Jenis energi bulu. Mari kita ingat fisika: usaha, energi, dan daya. Jenis energi – jenis energi yang diketahui umat manusia

Dalam mekanika, ada dua jenis energi: kinetik dan potensial. Energi kinetik sebut energi mekanik suatu benda yang bergerak bebas dan ukurlah dengan usaha yang dapat dilakukan benda tersebut ketika benda tersebut melambat hingga berhenti total.
Biarkan tubuh DI DALAM, bergerak dengan kecepatan ay, mulai berinteraksi dengan tubuh lain DENGAN dan pada saat yang sama melambat. Oleh karena itu tubuh DI DALAM mempengaruhi tubuh DENGAN dengan kekuatan tertentu F dan di bagian dasar jalan ds berhasil

Menurut hukum ketiga Newton, benda B dikenai gaya secara bersamaan -F, komponen singgungnya -F τ menyebabkan perubahan nilai numerik kecepatan benda. Menurut hukum kedua Newton


Karena itu,

Usaha yang dilakukan benda hingga berhenti total adalah:


Jadi, energi kinetik suatu benda yang bergerak translasi sama dengan setengah hasil kali massa benda tersebut dengan kuadrat kecepatannya:

(3.7)

Dari rumus (3.7) jelas bahwa energi kinetik suatu benda tidak boleh negatif ( Ek ≥ 0).
Jika sistem terdiri dari N benda yang bergerak secara progresif, maka untuk menghentikannya perlu dilakukan pengereman pada masing-masing benda tersebut. Oleh karena itu, energi kinetik total suatu sistem mekanik sama dengan jumlah energi kinetik semua benda yang termasuk di dalamnya:

(3.8)

Dari rumus (3.8) jelas bahwa ek hanya bergantung pada besarnya massa dan kecepatan gerak benda-benda yang termasuk di dalamnya. Dalam hal ini, tidak masalah berapa berat badannya saya memperoleh kecepatan saya. Dengan kata lain, energi kinetik suatu sistem merupakan fungsi dari keadaan geraknya.
Kecepatan saya sangat bergantung pada pilihan sistem referensi. Ketika menurunkan rumus (3.7) dan (3.8), diasumsikan bahwa gerak dianggap dalam kerangka acuan inersia, karena jika tidak, hukum Newton tidak dapat digunakan. Namun, dalam kerangka acuan inersia yang berbeda, kecepatan bergerak relatif satu sama lain saya Saya tubuh sistem, dan, akibatnya, itu Eki dan energi kinetik seluruh sistem tidak akan sama. Jadi, energi kinetik sistem bergantung pada pilihan kerangka acuan, yaitu. adalah kuantitasnya relatif.
Energi potensial- ini adalah energi mekanik suatu sistem benda, ditentukan oleh posisi relatifnya dan sifat gaya interaksi di antara mereka.
Secara numerik, energi potensial suatu sistem pada posisi tertentu sama dengan usaha yang akan dilakukan oleh gaya-gaya yang bekerja pada sistem ketika sistem dipindahkan dari posisi ini ke posisi di mana energi potensial secara konvensional dianggap nol ( E n= 0). Konsep “energi potensial” hanya berlaku untuk sistem konservatif, yaitu. sistem di mana kerja gaya-gaya yang bekerja hanya bergantung pada posisi awal dan akhir sistem. Jadi, untuk beban yang menimbang P, diangkat ke ketinggian H, energi potensialnya akan sama En = Ph (E n= 0 jam H= 0); untuk beban yang diikatkan pada pegas, E n = kΔl 2 / 2, Di mana Δl- perpanjangan (kompresi) pegas, k– koefisien kekakuannya ( E n= 0 jam aku= 0); untuk dua partikel bermassa m 1 Dan m 2, tertarik oleh hukum gravitasi universal, , Di mana γ – konstanta gravitasi, R– jarak antar partikel ( E n= 0 jam R → ∞).
Mari kita pertimbangkan energi potensial sistem Bumi - benda bermassa M, diangkat ke ketinggian H di atas permukaan bumi. Penurunan energi potensial sistem semacam itu diukur dengan kerja gaya gravitasi yang dilakukan selama jatuh bebas suatu benda ke Bumi. Jika sebuah benda jatuh secara vertikal, maka

