A experiência cotidiana mostra que corpos imóveispodem ser colocados em movimento e os móveis podem ser parados. Você e eu estamos constantemente fazendo algo, o mundo está agitado, o sol está brilhando ... Mas de onde os humanos, os animais e a natureza como um todo obtêm forças para fazer esse trabalho? O movimento mecânico desaparece sem deixar vestígios? Um corpo começará a se mover sem alterar o movimento do outro? Falaremos sobre tudo isso em nosso artigo.
Conceito de energia
Para o funcionamento de motores que dão movimentocarros, tratores, locomotivas a diesel, aviões precisam de combustível, que é uma fonte de energia. Os motores elétricos movem máquinas usando eletricidade. Devido à energia da água caindo de uma altura, turbinas hidráulicas são enroladas, conectadas a máquinas elétricas que produzem corrente elétrica. Uma pessoa também precisa de energia para existir e trabalhar. Eles dizem que para fazer qualquer trabalho, é necessária energia. O que é energia?
- Observação 1. Levante a bola do chão.Enquanto ele estiver calmo, nenhum trabalho mecânico será feito. Vamos deixá-lo ir. A gravidade faz com que a bola caia no chão de uma certa altura. Quando a bola cai, o trabalho mecânico é executado.
- Observação 2. Vamos fechar a mola, fixar com um fio e colocar um peso na mola. Vamos atear fogo ao fio, a mola vai endireitar e elevar o peso a uma certa altura. A mola fez um trabalho mecânico.
- Observação 3.Vamos prender uma haste com um bloco no final do carrinho. Passe um fio pelo bloco, uma extremidade do qual é enrolada no eixo do carrinho e um peso pende do outro. Vamos liberar o peso. Sob a influência da gravidade, ele cairá e dará movimento ao carrinho. O peso fez trabalho mecânico.
Depois de analisar todas as observações acimapodemos concluir que se um corpo ou vários corpos realizam trabalho mecânico durante a interação, então eles dizem que possuem energia mecânica, ou energia.
Conceito de energia
Energia (da palavra grega energia - atividade) é uma quantidade física,que caracteriza a capacidade dos corpos para trabalhar. A unidade de energia, assim como de trabalho no sistema SI, é um Joule (1 J). Por escrito, a energia é denotada pela letra E... A partir dos experimentos acima, pode-se ver que o corpoexecuta trabalho quando faz a transição de um estado para outro. Nesse caso, a energia do corpo muda (diminui), e o trabalho mecânico realizado pelo corpo é igual ao resultado da mudança de sua energia mecânica.
Tipos de energia mecânica. Conceito de energia potencial
Existem 2 tipos de energia mecânica: potencial e cinética. Agora vamos dar uma olhada mais de perto na energia potencial.
Energia potencial (PE) é energia,determinado pela posição mútua dos corpos que interagem, ou por partes de um mesmo corpo. Uma vez que qualquer corpo e a terra se atraem, ou seja, interagem, o PE do corpo elevado acima do solo dependerá da altura da elevação x... Quanto mais alto o corpo é levantado, maior é o seu PE.Foi estabelecido experimentalmente que o PE depende não só da altura a que é elevado, mas também do peso corporal. Se os corpos foram elevados à mesma altura, então um corpo com uma grande massa também terá um grande PE. A fórmula para esta energia é a seguinte: En = mgh, Onde En é energia potencial, m - peso corporal, g = 9,81 N / kg, h - altura.
Energia potencial da primavera
A energia potencial de um corpo elasticamente deformado é uma quantidade física EP, que, quando a velocidade da traduçãoo movimento sob a influência de forças elásticas diminui exatamente tanto quanto aumenta a energia cinética. As molas (como outros corpos deformados elasticamente) têm um PE, que é igual a metade do produto de sua rigidez k por quadrado de tensão: x = kx2: 2.
Energia cinética: fórmula e definição
Às vezes, o valor do trabalho mecânico pode serconsiderado sem utilizar os conceitos de força e deslocamento, enfocando o fato de que o trabalho caracteriza uma mudança na energia do corpo. Tudo o que podemos precisar é a massa de um corpo e suas velocidades inicial e final, que nos levarão à energia cinética. Energia cinética (KE) é a energia que pertence ao corpo devido ao seu próprio movimento.
