1. Страница 2. Принцип минимума энергии
Если потенциальная энергия тела в начальном положении больше его потенциальной
энергии в конечном положении, то работа потенциальной силы положительна. Это
означает, что угол между силой и перемещением острый. Следовательно, сила имеет
составляющую в направлении перемещения, т. е. направлена в сторону убывания
потенциальной энергии.
Подобная закономерность имеет общий характер и справедлива не только для
гравитационного, но и для любого фундаментального взаимодействия.
Состояние с меньшей потенциальной энергией является энергетически выгодным.
Принцип минимума потенциальной энергии:
если равновесие тела или системы тел обусловлено действием только потенциальных сил
— сил тяготения, упругости или электростатических сил, — то положению устойчивого
равновесия соответствует минимальное значение потенциальной энергии.
Другими словами, любая замкнутая система стремится перейти в такое состояние, в
котором её потенциальная энергия минимальна.
Например, механическая система в состоянии, при котором она имеет наименьшую
потенциальную энергию, находится в равновесии. Упрощённо этот закон можно выразить
так: механическая система всегда стремится к уменьшению своей потенциальной энергии.
Брошенный камень летит вниз, и его потенциальная энергия, равная mgh (здесь m — масса
камня, g ≈ 9,8 м/с 2 — ускорение свободного падения, a h — высота камня), при этом
уменьшается. Растянутая пружина стремится сжаться к первоначальному состоянию, а
значит — уменьшить свою потенциальную энергию.
Принцип минимума потенциальной энергии действует и в микромире.
Квантовая механика глубоко затронула наши представления об атоме и вообще любой
системе, где частицы, объединённые чрезвычайно большой силой, находятся в очень
маленьком объёме. Когда электрон находится в связанном состоянии в атоме, он обладает
потенциальной энергией, которая обратно пропорциональна его расстоянию от ядра. В
атоме также существует состояние минимальной энергии (основное состояние),
соответствующее наименьшей из орбит, которые электрон может описывать вокруг ядра.
Если передать атому достаточно энергии, то он «возбуждается» и электрон перемещается
в состояние с более высокой энергией, чтобы затем, снова вернуться в основное
состояние, излучив при этом разность энергий в виде фотона (света).