Arkikokemus osoittaa, että liikkumattomat ruumiitvoidaan asettaa liikkeelle ja liikkuvat voidaan pysäyttää. Teemme jatkuvasti jotain, maailma vilkkuu, aurinko paistaa ... Mutta mistä ihmiset, eläimet ja koko luonto saavat voimaa tehdä tätä työtä? Poistuuko mekaaninen liike ilman jälkeä? Aikooko yksi vartalo liikkua muuttamatta toisen liikettä? Puhumme kaikesta tästä artikkelissamme.
Energiakonsepti
Liikettä käyttävien moottorien käyttöä vartenautot, traktorit, dieselveturit, lentokoneet tarvitsevat polttoainetta, joka on energialähde. Sähkömoottorit liikuttavat koneita sähkön avulla. Korkeudesta putoavan veden energian takia hydrauliset turbiinit kääritään, liitetään sähkökoneisiin, jotka tuottavat sähkövirtaa. Henkilö tarvitsee myös energiaa olemassaoloon ja työskentelyyn. He sanovat, että minkä tahansa työn tekemiseen tarvitaan energiaa. Mikä on energia?
- Havainto 1. Nosta pallo maasta.Vaikka hän on rauhallinen, mekaanista työtä ei tehdä. Annetaan hänen mennä. Pallo putoaa maahan tietyltä korkeudelta painovoiman avulla. Kun pallo putoaa, suoritetaan mekaaninen työ.
- Havainto 2. Suljetaan jousi, kiinnitetään se kierteellä ja asetetaan paino jouselle. Palataan lanka, jousi suoristuu ja nostaa painon tiettyyn korkeuteen. Kevät on suorittanut mekaanisen työn.
- Havainto 3.Kiinnitämme sauvan, jonka päässä on lohko kärryyn. Heitä lanka lohkon läpi, jonka toinen pää on kierretty kärryn akselille, ja paino roikkuu toisessa. Vapautetaan paino. Painovoiman vaikutuksesta se putoaa alaspäin ja antaa kärryn liikkua. Paino on tehnyt mekaanista työtä.
Tutkittuaan kaikki yllä olevat havainnotvoimme päätellä, että jos ruumis tai useampi elin suorittaa mekaanista työtä vuorovaikutuksen aikana, he sanovat olevan mekaanista energiaa tai energiaa.
Energiakonsepti
Energia (kreikan sanasta energia - aktiivisuus) on fyysinen määrä,joka luonnehtii elinten kykyä tehdä työtä. Energian yksikkö, samoin kuin työ SI-järjestelmässä, on yksi Joule (1 J). Kirjallisesti energia merkitään kirjeellä E... Edellä esitetyistä kokeista voidaan nähdä, että vartalosuorittaa työtä, kun se siirtyy tilasta toiseen. Samalla kehon energia muuttuu (laskee) ja ruumiin suorittama mekaaninen työ on yhtä suuri kuin sen mekaanisen energian muutoksen tulos.
Mekaanisen energian tyypit. Potentiaalisen energian käsite
Mekaanista energiaa on 2 tyyppiä: potentiaalista ja kineettistä. Katsotaanpa nyt tarkempaa potentiaalista energiaa.
Potentiaalienergia (PE) on energiamääritetään vuorovaikutuksessa olevien elinten tai saman ruumiin osien keskinäisestä sijainnista. Koska mikä tahansa keho ja maa houkuttelevat toisiaan, toisin sanoen vuorovaikutuksessa, maanpinnan yläpuolelle nostetun vartalon PE riippuu nousun korkeudesta x... Mitä korkeammin vartaloa nostetaan, sitä suurempi sen PE-arvo on.Kokeellisesti on todettu, että PE riippuu paitsi korkeudesta, johon se nostetaan, myös ruumiinpainosta. Jos kappaleita nostettiin samalle korkeudelle, niin runsaalla massalla varustetulla rungolla on myös iso PE. Tämän energian kaava on seuraava: En = mgh, jossa En on potentiaalinen energia, m - ruumiinpaino, g = 9,81 N / kg, h - korkeus.