O vento tem energia cinética, ela é aproveitadapara dar movimento às turbinas eólicas. As massas de ar propelidas exercem pressão sobre os planos inclinados das asas das turbinas eólicas e fazem com que girem. O movimento rotacional é transmitido por sistemas de transmissão para mecanismos que realizam um trabalho específico. A água propelida que gira as turbinas da usina perde parte de sua CE durante o trabalho. Um avião voando alto no céu, além de um PE, tem um EE. Se o corpo está em repouso, ou seja, sua velocidade em relação à Terra é zero, então seu CE em relação à Terra é zero. Foi estabelecido experimentalmente que quanto maior a massa de um corpo e a velocidade com que se move, maior é o seu FE. A fórmula para a energia cinética do movimento translacional na expressão matemática é a seguinte:
Onde Para - energia cinética, m - massa corporal, v - Rapidez.
Mudança na energia cinética
Uma vez que a velocidade de movimento do corpo évalor dependendo da escolha do quadro de referência, o valor do FE do corpo também depende da sua escolha. A mudança na energia cinética (IKE) do corpo ocorre devido à ação de uma força externa sobre o corpo F... Quantidade física E, que é igual a IKE ΔEpara corpo devido à ação da força sobre ele F, chamado trabalho: A = ΔEpara. Se em um corpo que se move com velocidade v1, a força está agindo Fcoincidindo com a direção, a velocidade de movimento do corpo aumentará ao longo de um período de tempo t para algum valor v2... Neste caso, o IQE é igual a:
Onde m - massa corporal; d - o caminho percorrido pelo corpo; Emf1 = (V2 - V1); Vf2 = (V2 + V1); a = F: m... É esta fórmula que calcula o quanto a energia cinética muda. A fórmula também pode ter a seguinte interpretação: ΔEpara = Flcosά, onde cosά é o ângulo entre os vetores de força F e velocidade Em.
Energia cinética média
Energia cinética é energiadeterminado pela velocidade de movimento dos diferentes pontos que pertencem a este sistema. No entanto, deve-se lembrar que é necessário distinguir 2 energias que caracterizam diferentes tipos de movimento: translacional e rotacional. Nesse caso, a energia cinética média (SKE) é a diferença média entre a totalidade das energias de todo o sistema e sua energia de tranquilidade, ou seja, seu valor é, de fato, o valor médio da energia potencial. A fórmula para a energia cinética média é a seguinte:
onde k é a constante de Boltzmann; T é a temperatura. É essa equação a base da teoria cinética molecular.
Energia cinética média das moléculas de gás
Foi descoberto por numerosos experimentos quea energia cinética média das moléculas de gás em movimento translacional a uma dada temperatura é a mesma e não depende do tipo de gás. Além disso, também foi verificado que quando o gás é aquecido por 1 oCom SEE, aumenta no mesmo valor. Para ser mais preciso, este valor é igual a: ΔEpara = 2,07 x 10-23J /oC. Para calcular qual é a médiaenergia cinética das moléculas de gás em movimento translacional, é necessário, além deste valor relativo, conhecer pelo menos mais um valor absoluto da energia de movimento translacional. Na física, esses valores são determinados com bastante precisão para uma ampla gama de temperaturas. Por exemplo, em uma temperatura t = 500 oC energia cinética do movimento translacional da molécula Ek = 1600 x 10-23J. Conhecendo 2 quantidades (ΔEpara e Epara), podemos calcular a energia do movimento de translação das moléculas a uma determinada temperatura e resolver o problema inverso - determinar a temperatura a partir dos valores de energia dados.
Finalmente, podemos concluir que a energia cinética média das moléculas, a fórmula que é dado acima, depende apenas da temperatura absoluta (e para qualquer estado de agregação de substâncias).
Lei de conservação de energia mecânica total
O estudo do movimento dos corpos sob a influência da gravidade e forças elásticas tem mostrado que existe uma certa quantidade física, que é chamada de energia potencial. En; depende das coordenadas do corpo, e sua mudança é equiparada ao IQE, que é tomado com o sinal oposto: ΔEn = -ΔEpara. Assim, a soma das mudanças na FE e PE do corpo, que interagem com as forças gravitacionais e forças elásticas, é 0: ΔEn + ΔEpara = 0. Forças que dependem apenas das coordenadas do corpo são chamadas conservador. As forças de atração e elasticidade são forças conservadoras. A soma das energias cinética e potencial do corpo é a energia mecânica total: En + Epara = E. 
