Každodenná skúsenosť ukazuje, že nehnuteľné teláje možné uviesť do pohybu a pohyblivé zastaviť. Vy a ja stále niečo robíme, svet sa tu hemží, svieti slnko ... Ale kde ľudia, zvieratá a príroda ako celok dostávajú silu na túto prácu? Zmizne mechanický pohyb bez stopy? Začne sa jedno telo pohybovať bez zmeny pohybu druhého? O tom všetkom budeme hovoriť v našom článku.
Energetická koncepcia
Na prevádzku motorov, ktoré poskytujú pohybautá, traktory, dieselové lokomotívy, lietadlá potrebujú palivo, ktoré je zdrojom energie. Elektromotory poháňajú stroje pomocou elektriny. Z dôvodu pádu vody z výšky sú hydraulické turbíny obalené a pripojené k elektrickým strojom, ktoré produkujú elektrický prúd. Človek potrebuje energiu, aby existoval a pracoval. Hovoria, že na vykonanie akejkoľvek práce je potrebná energia. Čo je to energia?
- Pozorovanie 1. Zdvihnite loptu zo zeme.Aj keď je pokojný, nevykonáva sa žiadna mechanická práca. Nechajme ho ísť. Guľa padá na zem z určitej výšky gravitáciou. Keď lopta spadne, vykoná sa mechanická práca.
- Pozorovanie 2. Pružinu uzavrite, pripevnite ju niťou a na ňu položte závažie. Zapálime vlákno, pružina sa narovná a zvýši hmotnosť do určitej výšky. Pružina vykonala mechanickú prácu.
- Pozorovanie 3.K vozíku pripevníme tyč s blokom na konci. Prevlečte niť cez blok, ktorého jeden koniec je navinutý na osi vozíka a na druhom visí závažie. Poďme uvoľniť váhu. Pri pôsobení gravitácie klesne nadol a umožní pohyb vozíka. Hmotnosť vykonala mechanickú prácu.
Po analýze všetkých vyššie uvedených pozorovanímôžeme konštatovať, že ak telo alebo niekoľko telies počas interakcie vykonávajú mechanickú prácu, potom hovoria, že majú mechanickú energiu alebo energiu.
Energetická koncepcia
Energia (z gréckeho slova energie - činnosť) je fyzické množstvo,ktorá charakterizuje schopnosť orgánov vykonávať prácu. Jednotka energie, rovnako ako práca v systéme SI, je jedna Joule (1 J). Písomne je energia označená písmenom E... Z vyššie uvedených experimentov je zrejmé, že telovykonáva prácu, keď prechádza z jedného štátu do druhého. V tomto prípade sa energia tela mení (znižuje) a mechanická práca tela sa rovná výsledku zmeny jeho mechanickej energie.
Druhy mechanickej energie. Koncept potenciálnej energie
Existujú 2 typy mechanickej energie: potenciál a kinetika. Pozrime sa bližšie na potenciálnu energiu.
Potenciálna energia (PE) je energiaurčené vzájomnou pozíciou telies, ktoré vzájomne pôsobia, alebo časťami toho istého tela. Pretože každé telo a zem sa navzájom priťahujú, tj interagujú, PE tela vyvýšeného nad zemou bude závisieť od výšky vzostupu. x... Čím vyššie je telo zdvihnuté, tým väčšie je jeho PE.Experimentálne sa zistilo, že PE nezávisí iba od výšky, do ktorej je zvýšená, ale aj od telesnej hmotnosti. Ak boli telá zdvihnuté do rovnakej výšky, potom telo s veľkou hmotou bude mať tiež veľkú PE. Vzorec pre túto energiu je nasledujúci: EP = mgh, kde EP je potenciálna energia, m - telesná hmotnosť, g = 9,81 N / kg, h - výška.
Jarná potenciálna energia
Potenciálna energia elasticky deformovaného tela je fyzická veličina EP, čo, keď rýchlosť prekladupohyb pod vplyvom elastických síl klesá presne rovnako ako sa zvyšuje kinetická energia. Pružiny (podobne ako ostatné elasticky zdeformované telesá) majú takú PE, ktorá sa rovná polovici súčinu ich tuhosti. na na štvorcový kmeň: x = kx2: 2.
Kinetická energia: vzorec a definícia
Niekedy môže byť hodnota mechanickej prácebez použitia konceptov sily a pohybu, so zameraním na skutočnosť, že práca charakterizuje zmenu energie tela. Všetko, čo potrebujeme, je hmota tela a jeho počiatočné a konečné rýchlosti, ktoré nás dovedú ku kinetickej energii. Kinetická energia (KE) je energia, ktorá patrí do tela vďaka svojmu vlastnému pohybu.
