De dagelijkse ervaring leert dat onwrikbare lichamenkan in beweging worden gezet en beweegbare kunnen worden gestopt. Jij en ik zijn constant iets aan het doen, de wereld bruist, de zon schijnt ... Maar waar halen mensen, dieren en de natuur als geheel de kracht vandaan om dit werk te doen? Is het mechanische uurwerk spoorloos verdwenen? Zal het ene lichaam beginnen te bewegen zonder de beweging van het andere te veranderen? We zullen hierover in ons artikel praten.
Energie concept
Voor de werking van motoren die beweging gevenauto's, tractoren, diesellocomotieven en vliegtuigen hebben brandstof nodig, wat een energiebron is. Elektromotoren verplaatsen machines met elektriciteit. Door de energie van water dat van een hoogte valt, worden hydraulische turbines rondgedraaid, verbonden met elektrische machines die elektrische stroom produceren. Een mens heeft ook energie nodig om te kunnen bestaan en werken. Ze zeggen dat er energie nodig is om enig werk te doen. Wat is energie?
- Observatie 1. Til de bal van de grond.Terwijl hij kalm is, wordt er geen mechanisch werk verricht. Laten we hem laten gaan. Door de zwaartekracht valt de bal vanaf een bepaalde hoogte op de grond. Wanneer de bal valt, wordt mechanisch werk verricht.
- Observatie 2. Laten we de veer sluiten, vastmaken met een schroefdraad en een gewicht op de veer plaatsen. Laten we de draad in brand steken, de veer zal recht worden en het gewicht op een bepaalde hoogte brengen. De veer heeft mechanisch werk verricht.
- Observatie 3.We zullen aan het einde een staaf met een blok aan de kar bevestigen. We gooien een draad door het blok, waarvan het ene uiteinde om de as van de kar is gewikkeld en een gewicht aan het andere hangt. Laten we het gewicht loslaten. Onder invloed van de zwaartekracht zal het naar beneden vallen en de kar laten bewegen. Het gewicht heeft mechanisch werk verricht.
Na analyse van alle bovenstaande observatieswe kunnen concluderen dat als een lichaam of meerdere lichamen mechanisch werk verrichten tijdens interactie, ze zeggen dat ze mechanische energie of energie hebben.
Energie concept
Energie (van het Griekse woord energie - activiteit) is een fysieke grootheid,wat het vermogen van lichamen om werk te doen kenmerkt. De eenheid van energie, evenals werk in het SI-systeem, is één Joule (1 J). Schriftelijk wordt energie aangegeven met de letter EUit de bovenstaande experimenten blijkt dat het lichaamverricht werk wanneer het van de ene staat naar de andere overgaat. Tegelijkertijd verandert (neemt de energie van het lichaam af) en is het mechanische werk dat door het lichaam wordt uitgevoerd gelijk aan het resultaat van een verandering in zijn mechanische energie.
Soorten mechanische energie. Potentieel energieconcept
Er zijn 2 soorten mechanische energie: potentiaal en kinetisch. Laten we nu eens nader kijken naar potentiële energie.
Potentiële energie (PE) is energiebepaald door de onderlinge positie van de lichamen die op elkaar inwerken, of door delen van hetzelfde lichaam. Omdat elk lichaam en de aarde elkaar aantrekken, dat wil zeggen dat ze op elkaar inwerken, zal de PE van het lichaam dat boven de grond is opgeheven afhangen van de hoogte van de stijging XHoe hoger het lichaam wordt opgetild, hoe groter de PE.Experimenteel is vastgesteld dat PE niet alleen afhangt van de hoogte waarnaar het wordt verhoogd, maar ook van het lichaamsgewicht. Als de lichamen op dezelfde hoogte zijn gebracht, heeft een lichaam met een grote massa ook een grote PE. De formule voor deze energie is als volgt: E.n = mgh, Waar E.n is potentiële energie, m - lichaamsgewicht, g = 9,81 N / kg, h - lengte.
