Как изменяются потенциальная и кинетическая энергия мяча, брошенного вертикально вверх, в процессе его полёта?

Когда мяч бросают вертикально вверх, его энергия постоянно меняется между потенциальной и кинетической в зависимости от высоты и скорости. Рассмотрим процесс более подробно:

1. Начальный момент броска (у основания)

   • Мяч имеет максимальную кинетическую энергию, потому что скорость максимальна сразу после отрыва от руки.

   • Потенциальная энергия относительно земли минимальна (если принять за ноль на уровне руки/от пола).

2. Подъём мяча

   • Скорость мяча уменьшается из-за силы тяжести, следовательно, кинетическая энергия постепенно уменьшается.

   • Одновременно мяч поднимается выше, поэтому потенциальная энергия увеличивается, так как она зависит от высоты $E_p = mgh$.

   • Энергия «переключается» из кинетической в потенциальную.

3. Верхняя точка полёта

   • В этот момент скорость мяча равна нулю, а значит кинетическая энергия минимальна (равна нулю).

   • Потенциальная энергия максимальна, потому что мяч находится на максимальной высоте.

4. Спуск мяча вниз

   • Мяч начинает ускоряться вниз под действием гравитации, кинетическая энергия снова увеличивается, потому что скорость растёт.

   • Потенциальная энергия уменьшается, так как высота снижается.

   • Энергия снова переходит из потенциальной в кинетическую.

5. Возврат к исходной точке

   • Если пренебречь сопротивлением воздуха, мяч вернётся к исходной точке с такой же кинетической энергией, какой имел при броске.

   • Потенциальная энергия будет минимальна, как в начале.

В сумме, общая механическая энергия мяча $E = E_k + E_p$ остаётся практически постоянной при отсутствии потерь на трение с воздухом. Потенциальная и кинетическая энергии просто взаимно преобразуются друг в друга в процессе полёта.

Проще говоря, мяч «меняет» свою скорость на высоту и обратно: когда он поднимается — замедляется и набирает высоту, когда падает — ускоряется и теряет высоту.