Di mana E tidak– energi potensial sistem di H= 0 (tanda “-” menunjukkan usaha yang dilakukan karena hilangnya energi potensial).
Jika benda yang sama jatuh pada bidang miring yang panjangnya aku dan dengan sudut kemiringan α terhadap vertikal ( lcosα = h), maka usaha yang dilakukan gaya gravitasi sama dengan nilai sebelumnya:

Jika, akhirnya, benda bergerak sepanjang lintasan lengkung yang berubah-ubah, maka kita dapat membayangkan kurva ini terdiri dari N bagian lurus kecil aku. Usaha yang dilakukan gaya gravitasi pada masing-masing bagian tersebut adalah sama

Sepanjang seluruh jalur lengkung, usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi jelas sama dengan:

Jadi, kerja gaya gravitasi hanya bergantung pada perbedaan ketinggian titik awal dan akhir lintasan.
Jadi, suatu benda yang berada dalam medan gaya potensial (konservatif) mempunyai energi potensial. Dengan perubahan konfigurasi sistem yang sangat kecil, kerja gaya konservatif sama dengan pertambahan energi potensial yang diambil dengan tanda minus, karena kerja yang dilakukan akibat penurunan energi potensial:


Pada gilirannya, bekerja da dinyatakan sebagai produk titik gaya F untuk bergerak dr, sehingga ekspresi terakhir dapat ditulis sebagai berikut:

(3.9)

Oleh karena itu, jika fungsinya diketahui E n(r), maka dari persamaan (3.9) kita dapat mencari gaya F berdasarkan modul dan arah.
Untuk kekuatan konservatif

Atau dalam bentuk vektor


Di mana

(3.10)

Vektor yang didefinisikan oleh ekspresi (3.10) disebut gradien fungsi skalar P; saya, j, k- vektor satuan sumbu koordinat (orts).
Jenis fungsi tertentu P(dalam kasus kami E n) bergantung pada sifat medan gaya (gravitasi, elektrostatis, dll.), seperti yang ditunjukkan di atas.
Energi mekanik total W sistem sama dengan jumlah energi kinetik dan energi potensialnya:


Dari definisi energi potensial suatu sistem dan contoh-contoh yang diberikan, jelas bahwa energi ini, seperti energi kinetik, adalah fungsi dari keadaan sistem: energi ini hanya bergantung pada konfigurasi sistem dan posisinya dalam kaitannya. ke badan eksternal. Akibatnya, energi mekanik total sistem juga merupakan fungsi dari keadaan sistem, yaitu. hanya bergantung pada posisi dan kecepatan semua benda dalam sistem.

Ada dua jenis energi mekanik - energi kinetik suatu benda titik dan energi potensial suatu sistem benda. Energi mekanik suatu sistem benda sama dengan jumlah energi kinetik benda-benda yang termasuk dalam sistem ini dan energi potensial interaksinya:

Energi mekanik = Energi kinetik + Energi potensial

Itu penting hukum kekekalan energi mekanik:
Dalam kerangka acuan inersia, energi mekanik sistem tetap konstan (tidak berubah, kekal) asalkan kerja gaya gesek internal dan kerja gaya luar pada benda sistem adalah nol (atau sangat kecil sehingga mereka dapat diabaikan).

Energi kinetik

Sebagai salah satu jenis energi mekanik, energi kinetik suatu benda titik sama dengan usaha yang dapat dilakukan suatu benda terhadap benda lain dengan mengurangi kecepatannya menjadi nol. Dalam hal ini kita berbicara tentang sistem referensi inersia (IRS).

Energi kinetik suatu benda titik dihitung dengan rumus K = (mv 2) / 2.

Energi kinetik suatu benda meningkat ketika kerja positif dilakukan padanya. Selain itu, itu meningkat seiring dengan jumlah pekerjaan ini. Ketika usaha negatif dilakukan pada suatu benda, energi kinetiknya berkurang sebesar modulus usaha tersebut. Kekekalan energi kinetik (tidak adanya perubahan) menyatakan bahwa usaha yang dilakukan pada benda sama dengan nol.