Lente potentiële energie
De potentiële energie van een elastisch vervormd lichaam is een fysieke grootheid E.P, die, wanneer de snelheid van de translationelebeweging onder invloed van elastische krachten neemt net zoveel af als de kinetische energie toeneemt. Veren hebben (net als andere elastisch vervormde lichamen) zo'n PE, wat gelijk is aan de helft van het product van hun stijfheid k per stamvierkant: x = kx2: 2.
Kinetische energie: formule en definitie
Soms kan de waarde van mechanisch werk zijnbeschouwd zonder de begrippen kracht en beweging te gebruiken, met de nadruk op het feit dat werk een verandering in de energie van het lichaam kenmerkt. Alles wat we nodig hebben, is de massa van een lichaam en zijn begin- en eindsnelheden, die ons naar kinetische energie zullen leiden. Kinetische energie (KE) is de energie die door zijn eigen beweging bij het lichaam hoort.
De wind heeft kinetische energie, hij wordt gebruiktom beweging te geven aan windturbines. De voortgestuwde luchtmassa's oefenen druk uit op de hellende vlakken van de vleugels van windturbines en zorgen ervoor dat deze gaan draaien. Draaibeweging wordt door transmissiesystemen overgedragen op mechanismen die een specifieke taak uitvoeren. Het voortgestuwde water dat de turbines van de energiecentrale doet draaien, verliest een deel van zijn EC tijdens het werk. Het vliegtuig dat hoog in de lucht vliegt, heeft naast de PE een FE. Als het lichaam in rust is, dat wil zeggen dat zijn snelheid ten opzichte van de aarde nul is, dan is zijn CE ten opzichte van de aarde nul. Experimenteel is vastgesteld dat hoe groter de massa van een lichaam en de snelheid waarmee het beweegt, hoe groter de FE. De formule voor de kinetische energie van translatiebeweging in wiskundige uitdrukkingen is als volgt:
Waar K - kinetische energie, m - lichaamsgewicht, v - snelheid.
Verandering in kinetische energie
Omdat de bewegingssnelheid van het lichaam iswaarde afhankelijk van de keuze van het referentiekader, de waarde van de FE van het lichaam hangt ook af van zijn keuze. De verandering in de kinetische energie (IKE) van het lichaam vindt plaats door de werking van een externe kracht op het lichaam F.Fysieke hoeveelheid Een, wat gelijk is aan IQE ΔEnaar lichaam als gevolg van de werking van kracht erop F, heet werk: A = ΔEnaar. Als op een lichaam dat met snelheid beweegt v1, de kracht werkt F.samenvallend met de richting, dan zal de bewegingssnelheid van het lichaam in de loop van de tijd toenemen t tot enige waarde v2In dit geval is de IQE gelijk aan:
Waar m - lichaamsgewicht; d - doorkruist pad van het lichaam; def1 = (V2 - V1V.f2 = (V2 + V1a = F: mHet is deze formule die berekent hoeveel de kinetische energie verandert. De formule kan ook de volgende interpretatie hebben: ΔEnaar = Flcosά, waar cosά is de hoek tussen de krachtvectoren F. en snelheid de.
Gemiddelde kinetische energie
Kinetische energie is energiebepaald door de bewegingssnelheid van verschillende punten die bij dit systeem horen. Houd er echter rekening mee dat het noodzakelijk is om onderscheid te maken tussen 2 energieën die karakteristiek zijn voor verschillende soorten bewegingen: translatie en rotatie. In dit geval is de gemiddelde kinetische energie (SKE) het gemiddelde verschil tussen de totaliteit van de energieën van het hele systeem en zijn energie van rust, dat wil zeggen, de waarde is in feite de gemiddelde waarde van potentiële energie. De formule voor de gemiddelde kinetische energie is als volgt:
waarbij k de constante van Boltzmann is; T is de temperatuur. Het is deze vergelijking die de basis vormt van de moleculaire kinetische theorie.
