится не вполне адекватным… Именно по этой причине физики предпочитают считать «началом» потенциальной энергии то место, какое сочтут нужным. Другими словами, они скажут, к примеру, что потенциальная энергия электрона, находящегося в 1 м от протона, условно равна 0.

      То есть величина потенциальной энергии не имеет смысла, поскольку она принята условно. В свою очередь, изменение потенциальной энергии сохраняет весь свой смысл: если кинетическая энергия увеличивается, потенциальная на столько же