Energi potensial

Energi potensial adalah salah satu jenis energi mekanik yang hanya dapat dimiliki oleh sistem benda atau benda yang dianggap sebagai sistem bagian-bagian, tetapi tidak dapat dimiliki oleh suatu benda titik tunggal. Energi potensial dari sistem yang berbeda dihitung secara berbeda.

Sistem benda yang sering dianggap sebagai “benda – Bumi”, ketika suatu benda terletak di dekat permukaan sebuah planet (dalam hal ini Bumi) dan tertarik padanya karena pengaruh gravitasi. Dalam hal ini, energi potensial sama dengan usaha yang dilakukan gravitasi ketika benda diturunkan ke ketinggian nol (h = 0):

Energi potensial sistem tubuh-Bumi berkurang ketika kerja positif dilakukan oleh gravitasi. Pada saat yang sama, ketinggian (h) suatu benda di atas bumi berkurang. Ketika ketinggian bertambah, gravitasi melakukan kerja negatif, dan energi potensial sistem meningkat. Jika ketinggiannya tidak berubah, maka energi potensialnya kekal.

Contoh lain sistem yang mempunyai energi potensial adalah pegas yang mengalami deformasi elastis oleh benda lain. Pegas mempunyai energi potensial, karena merupakan suatu sistem bagian-bagian (partikel) yang saling berinteraksi yang berusaha mengembalikan pegas ke keadaan semula, yaitu pegas mempunyai gaya elastis.

Gaya elastis melakukan kerja ketika benda bertransisi ke keadaan tidak berubah bentuk, di mana energi potensial menjadi sama dengan nol. (Semua sistem cenderung menurunkan energi potensialnya.)

Energi potensial sistem “pegas” ditentukan dengan rumus P = 0,5k · Δl 2, dimana k adalah kekakuan pegas, Δl adalah perubahan panjang pegas (akibat kompresi atau regangan) .

Pegas yang tidak mengalami deformasi mempunyai energi potensial nol. Agar energi potensial muncul dalam sistem, gaya luar harus melakukan kerja positif melawan gaya elastis, yaitu melawan gaya potensial dalam.

Energi mekanik hadir dalam dua jenis: kinetis Dan potensi. Energi kinetik (atau energi gerak) ditentukan oleh massa dan kecepatan benda yang bersangkutan. Energi potensial (atau energi posisi) bergantung pada posisi relatif (konfigurasi) benda yang berinteraksi satu sama lain.

Usaha didefinisikan sebagai hasil kali skalar vektor gaya dan perpindahan. Hasil kali skalar dua vektor adalah skalar yang sama dengan hasil kali modulus vektor-vektor tersebut dan kosinus sudut di antara keduanya.

Konsep energi dan usaha berkaitan erat satu sama lain.

Energi kinetik partikel

Mengingat hasil kali mV sama dengan modulus momentum partikel p, ekspresi (4) dapat diberikan bentuk

Jika gaya F yang bekerja pada partikel tidak nol, maka energi kinetiknya akan bertambah seiring waktu dt

dimana D S- pergerakan suatu partikel selama waktu dt.

Besarnya

ditelepon bekerja, dibuat oleh gaya F pada lintasan ds (ds adalah modul perpindahan d S).

Dari (5) berikut ini bahwa usaha mencirikan perubahan energi kinetik yang disebabkan oleh aksi suatu gaya pada partikel yang bergerak

Jika dA = Fds, a, maka

Mari kita integrasikan kedua ruas persamaan (6) sepanjang lintasan partikel dari titik 1 ke titik 2:

Ruas kiri persamaan yang dihasilkan menunjukkan kenaikan energi kinetik partikel:

Sisi kanan adalah usaha A12 gaya F pada lintasan 1-2:

Jadi, kita telah sampai pada hubungannya

dari situlah berikut itu kerja resultan semua gaya yang bekerja pada partikel akan meningkatkan energi kinetik partikel.

Kekuatan konservatif

Gaya-gaya yang usahanya tidak bergantung pada lintasan gerak partikel, tetapi hanya bergantung pada posisi awal dan akhir partikel, disebut konservatif.