Gemiddelde kinetische energie van gasmoleculen
Door talloze experimenten werd ontdekt datde gemiddelde kinetische energie van gasmoleculen in translatiebeweging bij een bepaalde temperatuur is hetzelfde en niet afhankelijk van het type gas. Daarnaast werd ook gevonden dat wanneer het gas wordt verwarmd door 1 overMet SEE stijgt het met dezelfde waarde. Preciezer gezegd, deze waarde is gelijk aan: ΔEnaar = 2,07 x 10-23J /overS. Om te berekenen wat het gemiddelde iskinetische energie van gasmoleculen in translatiebeweging, is het nodig, naast deze relatieve waarde, nog minstens één absolute waarde van de energie van translatiebeweging te kennen. In de natuurkunde worden deze waarden vrij nauwkeurig bepaald voor een breed temperatuurbereik. Bijvoorbeeld op een temperatuur t = 500 overC kinetische energie van de translatiebeweging van het molecuul Ek = 1600 x 10-23J. 2 hoeveelheden kennen (ΔEnaar en Enaar), we kunnen zowel de energie van de translatiebeweging van moleculen bij een bepaalde temperatuur berekenen als het omgekeerde probleem oplossen - bepaal de temperatuur uit de gegeven energiewaarden.
Ten slotte kunnen we concluderen dat de gemiddelde kinetische energie van moleculen de formule is die hierboven is gegeven, hangt alleen af van de absolute temperatuur (en voor elke toestand van aggregatie van stoffen).
Wet totale mechanische energiebesparing
De studie van de beweging van lichamen onder invloed van zwaartekracht en elastische krachten heeft aangetoond dat er een bepaalde fysieke grootheid is, die potentiële energie wordt genoemd Enhet hangt af van de coördinaten van het lichaam, en de verandering ervan wordt gelijkgesteld aan de IQE, die wordt genomen met het tegenovergestelde teken: ΔEn = -ΔEnaar. Dus de som van veranderingen in de FE en PE van het lichaam, die in wisselwerking staan met zwaartekrachten en elastische krachten, is 0: ΔEn + ΔEnaar = 0. Krachten die alleen afhankelijk zijn van de coördinaten van het lichaam, worden opgeroepen conservatief. De aantrekkingskracht en elasticiteit zijn conservatieve krachten. De som van de kinetische en potentiële energieën van het lichaam is de totale mechanische energie: En + Enaar = E. 
Dit feit, dat is bewezen door de meest nauwkeurige experimenten,
gebeld wet op het behoud van mechanische energieAls lichamen interageren met krachten datafhankelijk van de snelheid van relatieve beweging, wordt mechanische energie niet behouden in het systeem van op elkaar inwerkende lichamen. Een voorbeeld van dit soort kracht wordt genoemd niet conservatief, zijn de wrijvingskrachten.Als wrijvingskrachten op het lichaam werken, dan is het nodig om energie te verbruiken om ze te overwinnen, dat wil zeggen dat een deel ervan wordt gebruikt om werkzaamheden tegen wrijvingskrachten uit te voeren. Overtreding van de wet van behoud van energie is hier echter slechts denkbeeldig, omdat het een apart geval is van de algemene wet van behoud en transformatie van energie. De energie van lichamen verdwijnt nooit of verschijnt nooit meer: het transformeert alleen van het ene type naar het andere. Deze natuurwet is erg belangrijk, hij wordt overal toegepast. Het wordt ook wel de algemene wet van behoud en transformatie van energie genoemd.
De verbinding tussen de interne energie van het lichaam, kinetische en potentiële energieën
De interne energie (U) van het lichaam is het totaalenergie van het lichaam minus de FE van het lichaam als geheel en zijn PE in het externe krachtenveld. Hieruit kunnen we concluderen dat de interne energie bestaat uit de CE van de chaotische beweging van moleculen, de PE-interactie daartussen, en intramoleculaire energie. Interne energie is een ondubbelzinnige functie van de toestand van het systeem, die het volgende aangeeft: als het systeem zich in deze toestand bevindt, neemt zijn interne energie zijn inherente waarden aan, ongeacht wat er eerder is gebeurd.