Vietor má kinetickú energiu, používa sadať pohyb veterným turbínam. Masy vzduchu s pohonom vyvíjajú tlak na naklonené roviny krídel veterných turbín a spôsobujú ich otáčanie. Rotačný pohyb je prenášaný prenosovými systémami do mechanizmov, ktoré vykonávajú špecifickú prácu. Poháňaná voda, ktorá premieňa turbíny elektrárne, pri práci stráca časť EC. Lietadlo vysoko letiace na oblohe má okrem PE aj FE. Ak je telo v pokoji, to znamená, že jeho rýchlosť vzhľadom na Zem je nula, potom jeho CE vzhľadom na Zem je nula. Experimentálne sa zistilo, že čím väčšia je hmotnosť tela a rýchlosť, s ktorou sa pohybuje, tým väčšia je jeho FE. Vzorec pre kinetickú energiu translačného pohybu v matematickom vyjadrení je nasledujúci:
kde K - Kinetická energia, m - telesná hmotnosť, v - rýchlosť.
Zmena kinetickej energie
Pretože rýchlosť tela jeHodnota FE v závislosti od výberu referenčného rámca závisí aj od jej výberu. Zmena kinetickej energie (IKE) tela nastáva v dôsledku pôsobenia vonkajšej sily na telo F... Fyzikálne množstvo Ale, čo sa rovná IQE AEna telo kvôli pôsobeniu sily na to F, nazvaný práca: A = AEna. Ak je na tele, ktoré sa pohybuje rýchlosťou v1, sila pôsobí Fv súlade so smerom sa potom rýchlosť pohybu tela v priebehu času zvýši T na nejakú hodnotu v2... V tomto prípade sa IQE rovná:
kde m - telesná hmotnosť; d - prejdená dráha tela; ATf1 = (B2 - IN1); INf2 = (B2 + B1); a = F: m... Je to tento vzorec, ktorý počíta, ako sa mení kinetická energia. Vzorec môže mať aj nasledujúcu interpretáciu: AEna = Flcosά, kde cosά je uhol medzi silovými vektormi F a rýchlosť AT.
Priemerná kinetická energia
Kinetická energia je energiaurčuje rýchlosť pohybu rôznych bodov, ktoré patria do tohto systému. Malo by sa však pamätať na to, že je potrebné rozlišovať medzi 2 energiami, ktoré charakterizujú rôzne typy pohybu: translačný a rotačný. V tomto prípade je priemerná kinetická energia (SKE) priemerným rozdielom medzi celkovým množstvom energie celého systému a jeho energiou pokoja, to znamená, že v skutočnosti je jeho hodnota priemernou hodnotou potenciálnej energie. Vzorec pre priemernú kinetickú energiu je nasledujúci:
kde k je Boltzmannova konštanta; T je teplota. Táto rovnica je základom teórie molekulárnej kinetiky.
Priemerná kinetická energia molekúl plynu
Početnými experimentmi sa zistilo, žepriemerná kinetická energia molekúl plynu v translačnom pohybe pri danej teplote je rovnaká a nezávisí od typu plynu. Ďalej sa tiež zistilo, že keď sa plyn zohreje na 1 oPri SEE sa zvyšuje o rovnakú hodnotu. Presnejšie povedané, táto hodnota sa rovná: AEna = 2,07 x 10-23J /oS. Na výpočet priemerukinetická energia molekúl plynu v translačnom pohybe, je potrebné okrem tejto relatívnej hodnoty poznať najmenej jednu absolútnu hodnotu energie translačného pohybu. Vo fyzike sú tieto hodnoty celkom presne určené pre široký rozsah teplôt. Napríklad pri teplote t = 500 oC kinetická energia translačného pohybu molekuly Ek = 1600 x 10-23J. Poznať 2 množstvá (AEna a Ena) môžeme vypočítať energiu translačného pohybu molekúl pri danej teplote a vyriešiť inverzný problém - určiť teplotu z daných energetických hodnôt.
Nakoniec môžeme konštatovať, že priemerná kinetická energia molekúl, vzorec ktorá je uvedená vyššie, závisí iba od absolútnej teploty (a od akéhokoľvek stavu agregácie látok).
Celkový zákon o zachovaní mechanickej energie
Štúdium pohybu telies pod vplyvom gravitácie a elastických síl ukázalo, že existuje určitá fyzická veličina, ktorá sa nazýva potenciálna energia EP; Závisí to od súradníc tela a jeho zmena sa rovná IQE, ktorá sa berie opačným znamienkom: ΔEn = -AEna. Súčet zmien FE a PE tela, ktoré interagujú s gravitačnými a elastickými silami, sa teda rovná 0: ΔEP + AEna = 0. Nazývajú sa sily, ktoré závisia iba od súradníc tela konzervatívny. Sila príťažlivosti a elasticita sú konzervatívne sily. Súčet kinetických a potenciálnych energií tela je celková mechanická energia: EP + Ena = E. 
Táto skutočnosť, ktorá bola dokázaná najpresnejšími pokusmi,
volal zákon o mechanickej úspore energie... Ak telá interagujú so silami, žeV závislosti od rýchlosti relatívneho pohybu nie je mechanická energia v systéme interagujúcich telies konzervovaná. Príklad tohto typu sily sa nazýva nekonzervativnísú trecie sily.Ak trecie sily pôsobia na telo, potom je potrebné ich prekonať, je potrebné vynaložiť energiu, to znamená, že časť sa používa na vykonávanie prác proti trecím silám. Porušenie zákona o ochrane energie je tu však len imaginárne, pretože ide o samostatný prípad všeobecného zákona o ochrane a premene energie. Energia tiel nikdy nezmizne alebo sa neobjaví: transformuje sa iba z jedného typu na druhý. Tento zákon prírody je veľmi dôležitý, vykonáva sa všade. Niekedy sa nazýva aj všeobecným zákonom o zachovaní a premene energie.