Kevään potentiaalienergia
Elastisesti muodonmuutoskappaleen potentiaalienergia on fyysinen määrä EP, joka, kun käännösnopeusliike elastisten voimien vaikutuksesta vähenee täsmälleen niin paljon kuin kineettinen energia kasvaa. Jousilla (kuten muilla elastisesti deformoiduilla kappaleilla) on tällainen PE, joka on yhtä suuri kuin puoli niiden jäykkyyden tulosta että kantaa kohti neliö: x = kx2: 2.
Kineettinen energia: kaava ja määritelmä
Joskus mekaanisen työn arvo voi ollaharkitaan käyttämättä voiman ja liikkeen käsitteitä, keskittyen tosiasiaan, että työ on ominaista kehon energian muutokselle. Tarvitsemme vain kehon massaa ja sen alku- ja loppumisnopeuksia, jotka johtavat meidät kineettiseen energiaan. Kineettinen energia (KE) on energia, joka kuuluu vartaloon omasta liikkeestään johtuen.
Tuulella on kineettistä energiaa, sitä käytetääntuulivoimaloiden liikuttamiseksi. Kulkevat ilmamassat painostavat tuuliturbiinien siipien kaltevia tasoja ja aiheuttavat niiden kääntymisen. Siirtojärjestelmät välittävät kiertoliikkeen mekanismeille, jotka suorittavat tietyn työn. Voimalaitoksen turbiineja kääntävä kulkeva vesi menettää osan EC: stään työtä tehdessään. Korkealla taivaalla lentävällä lentokoneella on PE: n lisäksi FE. Jos vartalo on levossa, ts. Sen nopeus maapallon suhteen on nolla, niin sen CE-suhde maapallon suhteen on nolla. Kokeellisesti on todettu, että mitä suurempi on ruumiin massa ja nopeus, jolla se liikkuu, sitä suurempi on sen FE. Kaava translaation liikkeen kineettiselle energialle matemaattisessa lausekkeessa on seuraava:
jossa K - kineettinen energia, m - kehomassa, sisään - nopeus.
Kineettisen energian muutos
Koska kehon nopeus onarvo riippuen viitekehyksen valinnasta, rungon FE-arvo riippuu myös sen valinnasta. Kehon kineettisen energian (IKE) muutos tapahtuu kehon ulkoisen voiman vaikutuksesta F... Fyysinen määrä Ja, joka on yhtä suuri kuin IQE AEettä vartalo johtuu siihen kohdistuvasta voiman vaikutuksesta F: tä kutsutaan työksi: A = AEettä. Jos kehossa, joka liikkuu nopeudella sisään1, voima toimii Fsamanaikaisesti suunnan kanssa, kehon liikkeen nopeus kasvaa tietyn ajanjakson ajan T johonkin arvoon sisään2... Tässä tapauksessa IQE on yhtä suuri kuin:
jossa m - kehomassa; d - kehon kulkureitti; ATf1 = (B2 - SISÄÄN1); SISÄÄNF2 = (B2 + B1); a = F: m... Juuri tämä kaava laskee, kuinka paljon kineettinen energia muuttuu. Kaavalla voi olla myös seuraava tulkinta: AEettä = Flcosά, missä cosά on voimavektorien välinen kulma F ja nopeus AT.
Keskimääräinen kineettinen energia
Kineettinen energia on energiaamääritetään järjestelmään kuuluvien eri pisteiden liikkumisen nopeudella. On kuitenkin muistettava, että on tarpeen erottaa 2 energiaa, jotka luonnehtivat erityyppisiä liikkeitä: translaatio- ja rotaatio. Tässä tapauksessa keskimääräinen kineettinen energia (SKE) on keskimääräinen ero koko järjestelmän energioiden kokonaisuuden ja sen rauhallisen energian välillä, toisin sanoen sen arvo on potentiaalienergian keskimääräinen arvo. Keskimääräisen kineettisen energian kaava on seuraava:
missä k on Boltzmann-vakio; T on lämpötila. Juuri tämä yhtälö on molekyylikineettisen teorian perusta.