Relativisme
Wanneer de snelheid van een lichaam dicht bij de lichtsnelheid ligt, wordt kinetische energie gevonden met de volgende formule:
De kinetische energie van het lichaam, waarvan de formule hierboven is geschreven, kan ook worden berekend volgens het volgende principe:
Voorbeelden van taken voor het vinden van kinetische energie
1. Vergelijk de kinetische energie van een bal van 9 g die vliegt met 300 m / s en een man van 60 kg die rent met 18 km / u.
Dus wat wordt ons gegeven: m1 = 0,009 kg; V.1 = 300 m / s; m2 = 60 kg, V2 = 5 m / s.
oplossing:
- Kinetische energie (formule): Enaar = mv2 : 2.
- We hebben alle gegevens voor de berekening, en daarom zullen we ze vinden Enaar zowel voor de persoon als voor de bal.
- 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.
Antwoord: de kinetische energie van de bal is minder dan die van een persoon.
2. Een lichaam van 10 kg werd opgetild tot een hoogte van 10 m, waarna het werd losgelaten. Wat voor FE heeft het op een hoogte van 5 m? De luchtweerstand kan worden verwaarloosd.
Dus wat wordt ons gegeven: m = 10 kg; h = 10 m; X1 = 5 m; g = 9,81 N / kg. Ek1
oplossing:
- Een lichaam met een bepaalde massa, verhoogd tot een bepaalde hoogte, heeft potentiële energie: En = mgh. Als het lichaam valt, dan is het op enige hoogte h1 zal zweet hebben. energie En = mgh1 en verwanten. energie Ek1. Om de kinetische energie correct te vinden, zal de formule die hierboven werd gegeven niet helpen, en daarom zullen we het probleem oplossen met behulp van het volgende algoritme.
- In deze stap gebruiken we de wet van behoud van energie en schrijven: En1 + Ek1 = EP.
- Vervolgens Ek1 = En - En1 = mgh - mgh1 = mg (h-h1).
- Door onze waarden in de formule te vervangen, krijgen we: Ek1 = 10 x 9,81 (10-5) = 490,5 J.
Antwoord: Ek1 = 490,5 J.
3. Vliegwiel met massa m en straal R, wikkelt zich rond een as die door het midden gaat. Draaisnelheid vliegwiel - ωOm het vliegwiel te stoppen, wordt een remschoen met kracht tegen de velg gedrukt F.wrijvingHoeveel omwentelingen maakt het vliegwiel volledig tot stilstand? Merk op dat de massa van het vliegwiel gecentreerd is op de velg.
Dus wat wordt ons gegeven: m; R; ω; F.wrijving. N -?
oplossing:
- Bij het oplossen van het probleem beschouwen we de omwentelingen van het vliegwiel als vergelijkbaar met de omwentelingen van een dunne homogene hoepel met een straal R en massa m, die met hoeksnelheid draait ω.
- De kinetische energie van zo'n lichaam is gelijk aan: Enaar = (Jω2): 2, waar J = mR2.
- Het vliegwiel stopt op voorwaarde dat al zijn FE aan het werk wordt besteed om de wrijvingskracht te overwinnen F.wrijving, ontstaan tussen het remblok en de velg: Enaar = F.wrijving* s, Waar s - dit is de remweg, dat wil zeggen 2πRN.
- daarom, F.wrijving*2πRN = (mR2ω2): 2, waarvan N = (mω2R): (4πF.tr).
Antwoord: N = (mω2R): (4πFtr).
Tot slot
Energie is het allerbelangrijkste ingrediëntaspecten van het leven, want zonder dat zouden geen lichamen werk kunnen doen, ook geen mensen. We denken dat het artikel je duidelijk heeft gemaakt wat energie is, en een gedetailleerde presentatie van alle aspecten van een van de componenten ervan - kinetische energie - zal je helpen veel van de processen die op onze planeet plaatsvinden te begrijpen. En u kunt leren hoe u kinetische energie kunt vinden uit de bovenstaande formules en voorbeelden van probleemoplossing.