Spojenie medzi vnútornou energiou tela, kinetickou a potenciálnou energiou
Vnútorná energia (U) tela je celkováenergia tela mínus FE tela ako celku a jeho PE vo vonkajšom poli síl. Z toho možno vyvodiť, že vnútorná energia pozostáva z CE chaotického pohybu molekúl, interakcie PE medzi nimi a intramolekulárnej energie. Vnútorná energia je jednoznačnou funkciou stavu systému, čo znamená: ak je systém v tomto stave, jeho vnútorná energia preberá svoje vlastné hodnoty bez ohľadu na to, čo sa stalo skôr.
relativizmus
Keď sa rýchlosť tela blíži rýchlosti svetla, kinetická energia sa zistí podľa tohto vzorca:
Kinetická energia tela, ktorej vzorec bol napísaný vyššie, sa dá vypočítať aj podľa tohto princípu:
Príklady úloh na nájdenie kinetickej energie
1. Porovnajte kinetickú energiu gule s hmotnosťou 9 g, ktorá letí rýchlosťou 300 m / sa 60 kg muža, ktorý jazdí rýchlosťou 18 km / h.
Čo je nám dané: m1 = 0,009 kg; V1 = 300 m / s; m2 = 60 kg, V2 = 5 m / s.
rozhodnutie:
- Kinetická energia (vzorec): Ena = mv2 : 2.
- Máme všetky údaje na výpočet, a preto nájdeme Ena pre osobu aj pre loptu.
- 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.
Odpoveď: Kinetická energia lopty je menšia ako energia človeka.
2. Teleso s hmotnosťou 10 kg sa zdvihlo do výšky 10 m, potom sa uvoľnilo. Aký druh FE bude mať vo výške 5 m? Odpor vzduchu môže byť zanedbaný.
Čo je nám dané: m = 10 kg; h = 10 m; x1 = 5 m; g = 9,81 N / kg. Ek1 -?
rozhodnutie:
- Telo určitej hmotnosti, vyvýšené do určitej výšky, má potenciálnu energiu: EP = mgh. Ak telo spadne, potom je v určitej výške h1 bude sa potiť. energia EP = mgh1 a kin. energia EK1. Aby sme správne našli kinetickú energiu, vyššie uvedený vzorec nepomôže, a preto problém vyriešime podľa nasledujúceho algoritmu.
- V tomto kroku používame zákon o šetrení energie a píšeme: En1 + Ek1 = EP.
- potom Ek1 = EP - En1 = mgh - mgh1 = mg (h-h1).
- Nahradením našich hodnôt do vzorca dostaneme: Ek1 = 10 x 9,81 (10-5) = 490,5 J.
Odpoveď: Ek1 = 490,5 J.
3. Zotrvačník s hmotnosťou m a polomer R, ovinie sa okolo osi prechádzajúcej cez jeho stred. Rýchlosť otáčania zotrvačníka - ω... Aby sa zastavil zotrvačník, brzdová čeľusť sa pritlačí na jeho ráfik a pôsobí na ňu silou Ftrenie... Koľko otáčok vykoná zotrvačník do úplného zastavenia? Všimnite si, že hmotnosť zotrvačníka je sústredená na okraji.
Čo je nám dané: m; R; ω; Ftrenie. N -?
rozhodnutie:
- Pri riešení problému budeme považovať otáčky zotrvačníka za podobné otáčkam tenkého homogénneho obruče s polomerom. R a hmotnosť m, ktorá sa otáča uhlovou rýchlosťou ω.
- Kinetická energia takéhoto tela sa rovná: Ena = (Jω2): 2, kde J = mR2.
- Zotrvačník sa zastaví za predpokladu, že všetok jeho FE sa vynaloží na prácu na prekonanie trecej sily Ftrenie, medzi brzdovou doštičkou a ráfikom: Ena = Ftrenie* od, kde od - je brzdná dráha, ktorá je 2πRN.
- preto, Ftrenie*2πRN = (mR2ω2): 2, odkiaľ N = (mω2R): (4πFtr).
Odpoveď: N = (mω2R): (4πFtr).
Na záver
Energia je najdôležitejšou ingredienciou vo všetkýchaspekty života, pretože bez neho by žiadne telá nemohli robiť prácu, vrátane ľudí. Myslíme si, že tento článok vám objasnil, čo je energia, a podrobná prezentácia všetkých aspektov jednej z jej zložiek - kinetickej energie - vám pomôže pochopiť mnohé procesy prebiehajúce na našej planéte. A môžete sa naučiť, ako nájsť kinetickú energiu z vyššie uvedených vzorcov a príkladov riešenia problémov.
