Experiența de zi cu zi arată că trupurile imobilepoate fi pus în mișcare, iar cele mobile pot fi oprite. Voi și cu mine facem în permanență ceva, lumea se zvâcnește, soarele strălucește ... Dar unde oamenii, animalele și natura în ansamblu capătă puterea de a face această muncă? Dispune mișcarea mecanică fără urmă? Un corp va începe să se miște fără a schimba mișcarea celuilalt? Vom vorbi despre toate acestea în articolul nostru.
Conceptul energetic
Для работы двигателей, которые придают движение mașinile, tractoarele, locomotivele diesel, avioanele au nevoie de combustibil, ceea ce este o sursă de energie. Motoarele electrice deplasează utilaje folosind electricitate. Datorită energiei apei care scade de la înălțime, turbinele hidraulice sunt înfășurate, conectate la mașini electrice care produc curent electric. O persoană are, de asemenea, nevoie de energie pentru a exista și pentru a lucra. Ei spun că pentru a face orice muncă este nevoie de energie. Ce este energia?
- Наблюдение 1. Поднимем над землей мяч.În timp ce este calm, nu se lucrează mecanic. Să-l lăsăm să plece. Mingea cade la sol de la o anumită înălțime prin gravitație. Când bila cade, se execută o muncă mecanică.
- Observație 2. Să închidem arcul, să-l fixăm cu un fir și să punem o greutate pe arc. Să punem foc la fir, arcul se va îndrepta și va ridica greutatea la o anumită înălțime. Primăvara a lucrat mecanic.
- Observarea 3.Vom atașa o tijă cu un bloc la capăt la coș. Aruncați un fir prin bloc, dintre care un capăt este înfășurat pe axa căruței și o greutate atârnă de celălalt. Hai să eliberam greutatea. Sub acțiunea gravitației, aceasta va scădea în jos și va da mișcarea căruciorului. Greutatea a lucrat mecanic.
După analizarea tuturor observațiilor de mai susputem concluziona că dacă un corp sau mai multe corpuri efectuează o muncă mecanică în timpul interacțiunii, atunci ei spun că au energie mecanică sau energie.
Conceptul energetic
Energie (din cuvântul grecesc energie - activitate) este o cantitate fizică,care caracterizează capacitatea corpurilor de a face muncă. Unitatea de energie, precum și munca în sistemul SI, este de un Joule (1 J). În scris, energia este indicată prin literă E... Din experimentele de mai sus se poate observa că organismulexecută muncă atunci când trece de la o stare la alta. În acest caz, energia corpului se schimbă (scade), iar munca mecanică efectuată de corp este egală cu rezultatul unei modificări a energiei sale mecanice.
Tipuri de energie mecanică. Conceptul de energie potențială
Există 2 tipuri de energie mecanică: potențială și cinetică. Acum să aruncăm o privire mai atentă la energia potențială.
Energia potențială (PE) este energiadeterminată de poziția reciprocă a corpurilor care interacționează sau de părți ale aceluiași corp. Deoarece orice corp și pământ se atrag reciproc, adică interacționează, PE-ul corpului ridicat deasupra solului va depinde de înălțimea înălțării h... Cu cât corpul este ridicat, cu atât este mai mare PE.S-a stabilit experimental că PE depinde nu numai de înălțimea la care este ridicat, ci și de greutatea corporală. Dacă corpurile au fost ridicate la aceeași înălțime, atunci un corp cu o masă mare va avea și un PE mare. Formula acestei energii este următoarea: En = mgh, unde En este energie potențială, m - greutatea corporală, g = 9,81 N / kg, h - înălțime.
Energia potențială de primăvară
Energia potențială a unui corp deformat elastic este o cantitate fizică EP, care, atunci când viteza de translațiemișcarea sub influența forțelor elastice scade exact cu cât energia cinetică crește. Arcurile (ca și alte corpuri deformate elastic) au un astfel de PE, care este egal cu jumătate din produsul rigidității lor la pe pătrat tulpină: x = kx2: 2.
Energia cinetică: formulă și definiție
Uneori, valoarea muncii mecanice poate ficonsiderat fără a folosi conceptele de forță și mișcare, concentrându-se pe faptul că munca caracterizează o schimbare în energia corpului. Tot ce avem nevoie este masa unui corp și vitezele sale inițiale și finale, ceea ce ne va conduce la energia cinetică. Energia cinetică (KE) este energia care aparține corpului datorită propriei mișcări.