Mudah untuk menunjukkan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya pada suatu lintasan tertutup adalah nol. Mari kita bagi jalur tertutup sembarang (Gbr. 1) dengan titik 1 dan 2 (juga diambil secara sembarang) menjadi dua bagian, yang ditandai dengan angka Romawi I dan II. Pekerjaan pada jalur tertutup terdiri dari pekerjaan yang dilakukan pada bagian berikut:

Perubahan arah gerak sepanjang seksi II menjadi sebaliknya disertai dengan penggantian seluruh perpindahan dasar ds dengan -ds, sehingga tandanya menjadi terbalik. Dari sini kami menyimpulkan bahwa. Dengan melakukan penggantian pada (8), kita memperolehnya

Karena independensi jalur pekerjaan, ekspresi terakhir adalah nol. Dengan demikian, gaya-gaya konservatif dapat didefinisikan sebagai gaya-gaya yang usahanya pada suatu lintasan tertutup adalah nol.

Energi potensial

Energi ini ditentukan oleh posisi benda (ketinggian diangkat). Oleh karena itu disebut energi posisi. Lebih sering disebut energi potensial.

di mana h diukur dari tingkat sembarang.

Berbeda dengan energi kinetik yang selalu positif, energi potensial bisa positif atau negatif.

Biarkan partikel bergerak dalam medan gaya konservatif. Ketika berpindah dari titik 1 ke titik 2, usaha dilakukan padanya

A12 = Ep1-Ep2. (9)

Sesuai dengan rumus (7), usaha ini sama dengan pertambahan energi kinetik partikel. Mengambil kedua ekspresi untuk bekerja, kita memperoleh relasi yang mengikutinya

Nilai E yang sama dengan jumlah energi kinetik dan energi potensial disebut energi mekanik total partikel. Rumus (10) berarti E1=E2, yaitu yang merupakan energi total suatu partikel yang bergerak dalam medan gaya konservatif. Tetap konstan. Pernyataan ini mengungkapkan hukum kekekalan energi mekanik untuk sistem yang terdiri dari satu partikel.

HUKUM KONSERVASI ENERGI

Mari kita perhatikan suatu sistem yang terdiri dari N partikel yang berinteraksi satu sama lain, di bawah pengaruh gaya eksternal baik konservatif maupun non-konservatif. Gaya interaksi antar partikel diasumsikan konservatif. Mari kita tentukan usaha yang dilakukan pada partikel ketika suatu sistem berpindah dari satu tempat ke tempat lain yang disertai dengan perubahan konfigurasi sistem.

Kerja gaya konservatif eksternal dapat direpresentasikan sebagai penurunan energi potensial sistem dalam medan gaya eksternal:

dimana ditentukan oleh rumus (9).

Usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya dalam sama dengan penurunan energi potensial timbal balik partikel:

dimana adalah energi potensial sistem dalam medan gaya luar.

Mari kita tunjukkan kerja gaya-gaya non-konservatif.

Menurut rumus (7), kerja total semua gaya dihabiskan untuk meningkatkan energi kinetik sistem Ek, yang sama dengan jumlah energi kinetik partikel:

Karena itu,

Mari kita kelompokkan syarat-syarat hubungan ini sebagai berikut:

Jumlah energi kinetik dan energi potensial mewakili energi mekanik total sistem E:

Jadi, kita telah menetapkan bahwa kerja gaya-gaya non-konservatif sama dengan pertambahan energi total sistem:

Dari (11) dapat disimpulkan bahwa jika tidak ada gaya nonkonservatif, energi mekanik total sistem tetap konstan:

Kami telah sampai pada hukum kekekalan energi mekanik, yang menyatakan bahwa energi mekanik total suatu sistem titik material di bawah pengaruh gaya konservatif saja tetap konstan.

Jika sistem tertutup dan gaya interaksi antar partikel bersifat konservatif, maka energi total hanya mengandung dua suku: (- energi potensial timbal balik partikel). Dalam hal ini, hukum kekekalan energi mekanik adalah pernyataan bahwa energi mekanik total dari sistem titik-titik material yang tertutup, di mana hanya gaya konservatif yang bekerja, tetap konstan.

Coba lihat: sebuah bola yang menggelinding di sepanjang lintasan merobohkan pinnya, dan pin tersebut berhamburan ke samping. Kipas yang baru saja dimatikan terus berputar selama beberapa waktu sehingga menimbulkan aliran udara. Apakah benda-benda ini mempunyai energi?