Kaasumolekyylien keskimääräinen kineettinen energia
Lukuisissa kokeissa havaittiin, ettäkaasumolekyylien keskimääräinen kineettinen energia translaation liikkeessä annetussa lämpötilassa on sama ja ei riipu kaasun tyypistä. Lisäksi havaittiin, että kun kaasua kuumennetaan 1: llä noinSEE-toiminnolla se kasvaa samalla arvolla. Tarkemmin sanottuna tämä arvo on yhtä suuri kuin: AEettä = 2,07 x 10-23J /noinS. Keskimääräisen laskemiseksiKaasumolekyylien kineettinen energia translaation liikkeessä, tämän suhteellisen arvon lisäksi on välttämätöntä tietää ainakin yksi enemmänkin translaation liikkeen energian absoluuttinen arvo. Fysiikassa nämä arvot määritetään melko tarkasti laajalle lämpötila-alueelle. Esimerkiksi lämpötilassa t = 500 noinC molekyylin translaation liikkeen kineettinen energia Ek = 1600 x 10-23J. Tietäen 2 määrää (AEettä ja Eettä) voimme sekä laskea molekyylien translaation liikkeen energian tietyssä lämpötilassa että ratkaista käänteisen ongelman - määrittää lämpötilan annettujen energia-arvojen perusteella.
Lopuksi voimme päätellä, että molekyylien keskimääräinen kineettinen energia, kaava joka on annettu yllä, riippuu vain absoluuttisesta lämpötilasta (ja kaikesta aineiden aggregaatiotilasta).
Kokonaismekaaninen energiansäästölaki
Kehojen liikkeen tutkimus painovoiman ja elastisten voimien vaikutuksesta on osoittanut, että on olemassa tietty fyysinen määrä, jota kutsutaan potentiaalienergiaksi En; se riippuu kehon koordinaateista, ja sen muutos rinnastetaan IQE: hen, joka otetaan vastakkaisella merkillä: ΔEn = -AEettä. Joten kehon FE: n ja PE: n muutosten summa, jotka ovat vuorovaikutuksessa gravitaatiovoimien ja elastisten voimien kanssa, on 0: ΔEn + AEettä = 0. Vain ruumiin koordinaateista riippuvaisia voimia kutsutaan konservatiivinen. Vetovoima ja joustavuus ovat konservatiivisia voimia. Kehon kineettisen ja potentiaalisen energian summa on mekaaninen kokonaisenergia: En + Eettä = E. 
Tämä tosiasia, joka on todistettu tarkimmilla kokeilla,
kutsutaan mekaaninen energiansäästölaki... Jos elimet ovat vuorovaikutuksessa voimien kanssa, niinriippuvat suhteellisen liikkeen nopeudesta, mekaaninen energia ei ole konservoitunut vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden järjestelmässä. Esimerkki tällaisesta voimasta kutsutaan ei-konservatiivisiin, ovat kitkavoimat.Jos kitkavoimat vaikuttavat vartaloon, niiden voittamiseksi on tarpeen kuluttaa energiaa, ts. Osaa siitä käytetään töihin kitkavoimia vastaan. Energiansäästölain rikkominen on kuitenkin tässä vain kuvitteellista, koska se on erillinen tapa energian säilyttämistä ja muuntamista koskevassa yleisessä laissa. Kehojen energia ei koskaan katoa tai ilmene uudelleen: se muuttuu vain yhdestä tyypistä toiseen. Tämä luontolaki on erittäin tärkeä, sitä noudatetaan kaikkialla. Sitä kutsutaan joskus myös yleiseksi energian säilyttämistä ja muutosta koskevasta laista.
Yhteys kehon sisäisen energian, kineettisen ja potentiaalienergian välillä
Kehon sisäinen energia (U) on sen kokonaismääräkehon energia miinus kehon kokonaisuus ja sen PE ulkoisella voimakentällä. Tästä voidaan päätellä, että sisäinen energia koostuu molekyylien kaoottisen liikkeen CE: stä, niiden välisestä PE-vuorovaikutuksesta ja molekyylin sisäisestä energiasta. Sisäinen energia on järjestelmän tilan yksiselitteinen funktio, joka tarkoittaa seuraavaa: Jos järjestelmä on tässä tilassa, sen sisäinen energia ottaa luontaiset arvonsa riippumatta siitä, mitä aiemmin tapahtui.
relativismi
Kun ruumiin nopeus on lähellä valon nopeutta, kineettinen energia saadaan seuraavan kaavan avulla:
Kehon kineettinen energia, jonka kaava on kirjoitettu yllä, voidaan myös laskea seuraavan periaatteen mukaisesti:
Esimerkkejä tehtävistä kineettisen energian löytämiseksi
1. Vertaa kineettistä energiaa 9 g: n palloilla, jotka lentävät nopeudella 300 m / s ja 60 kg: n miehellä, joka juoksee nopeudella 18 km / h.