Vântul are energie cinetică, este folositpentru a da mișcare turbinelor eoliene. Masele de aer propulsate exercită presiune asupra planurilor înclinate ale aripilor turbinelor eoliene și le determină să se întoarcă. Mișcarea de rotație este transmisă de sistemele de transmisie către mecanisme care îndeplinesc o sarcină specifică. Apa propulsată care transformă turbinele centralei pierde o parte din CE în timp ce lucrează. Avionul care zboară înalt pe cer, în plus față de PE, are un FE. Dacă corpul este în repaus, adică viteza sa față de Pământ este zero, atunci FE-ul său față de Pământ este zero. S-a stabilit experimental că, cu cât masa corpului și viteza cu care se mișcă, cu atât FE este mai mare. Formula pentru energia cinetică a mișcării translaționale în expresia matematică este următoarea:
Unde K - energie kinetică, m - masa corpului, în - viteza.
Schimbarea energiei cinetice
Deoarece viteza de mișcare a corpului estevaloare în funcție de alegerea cadrului de referință, valoarea FE a corpului depinde și de alegerea acestuia. Schimbarea energiei cinetice (IKE) a corpului are loc datorită acțiunii unei forțe externe asupra corpului F... Cantitate fizica A, care este egal cu IQE AEla corp datorită acțiunii forței asupra lui F se numește lucru: A = AEla. Dacă pe un corp care se mișcă cu viteză în1, forța acționează F, coincidând cu direcția, atunci viteza de mișcare a corpului va crește într-o perioadă de timp T la o oarecare valoare în2... În acest caz, IQE este egal cu:
Unde m - masa corpului; d - calea traversată a corpului; Vf1 = (B2 - IN1); ÎNF2 = (B2 + B1); a = F: m... Această formulă este cea care calculează cât de mult se schimbă energia cinetică. Formula poate avea, de asemenea, următoarea interpretare: AEla = Flcoaneά, unde cosά este unghiul dintre vectorii de forță F si viteza V.
Energia cinetică medie
Energia cinetică este energiedeterminată de viteza de mișcare a diferitelor puncte care aparțin acestui sistem. Cu toate acestea, trebuie amintit că este necesar să se facă distincția între 2 energii care caracterizează diferite tipuri de mișcare: translațională și rotativă. În acest caz, energia cinetică medie (SKE) este diferența medie între totalitatea energiilor întregului sistem și energia sa de calm, adică, de fapt, valoarea acesteia este valoarea medie a energiei potențiale. Formula pentru energia cinetică medie este următoarea:
unde k este constanta Boltzmann; T este temperatura. Această ecuație este baza teoriei cinetice moleculare.
Energia cinetică medie a moleculelor de gaz
Многочисленными опытами было установлено, что energia cinetică medie a moleculelor de gaz în mișcare de translație la o temperatură dată este aceeași și nu depinde de tipul de gaz. În plus, s-a constatat și că atunci când gazul este încălzit cu 1 despreCu SEE crește cu aceeași valoare. Mai exact, această valoare este egală cu: AEla = 2,07 x 10-23J /despreS. Pentru a calcula care este mediaenergia cinetică a moleculelor de gaz în mișcare de translație, este necesar, pe lângă această valoare relativă, să cunoaștem cel puțin încă o valoare absolută a energiei mișcării de translație. În fizică, aceste valori sunt determinate cu exactitate pentru o gamă largă de temperaturi. De exemplu, la o temperatură t = 500 despreC energia cinetică a mișcării de translație a moleculei Ek = 1600 x 10-23J. Cunoașterea a 2 cantități (AEla și Ela), amândoi putem calcula energia mișcării de translație a moleculelor la o anumită temperatură și să rezolvăm problema inversă - pentru a determina temperatura din valorile energetice date.
În cele din urmă, putem concluziona că energia cinetică medie a moleculelor, formula ceea ce este dat mai sus, depinde doar de temperatura absolută (și pentru orice stare de agregare a substanțelor).
Legea conservării energiei mecanice totale
Studiul mișcării corpurilor sub influența gravitației și a forțelor elastice a arătat că există o anumită cantitate fizică, care se numește energie potențială En; depinde de coordonatele corpului, iar schimbarea acestuia este egală cu IQE, care este luat cu semnul opus: ΔEn = -AEla. Deci, suma modificărilor din FE și PE ale corpului, care interacționează cu forțele gravitaționale și forțele elastice, este 0: ΔEn + AEla = 0. Forțele care depind doar de coordonatele corpului sunt numite conservator. Forțele de atracție și elasticitate sunt forțe conservatoare. Suma energiilor cinetice și potențiale ale corpului este energia mecanică totală: En + Ela = E. 
Acest fapt, care a fost dovedit de cele mai precise experimente,
denumit legea conservării energiei mecanice... Dacă corpurile interacționează cu forțele caredepinde de viteza mișcării relative, energia mecanică nu este conservată în sistemul corpurilor care interacționează. Un exemplu de acest tip de forță este numit non-conservatoare, sunt forțele de frecare. Dacă forțele de frecare acționează asupra corpului, atunci pentru a le depăși este necesar să cheltuiți energie, adică o parte din ea este utilizată pentru a efectua lucrări împotriva forțelor de frecare. Cu toate acestea, încălcarea legii conservării energiei este doar imaginară, deoarece este un caz separat al legii generale de conservare și transformare a energiei. Energia corpurilor nu dispare niciodată și reapare: se transformă doar de la un tip la altul. Această lege a naturii este foarte importantă, ea se realizează peste tot. Se mai numește uneori și legea generală a conservării și transformării energiei.