Catatan: bola dan kipas melakukan kerja mekanis yang artinya mempunyai energi. Mereka mempunyai energi karena mereka bergerak. Energi benda yang bergerak dalam fisika disebut energi kinetik (dari bahasa Yunani "kinema" - gerakan).

Energi kinetik bergantung pada massa benda dan kecepatan geraknya (gerakan dalam ruang atau rotasi). Misalnya, semakin besar massa bola, semakin banyak energi yang ditransfer ke pin saat tumbukan, dan semakin jauh bola tersebut terbang. Misalnya, semakin tinggi kecepatan putaran sudu, maka kipas akan menggerakkan aliran udara semakin jauh.

Energi kinetik suatu benda dapat berbeda dari sudut pandang pengamat yang berbeda. Misalnya, dari sudut pandang kita sebagai pembaca buku ini, energi kinetik tunggul di jalan adalah nol, karena tunggul tersebut tidak bergerak. Namun, dalam kaitannya dengan pengendara sepeda, tunggul tersebut memiliki energi kinetik, karena ia mendekat dengan cepat, dan jika terjadi tabrakan, ia akan melakukan pekerjaan mekanis yang sangat tidak menyenangkan - ia akan membengkokkan bagian-bagian sepeda.

Energi yang dimiliki suatu benda atau bagian suatu benda karena berinteraksi dengan benda (atau bagian tubuh) lain dalam fisika disebut energi potensial (dari bahasa Latin "potensi" - kekuatan).

Mari kita lihat gambarnya. Saat naik, bola dapat melakukan kerja mekanis, misalnya mendorong telapak tangan kita keluar dari air ke permukaan. Sebuah beban yang ditempatkan pada ketinggian tertentu dapat melakukan usaha - memecahkan kacang. Tali busur yang ditarik kencang dapat mendorong anak panah keluar. Karena itu, benda-benda yang dianggap mempunyai energi potensial karena berinteraksi dengan benda (atau bagian tubuh) lain. Misalnya, sebuah bola berinteraksi dengan air - gaya Archimedean mendorongnya ke permukaan. Beban berinteraksi dengan Bumi - gravitasi menarik beban ke bawah. Tali berinteraksi dengan bagian lain dari busur - ditarik oleh gaya elastis dari poros busur yang melengkung.

Energi potensial suatu benda bergantung pada kekuatan interaksi antar benda (atau bagian tubuh) dan jarak antar benda. Misal semakin besar gaya Archimedean dan semakin dalam bola dibenamkan ke dalam air maka semakin besar pula gaya gravitasinya dan semakin jauh beratnya dari bumi maka semakin besar pula gaya elastisnya dan semakin jauh tali ditarik maka semakin besar. energi potensial benda: bola, beban, busur (masing-masing).

Energi potensial suatu benda yang sama dapat berbeda terhadap benda yang berbeda. Lihatlah gambarnya. Ketika sebuah beban jatuh pada setiap mur, Anda akan menemukan bahwa pecahan mur kedua akan terbang lebih jauh daripada pecahan mur pertama. Oleh karena itu, terhadap mur 1, beban mempunyai energi potensial yang lebih kecil dibandingkan dengan mur 2. Penting: tidak seperti energi kinetik, energi potensial tidak bergantung pada posisi dan pergerakan pengamat, tetapi bergantung pada pilihan energi “tingkat nol” kita.

Tujuan artikel ini adalah untuk mengungkap esensi konsep “energi mekanik”. Fisika banyak menggunakan konsep ini baik secara praktis maupun teoritis.

Kerja dan Energi

Kerja mekanik dapat ditentukan jika gaya yang bekerja pada suatu benda dan perpindahan benda diketahui. Ada cara lain untuk menghitung kerja mekanis. Mari kita lihat sebuah contoh:

Gambar tersebut menunjukkan sebuah benda yang dapat berada dalam keadaan mekanis yang berbeda (I dan II). Proses peralihan suatu benda dari keadaan I ke keadaan II ditandai dengan kerja mekanis, yaitu selama peralihan dari keadaan I ke keadaan II, benda dapat melakukan kerja. Saat melakukan kerja, keadaan mekanis suatu benda berubah, dan keadaan mekanis dapat dicirikan oleh satu kuantitas fisik - energi.