Este fato, que foi comprovado pelos experimentos mais precisos,
são chamados lei de conservação de energia mecânica... Se os corpos interagem com forças quedependendo da velocidade do movimento relativo, a energia mecânica não é conservada no sistema de corpos em interação. Um exemplo deste tipo de força chamado não conservador, são as forças de atrito.Se as forças de atrito atuam sobre o corpo, então para superá-las é necessário despender energia, ou seja, parte dela é utilizada para realizar trabalhos contra as forças de atrito. No entanto, a violação da lei de conservação de energia é apenas imaginária aqui, porque é um caso separado da lei geral de conservação e transformação de energia. A energia dos corpos nunca desaparece ou reaparece: ele apenas se transforma de um tipo para outro. Essa lei da natureza é muito importante, ela é cumprida em todos os lugares. Às vezes também é chamada de lei geral de conservação e transformação de energia.
A conexão entre a energia interna do corpo, as energias cinética e potencial
A energia interna (U) do corpo é o seu totala energia do corpo menos o FE do corpo como um todo e seu PE no campo de forças externo. A partir disso, podemos concluir que a energia interna consiste no CE do movimento caótico das moléculas, na interação do PE entre elas e na energia intramolecular. A energia interna é uma função inequívoca do estado do sistema, o que sugere o seguinte: se o sistema está em um determinado estado, sua energia interna assume seus valores inerentes, independentemente do que aconteceu antes.
Relativismo
Quando a velocidade de um corpo está próxima da velocidade da luz, a energia cinética é encontrada pela seguinte fórmula:
A energia cinética do corpo, cuja fórmula foi escrita acima, também pode ser calculada de acordo com o seguinte princípio:
Exemplos de tarefas para encontrar energia cinética
1. Compare a energia cinética de uma bola de 9 g voando a 300 m / se um homem de 60 kg correndo a 18 km / h.
Então, o que nos é dado: m1 = 0,009 kg; V1 = 300 m / s; m2 = 60 kg, V2 = 5 m / s.
Decisão:
- Energia cinética (fórmula): Epara = mv2 : 2.
- Temos todos os dados para o cálculo e, portanto, encontraremos Epara tanto para a pessoa quanto para a bola.
- 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.
Resposta: a energia cinética da bola é menor que a de uma pessoa.
2. Um corpo com uma massa de 10 kg foi elevado a uma altura de 10 m, após o que era liberado. Que tipo de FE terá a uma altura de 5 m? A resistência do ar pode ser desprezada.
Então, o que nos é dado: m = 10 kg; h = 10 m; x1 = 5 m; g = 9,81 N / kg. Ek1 -?
Decisão:
- Um corpo de uma certa massa, elevado a uma certa altura, tem energia potencial: En = mgh. Se o corpo cair, então está a uma certa altura h1 terá suor. energia En = mgh1 e parentes. energia Ek1. Para encontrar corretamente a energia cinética, a fórmula fornecida acima não ajudará e, portanto, resolveremos o problema de acordo com o seguinte algoritmo.
- Nesta etapa, usamos a lei da conservação de energia e escrevemos: En1 + Ek1 = EP.
- Então Ek1 = En - En1 = mgh - mgh1 = mg (h-h1)
- Substituindo nossos valores na fórmula, obtemos: Ek1 = 10 x 9,81 (10-5) = 490,5 J.
Resposta: Ek1 = 490,5 J.
3. Volante com massa m e raio R, envolve um eixo que passa por seu centro. Velocidade de rotação do volante - ω... Para parar o volante, uma sapata de freio é pressionada contra seu aro, agindo sobre ele com força Fatrito... Quantas revoluções o volante fará antes de parar completamente? Observe que a massa do volante está centrada no aro.
Então, o que nos é dado: m; R; ω; Fatrito. N -?
Decisão:
- Ao resolver o problema, vamos considerar as rotações do volante semelhantes às rotações de um arco homogêneo fino com um raio R e massa m, que gira a uma velocidade angular ω.
- A energia cinética de tal corpo é igual a: Epara = (Jω2): 2, onde J = mR2.
- O volante irá parar, desde que todo o seu FE seja gasto em trabalho para superar a força de atrito Fatrito, surgindo entre a pastilha de freio e o aro: Epara = Fatrito* s, Onde s - esta é a distância de frenagem, que é 2πRN.
- Portanto Fatrito*2πRN = (mR2ω2): 2, de onde N = (mω2R): (4πFtr).
Resposta: N = (mω2R): (4πFtr).
Em conclusão
A energia é o ingrediente mais importante em todosaspectos da vida, porque sem ela nenhum corpo seria capaz de trabalhar, incluindo os humanos. Achamos que o artigo deixou claro para você o que é energia, e uma apresentação detalhada de todos os aspectos de um de seus componentes - a energia cinética - irá ajudá-lo a entender muitos dos processos que ocorrem em nosso planeta. E você pode aprender como encontrar energia cinética com as fórmulas acima e exemplos de solução de problemas.