Legătura dintre energia internă a corpului, energiile cinetice și potențiale
Energia internă (U) a corpului este totalăenergia corpului minus FE-ul corpului în ansamblu și PE-ul său în câmpul extern al forțelor. Din aceasta se poate concluziona că energia internă constă în CE a mișcării haotice a moleculelor, a interacțiunii PE între ele și a energiei intramoleculare. Energia internă este o funcție lipsită de ambiguitate a stării sistemului, ceea ce sugerează următoarele: dacă sistemul se află într-o anumită stare, energia sa internă își preia valorile inerente, indiferent de ceea ce s-a întâmplat anterior.
Relativism
Când viteza unui corp este aproape de viteza luminii, energia cinetică se găsește după următoarea formulă:
Energia cinetică a corpului, a cărei formulă a fost scrisă mai sus, poate fi calculată și după următorul principiu:
Exemple de sarcini pentru găsirea energiei cinetice
1. Comparați energia cinetică a unei bile de 9 g care zboară la 300 m / s și a unui om de 60 kg care rulează la 18 km / h.
Deci, ce ne este dat: m1 = 0,009 kg; V1 = 300 m / s; m2 = 60 kg, V2 = 5 m / s.
Decizie:
- Energia cinetică (formula): Ela = mv2 : 2.
- Avem toate datele pentru calcul și, prin urmare, vom găsi Ela atât pentru persoană, cât și pentru minge.
- 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.
Răspuns: energia cinetică a mingii este mai mică decât cea a unei persoane.
2. Un corp cu masa de 10 kg a fost ridicat la o înălțime de 10 m, după care a fost eliberat. Ce fel de FE va avea la o înălțime de 5 m? Rezistența la aer este permisă să fie neglijată.
Deci, ce ne este dat: m = 10 kg; h = 10 m; h1 = 5 m; g = 9,81 N / kg. Ek1 -?
Decizie:
- Un corp cu o anumită masă, ridicat la o anumită înălțime, are energie potențială: En = mgh. Dacă corpul cade, atunci este la o anumită înălțime h1 va avea transpirație. energie En = mgh1 și rudă. energie Ek1. Pentru a găsi corect energia cinetică, formula care a fost dată mai sus nu va ajuta și, prin urmare, vom rezolva problema folosind următorul algoritm.
- În acest pas, folosim legea conservării energiei și scriem: En1 + Ek1 = EP.
- Apoi Ek1 = En - En1 = mgh - MGH1 = mg (h-h1).
- Înlocuind valorile noastre în formulă, obținem: Ek1 = 10 x 9,81 (10-5) = 490,5 J.
Răspuns: Ek1 = 490,5 J.
3. Volanta cu masa m și raza R, se înfășoară în jurul unei axe care trece prin centrul ei. Viteza de rotire a volanului - ω... Pentru a opri volanta, o pantofă de frână este apăsată pe jantă, acționând asupra acesteia cu forță Ffrecare... Câte revoluții vor face volanul pentru a se opri complet? Rețineți că masa volantului este centrată pe jantă.
Deci, ce ne este dat: m; R; ω; Ffrecare. N -?
Decizie:
- Atunci când rezolvăm problema, vom considera revoluțiile volanului ca fiind similare cu revoluțiile unui cerc subțire omogen cu rază R si masa m, care se transformă cu viteză unghiulară ω.
- Energia cinetică a unui astfel de corp este egală cu: Ela = (Jω2): 2, unde J = mR2.
- Volanul se va opri cu condiția ca toată FE să fie cheltuită pentru a depăși forța de frecare Ffrecare, care se ridică între plăcuța de frână și jantă: Ela = Ffrecare* s, unde s - aceasta este distanța de frânare, adică 2πRN.
- Prin urmare, Ffrecare*2πRN = (mR2ω2): 2, Unde N = (mω2R): (4πFtr).
Răspuns: N = (mω2R): (4πFtr).
În concluzie
Energia este cel mai important ingredient din toateaspecte ale vieții, pentru că fără el, niciun corp nu ar putea face treaba, inclusiv oamenii. Credem că articolul v-a clarificat ce este energia, iar o prezentare detaliată a tuturor aspectelor uneia dintre componentele sale - energia cinetică - vă va ajuta să înțelegeți multe dintre procesele care au loc pe planeta noastră. Și puteți învăța cum să găsiți energia cinetică din formulele de mai sus și exemplele de rezolvare a problemelor.
