Повседневный опыт показывает, что недвижимые тела galima pradėti judėti, o judančius - sustabdyti. Mes nuolat kažką darome, pasaulis šurmuliuoja, šviečia saulė ... Bet kur žmonės, gyvūnai ir visa gamta įgauna jėgų atlikti šį darbą? Ar mechaninis judėjimas išnyksta be pėdsakų? Ar vienas kūnas pradės judėti nepakeisdamas kito judėjimo? Apie visa tai kalbėsime savo straipsnyje.
Energijos samprata
Varikliams, kurie judaautomobiliams, traktoriams, dyzeliniams lokomotyvams, lėktuvams reikia kuro, kuris yra energijos šaltinis. Elektros varikliai juda mašinas naudodami elektrą. Dėl vandens, krentančio iš aukščio, energijos įvyniojamos hidraulinės turbinos, sujungiamos su elektrinėmis mašinomis, gaminančiomis elektros srovę. Žmogui taip pat reikia energijos, kad jis galėtų egzistuoti ir dirbti. Jie sako, kad norint atlikti bet kokį darbą reikia energijos. Kas yra energija?
- Stebėjimas 1. Pakelkite rutulį nuo žemės.Kol jis ramus, joks mechaninis darbas neatliekamas. Paleiskime jį. Rutulys rutuliu krinta į žemę iš tam tikro aukščio. Kai rutulys nukrenta, atliekamas mechaninis darbas.
- Stebėjimas 2. Uždarykime spyruoklę, pritvirtinkime sriegiu ir uždėkime svorį ant spyruoklės. Uždegsime sriegį, spyruoklė ištiesins ir pakels svorį iki tam tikro aukščio. Pavasaris atliko mechaninius darbus.
- Наблюдение 3.Prie krepšelio pritvirtinsime strypą su bloku gale. Per bloką išmeskite siūlą, kurio vienas galas yra suvyniotas ant vežimėlio ašies, o ant kito kabo svoris. Atleiskime svorį. Veikiant gravitacijai, jis kris žemyn ir leis vežimėliui judėti. Svoris padarė mechaninį darbą.
Išanalizavę visus aukščiau pateiktus pastebėjimusgalime daryti išvadą, kad jei kūnas ar keli kūnai sąveikos metu atlieka mechaninį darbą, tada sakoma, kad jie turi mechaninę energiją arba energiją.
Energijos samprata
Energija (iš graikiško žodžio energija - деятельность) - это физическая величина, kuris apibūdina kūnų sugebėjimą atlikti darbą. Energijos vienetas, kaip ir darbas SI sistemoje, yra viena džaulė (1 J). Raštu energija nurodoma raide E... Iš aukščiau pateiktų eksperimentų matyti, kad kūnasatlieka darbą, kai pereina iš vienos būsenos į kitą. Tokiu atveju kūno energija keičiasi (mažėja), o kūno atliekamas mechaninis darbas yra lygus jo mechaninės energijos pokyčio rezultatui.
Mechaninės energijos rūšys. Potencialios energijos samprata
Yra 2 mechaninės energijos tipai: potencialioji ir kinetinė. Dabar atidžiau pažvelkime į galimą energiją.
Potenciali energija (PE) yra energijanustatoma pagal bendraujančių kūnų arba to paties kūno dalių tarpusavio padėtį. Kadangi bet kuris kūnas ir žemė traukia vienas kitą, tai yra, sąveikauja, kūno aukštis, iškilęs virš žemės, priklausys nuo pakilimo aukščio x... Kuo aukščiau kūnas pakeliamas, tuo didesnis jo PE.Eksperimentu nustatyta, kad PE priklauso ne tik nuo to, kokio aukščio jis yra pakeltas, bet ir nuo kūno svorio. Jei kūnai būtų pakelti į tą patį aukštį, tai didelės masės kūnas taip pat turėtų didelį PE. Šios energijos formulė yra tokia: En = mgh, kur En yra potenciali energija, m - kūno svoris, g = 9,81 N / kg, h - ūgis.
