Zakon o održanju energije

Taj je zakon jedan od temeljnih zakona fizike: u svakom je zatvorenom sustavu, koji ne izmjenjuje energiju s okolinom,¹ ukupna količina energije u raznim njenim oblicima stalna; drugim riječima, energija se ne može stvoriti niti nestati, nego samo mijenjati oblik.

Pojavni su oblici energije brojni: kinetička, potencijalna položajna (gravitacijska), toplinska, električna, kemijska, nuklearna, energija svjetlosti, potencijalna energija deformacija, energija koju ima svaka čestica već time što postoji (Einstein: E = mc²),... Raznolikost oblika, kao i područja znanosti u kojima su otkriveni ili uvedeni, odražava se i u raznolikosti jedinica u kojima se energija izražava (erg, kalorija, joule,...). Odnosi pojedinih oblika su složeni: toplinska je energija, primjerice, kinetička energija gibanja čestica u tijelu; elastična i kemijska energija posljedica su djelovanja međuatomskih sila, a sadrže električnu i, ponovo, kinetičku energiju -- odnos opisuju kvantnomehanične jednadžbe.

U teorijama deformabilnih tijela proučavaju se oblici energije povezani s djelovanjem sila, momenata i distribuiranih opterećenja, pa i topline i prisilnih pomaka, na tijela.

Rad, što ga pri deformaciji tijela vanjske sile obavljaju na izazvanim pomacima, pretvara se u potencijalnu, kinetičku i toplinsku energiju tijela. Prema zakonu o održanju energije rad vanjskih sila jednak je zbroju `unutarnjih' energija.

U najjednostavnijem slučaju, na kojem se temelji većina statičkih analiza konstrukcija, pretpostavlja se da se vanjske sile povećavaju polagano i mirno od nule do neke konačne vrijednosti (tzv. statičko opterećivanje); osim toga, pretpostavlja se da pri deformaciji nije premašena granica elastičnosti gradiva tijela. Rad vanjskih sila, označimo ga sa W, uvijek je pozitivan (djeluje li više sila, rad nekih sila može biti negativan, ali je ukupni rad svih sila pozitivan). Unutarnje se pak sile (sile koje djeluju među materijanim česticama tijela) suprostavljaju deformaciji tijela, te obavljaju negativan rad. Rad unutarnjih sila, označit ćemo ga sa U, akumulira se u tijelu u obliku potencijalne energije deformacija, s oznakom A. Zakon o održanju energije u tom posebnom slučaju izriče da je rad vanjskih sila jednak negativnom radu unutarnjih sila, odnosno, akumuliranoj potencijalnoj deformacijskoj enegiji:

W = - U = A.

Akumulirana je energija dovoljna da se pri postupnom rasterećenju tijelo vrati u izvorno nedeformirano stanje; pritom vanjske sile obavljaju negativan, a unutarnje pozitivan rad.

Naglasimo: ovako formuliran, zakon o održanju energije vrijedi samo pri statičkom opterećivanju i pri elastičnim deformacijama. Ako se sile ne nanose postupno, nego naglo, pojavit će se ubrzanje, pa se dio rada pretvara u kinetičku energiju; ako pak deformacije nisu elastične, dio rada pretvara se u toplinu.

... okolinom,¹

Pretpostavlja se da je i cijeli svemir zatvoreni sustav.