Joten mitä meille annetaan: m1 = 0,009 kg; V1 = 300 m / s; m2 = 60 kg, V2 = 5 m / s.
ratkaisu:
- Kineettinen energia (kaava): Eettä = mv2 : 2.
- Meillä on kaikki tiedot laskelmaan, ja siksi löydämme Eettä sekä henkilölle että pallolle.
- Ek1 = (0,009 kg x (300 m / s)2): 2 = 405 J;
- EK2 = (60 kg x (5 m / s)2): 2 = 750 J.
- Ek1 < EK2.
Vastaus: Pallon kineettinen energia on pienempi kuin ihmisen.
2. Keho, jonka massa oli 10 kg, nostettiin 10 m korkeuteen, minkä jälkeen se vapautettiin. Minkälainen FE sillä on 5 m korkeudella? Ilmavastus voidaan laiminlyödä.
Joten mitä meille annetaan: m = 10 kg; h = 10 m; x1 = 5 m; g = 9,81 N / kg. Ek1 -?
ratkaisu:
- Tietyn massan kappaleella, joka on nostettu tiettyyn korkeuteen, on potentiaalinen energia: En = mgh. Jos vartalo putoaa, se on jossain korkeudessa h1 tulee hikeä. energia En = mgh1 ja sukulaiset. energia Ek1. Edellä annettu kaava ei auta kineettisen energian löytämiseksi oikein, ja siksi ratkaisemme ongelman seuraavan algoritmin mukaisesti.
- Tässä vaiheessa käytämme energiansäästölakia ja kirjoitamme: EN1 + Ek1 = EP.
- Sitten Ek1 = En - EN1 = mgh - MGH1 = mg (h-h1).
- Korvaamalla arvomme kaavaan, saamme: Ek1 = 10 x 9,81 (10-5) = 490,5 J.
Vastaus: Ek1 = 490,5 J.
3. Vauhtipyörä massalla m ja säde R, kietou sen keskipisteen läpi kulkevan akselin ympäri. Vauhtipyörän kääntymisnopeus - ω... Vauhtipyörän pysäyttämiseksi jarrukenkä painetaan reunaa vasten ja vaikuttaa siihen voimalla Fkitka... Kuinka monta kierrosta vauhtipyörä tekee lopulliseen pysähtymiseen? Huomaa, että vauhtipyörän massa on keskitetty vanteeseen.
Joten mitä meille annetaan: m; R; ω; Fkitka. N -?
ratkaisu:
- Kun ratkaisemme ongelmaa, pidämme vauhtipyörän kierroksia samanlaisina kuin ohut, säteellä varustettu homogeeninen vanne. P ja massa m, joka kääntyy kulmanopeudella ω.
- Tällaisen ruumiin kineettinen energia on yhtä suuri kuin: Eettä = (Jω2): 2, missä J = mP2.
- Vauhtipyörä pysähtyy edellyttäen, että kaikki sen FE kulutetaan töihin kitkavoiman voittamiseksi Fkitka, jarrupalan ja vanteen välillä syntyvä: Eettä = Fkitka* alkaen, jossa alkaen - tämä on jarrutusmatka, joka on 2πRN.
- siksi, Fkitka*2πRN = (mP2ω2): 2, mistä N = (mω2R): (4πFtr).
Vastaus: N = (mω2R): (4πFtr).
Lopuksi
Energia on kaikkein tärkein ainesosaelämän osa-alueita, koska ilman sitä kukaan elin ei voisi tehdä työtä, mukaan lukien ihmiset. Mielestämme artikkeli teki sinulle selväksi, mikä on energiaa, ja yksityiskohtainen esitys sen yhdestä komponentista - kineettisen energian - kaikista näkökohdista auttaa sinua ymmärtämään monia planeetallamme tapahtuvia prosesseja. Ja voit oppia löytämään kineettisen energian yllä olevista kaavoista ja esimerkkeistä ongelmanratkaisusta.