Pavasario potenciali energija
Potencialiai elastingai deformuoto kūno energija yra fizinis dydis EP, kuris, kai vertimo greitisjudėjimas veikiant elastinėms jėgoms sumažėja tiksliai tiek, kiek padidėja kinetinė energija. Spyruoklės (kaip ir kiti elastingai deformuoti kūnai) turi tokį PE, kuris yra lygus pusei jų standumo sandaugos į vienam deformacijos kvadratui: x = kx2: 2.
Kinetinė energija: formulė ir apibrėžimas
Kartais mechaninio darbo vertė gali būtisvarstoma nenaudojant jėgos ir judesio sąvokų, sutelkiant dėmesį į tai, kad darbas apibūdina kūno energijos pokyčius. Viskas, ko mums gali prireikti, yra kūno masė ir pradiniai bei galutiniai greičiai, kurie mus nuves į kinetinę energiją. Kinetinė energija (KE) yra energija, priklausanti kūnui dėl savo judėjimo.
Vėjas turi kinetinę energiją, jis yra naudojamaspajudėti vėjo jėgainėms. Varomosios oro masės daro spaudimą vėjo jėgainių sparnų pasvirusioms plokštumoms ir verčia jas pasisukti. Sukimosi judesys perdavimo sistemomis perduodamas mechanizmams, atliekantiems tam tikrą darbą. Varomasis vanduo, kuris suka elektrinės turbinas, darbo metu praranda dalį savo EC. Aukštai danguje skraidantis lėktuvas, be PE, turi FE. Jei kūnas yra ramybėje, tai yra, jo greitis Žemės atžvilgiu yra lygus nuliui, tada jo CE Žemės atžvilgiu yra lygus nuliui. Eksperimentu nustatyta, kad kuo didesnė kūno masė ir greitis, kuriuo jis juda, tuo didesnis jo FE. Matematinės išraiškos transliacijos judesio kinetinės energijos formulė yra tokia:
Kur Iki - kinetinė energija, m - kūno masė, į - greitis.
Kinetinės energijos pokyčiai
Kadangi kūno greitis yravertė, atsižvelgiant į pasirinktą pamatinį rėmą, korpuso FE vertė taip pat priklauso nuo jo pasirinkimo. Kūno kinetinės energijos (IKE) pokytis įvyksta dėl išorinės jėgos poveikio kūnui F... Fizinis kiekis A, kuris yra lygus IQE ΔEį kūnas dėl jėgos poveikio jam F vadinamas darbu: A = ΔEį. Jei ant kūno, kuris juda greičiu į1, jėga veikia Fsutampa su kryptimi, tada kūno judėjimo greitis per tam tikrą laiką padidės t iki tam tikros vertės į2... Tokiu atveju IQE yra lygus:
Kur m - kūno masė; d - pravažiuotas kūno kelias; Įf1 = (B2 - IN1); INf2 = (B2 + B1); a = F: m... Būtent ši formulė apskaičiuoja, kiek kinta kinetinė energija. Taip pat formulę galima aiškinti taip: ΔEį = Flcosά, kur cosά yra kampas tarp jėgos vektorių F ir greitis Į.
Vidutinė kinetinė energija
Kinetinė energija yra energijanulemtas skirtingų taškų, priklausančių šiai sistemai, judėjimo greičio. Tačiau reikia atsiminti, kad būtina atskirti 2 energijas, kurios apibūdina skirtingus judesio tipus: transliacinę ir sukimosi. Šiuo atveju vidutinė kinetinė energija (SKE) yra vidutinis skirtumas tarp visos sistemos energijų ir jos ramybės energijos, tai yra, tiesą sakant, jos vertė yra vidutinė potencialios energijos vertė. Vidutinės kinetinės energijos formulė yra tokia:
kur k yra Boltzmanno konstanta; T yra temperatūra. Būtent ši lygtis yra molekulinės kinetikos teorijos pagrindas.
Vidutinė kinetinė dujų molekulių energija
Daugybė eksperimentų buvo nustatyta, kadvidutinė kinetinė dujų molekulių energija, kai judama judanti tam tikroje temperatūroje, yra tokia pati ir nepriklauso nuo dujų rūšies. Be to, taip pat nustatyta, kad kai dujos kaitinamos 1 oSu SEE jis padidėja ta pačia verte. Tiksliau tariant, ši vertė yra lygi: ΔEį = 2,07 x 10-23J /oC. Norint apskaičiuoti, koks yra vidurkisDujų molekulių kinetinė energija transliacijos metu, be šios santykinės vertės, būtina žinoti dar bent vieną absoliučiąją transliacijos judėjimo energijos vertę. Fizikoje šios vertės gana tiksliai nustatomos plačiam temperatūrų diapazonui. Pavyzdžiui, esant temperatūrai t = 500 oC molekulės transkripcinio judesio kinetinė energija Ek = 1600 x 10-23Dž. Žinant 2 kiekius (ΔEį ir Eį), mes galime apskaičiuoti molekulių transliacinio judesio energiją tam tikroje temperatūroje ir išspręsti atvirkštinę problemą - nustatyti temperatūrą iš nurodytų energijos verčių.
Galiausiai galime daryti išvadą, kad vidutinė kinetinė molekulių energija, formulė kuris pateiktas aukščiau, priklauso tik nuo absoliučiosios temperatūros (ir bet kokios medžiagų sankaupos būsenos).
Bendras mechaninės energijos išsaugojimo įstatymas
Ištyrus kūnų judesį veikiant gravitacijai ir tamprosioms jėgoms, paaiškėjo, kad egzistuoja tam tikras fizinis dydis, vadinamas potencialia energija. En; tai priklauso nuo kūno koordinačių, o jo pokytis prilyginamas IQE, kuris imamas su priešingu ženklu: ΔEn = -ΔEį. Taigi kūno FE ir PE pokyčių, sąveikaujančių su gravitacinėmis ir elastinėmis jėgomis, suma yra lygi 0: ΔEn + ΔEį = 0. Kviečiamos jėgos, kurios priklauso tik nuo kūno koordinačių konservatyvus. Traukos ir elastingumo jėgos yra konservatyviosios jėgos. Kūno kinetinių ir galimų energijų suma yra bendra mechaninė energija: En + Eį = E. 
Šis faktas, įrodytas tiksliausiais eksperimentais,
vadinamas mechaninis energijos taupymo įstatymas... Jei kūnai sąveikauja su jėgomis, taipriklauso nuo santykinio judėjimo greičio, sąveikaujančių kūnų sistemoje mechaninė energija neišsaugoma. Tokio tipo jėgos pavyzdys vadinamas nekonservatyvus, yra trinties jėgos.Jei trinties jėgos veikia kūną, tada joms įveikti reikia eikvoti energiją, tai yra, dalis jos naudojama darbui su trinties jėgomis atlikti. Tačiau energijos išsaugojimo įstatymo pažeidimas čia yra tik įsivaizduojamas, nes tai yra atskiras bendrojo energijos išsaugojimo ir transformavimo įstatymo atvejis. Kūnų energija niekada neišnyksta ar vėl nepasikartoja: tai tik keičiasi iš vieno tipo į kitą. Šis gamtos dėsnis yra labai svarbus, jis vykdomas visur. Jis taip pat kartais vadinamas bendruoju energijos išsaugojimo ir transformavimo dėsniu.
Ryšys tarp vidinės kūno energijos, kinetinės ir potencialios energijos
Внутренняя энергия (U) тела - это его полная kūno energija atėmus viso kūno FE ir jo PE išoriniame jėgų lauke. Iš to galime daryti išvadą, kad vidinę energiją sudaro chaotiško molekulių judėjimo CE, PE sąveika tarp jų ir vidinė molekulinė energija. Vidinė energija yra nedviprasmiška sistemos būsenos funkcija, kuri reiškia taip: jei sistema yra tokios būklės, jos vidinė energija įgauna jai būdingas vertybes, nepriklausomai nuo to, kas įvyko anksčiau.
Reliatyvizmas
Kai kūno greitis yra artimas šviesos greičiui, kinetinė energija nustatoma pagal šią formulę:
Kūno kinetinė energija, kurios formulė buvo parašyta aukščiau, taip pat gali būti apskaičiuojama tokiu principu:
Kinetinės energijos radimo užduočių pavyzdžiai
1. Palyginkite 9 g rutulio, skriejančio 300 m / s greičiu, ir 60 kg svorio žmogaus, bėgančio 18 km / h, kinetinę energiją.
Taigi, kas mums duota: m1 = 0,009 kg; V1 = 300 m / s; m2 = 60 kg, V2 = 5 m / s.
Sprendimas:
- Kinetinė energija (formulė): Eį = mv2 : 2.
- Skaičiavimui turime visus duomenis, todėl rasime Eį tiek asmeniui, tiek kamuoliui.
- 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.
Atsakymas: kamuolio kinetinė energija yra mažesnė nei žmogaus.
2. 10 kg masės kūnas buvo pakeltas į 10 m aukštį, o po to jis buvo paleistas. Kokį FE jis turės 5 m aukštyje? Leidžiama nepaisyti oro pasipriešinimo.
Taigi, kas mums duota: m = 10 kg; h = 10 m; x1 = 5 m; g = 9,81 N / kg. Ek1 -?
Sprendimas:
- Tam tikros masės kūnas, pakeltas į tam tikrą aukštį, turi potencialią energiją: En = mgh. Jei kūnas krenta, tai jis yra tam tikrame aukštyje h1 bus prakaitas. energija En = mgh1 ir giminė. energija Ek1. Norint teisingai rasti kinetinę energiją, aukščiau pateikta formulė nepadės, todėl problemą išspręsime naudodami šį algoritmą.
- Šiame žingsnyje mes naudojame energijos išsaugojimo dėsnį ir rašome: En1 + Ek1 = EP.
- Tada Ek1 = En - En1 = mgh - mgh1 = mg (h-h1)
- Pakeitę savo vertes į formulę, gauname: Ek1 = 10 x 9,81 (10–5) = 490,5 J
Atsakymas: Ek1 = 490,5 J.
3. Smagratis su mase m ir spindulys R, apsisuka aplink ašį, einančią per jos centrą. Smagračio pasukimo greitis - ω... Norint sustabdyti smagratį, prie jo ratlankio prispaudžiama stabdžių trinkelė, veikianti jėga Ftrintis... Kiek apsisukimų smagratis visiškai sustabdys? Atkreipkite dėmesį, kad smagračio masė sutelkta ant ratlankio.
Taigi, kas mums duota: m; R; ω; Ftrintis. N -?
Sprendimas:
- Spręsdami problemą, smagračio apsisukimus laikysime panašiais į plono vienarūšio žiedo, kurio spindulys yra, apsisukimus. R ir masė m, kuris sukasi kampiniu greičiu ω.
- Tokio kūno kinetinė energija lygi: Eį = (Jω2): 2, kur J = mR2.
- Smagratis sustos, jei visas jo FE bus išleistas darbui įveikti trinties jėgą Ftrintis, atsirandantis tarp stabdžių kaladėlės ir ratlankio: Eį = Ftrintis* s, kur s - yra stabdymo kelias, kuris yra 2πRN.
- Todėl Ftrintis*2πRN = (mR2ω2): 2, iš kur N = (mω2R): (4πFtr).
Atsakymas: N = (mω2R): (4πFtr).
Baigiamajame darbe
Energija yra svarbiausias ingredientasgyvenimo aspektus, nes be jo jokie kūnai negalėtų dirbti, įskaitant žmones. Manome, kad straipsnis jums aiškiai parodė, kas yra energija, o išsamus visų jos komponentų - kinetinės energijos - aspektų pristatymas padės suprasti daugelį mūsų planetoje vykstančių procesų. Kaip sužinoti kinetinę energiją, galite sužinoti iš aukščiau pateiktų formulių ir problemų sprendimo pavyzdžių.