Energi adalah besaran fisika skalar dari segala bentuk gerak materi dan pilihan interaksinya.

Energi mekanik sama dengan apa?

Energi mekanik adalah besaran fisika skalar yang menentukan kemampuan suatu benda untuk melakukan usaha.

SEBUAH = ∆E

Karena energi merupakan ciri keadaan suatu sistem pada suatu titik waktu tertentu, maka usaha merupakan ciri proses perubahan keadaan sistem.

Energi dan usaha mempunyai satuan pengukuran yang sama: [A] = [E] = 1 J.

Jenis energi mekanik

Energi bebas mekanik dibagi menjadi dua jenis: kinetik dan potensial.

Energi kinetik adalah energi mekanik suatu benda, yang ditentukan oleh kecepatan geraknya.

Ek = 1/2mv 2

Energi kinetik melekat pada benda yang bergerak. Ketika berhenti, mereka melakukan kerja mekanis.

Dalam sistem referensi yang berbeda, kecepatan benda yang sama pada waktu tertentu bisa berbeda. Oleh karena itu, energi kinetik merupakan besaran relatif, ditentukan oleh pilihan sistem acuan.

Jika suatu gaya (atau beberapa gaya pada saat yang sama) bekerja pada suatu benda selama gerakan, energi kinetik benda tersebut berubah: benda tersebut berakselerasi atau berhenti. Dalam hal ini, kerja gaya atau kerja resultan semua gaya yang diterapkan pada benda akan sama dengan selisih energi kinetik:

A = E k1 - E k 2 = ∆E k

Pernyataan dan rumus ini diberi nama - teorema energi kinetik.

Energi potensial sebutkan energi yang ditimbulkan oleh interaksi antar benda.

Saat tubuh menimbang M dari tinggi H gaya gravitasilah yang melakukan pekerjaan tersebut. Karena usaha dan perubahan energi dihubungkan oleh suatu persamaan, kita dapat menulis rumus energi potensial suatu benda dalam medan gravitasi:

Ep = mgh

Berbeda dengan energi kinetik ek potensi E hal mungkin memiliki nilai negatif ketika H<0 (misalnya, mayat tergeletak di dasar sumur).

Jenis energi potensial mekanik lainnya adalah energi regangan. Dikompresi ke jarak X pegas dengan kekakuan k mempunyai energi potensial (energi regangan):

E p = 1/2 kx 2

Energi deformasi telah banyak diterapkan dalam praktik (mainan), dalam teknologi - mesin otomatis, relai, dan lain-lain.

E = E p + Ek

Energi mekanik total benda menyebut jumlah energi: kinetik dan potensial.

Hukum kekekalan energi mekanik

Beberapa eksperimen paling akurat yang dilakukan pada pertengahan abad ke-19 oleh fisikawan Inggris Joule dan fisikawan Jerman Mayer menunjukkan bahwa jumlah energi dalam sistem tertutup tetap tidak berubah. Ia hanya berpindah dari satu tubuh ke tubuh lainnya. Studi-studi ini membantu menemukan hukum kekekalan energi:

Energi mekanik total suatu sistem benda yang terisolasi tetap konstan selama interaksi benda satu sama lain.

Berbeda dengan impuls yang tidak mempunyai bentuk ekuivalen, energi mempunyai banyak bentuk: mekanik, termal, energi gerak molekul, energi listrik dengan gaya interaksi muatan, dan lain-lain. Suatu bentuk energi dapat diubah menjadi energi lain, misalnya energi kinetik diubah menjadi energi panas pada saat proses pengereman mobil. Jika tidak ada gaya gesekan dan tidak ada panas yang dihasilkan, maka energi mekanik total tidak hilang, tetapi tetap konstan dalam proses pergerakan atau interaksi benda:

E = E p + E k = konstanta

Ketika gaya gesek antar benda bekerja maka terjadi penurunan energi mekanik, namun dalam hal ini tidak hilang tanpa bekas, melainkan berubah menjadi panas (internal). Jika suatu gaya luar melakukan usaha pada sistem tertutup, maka energi mekanik bertambah sebesar jumlah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut. Jika suatu sistem tertutup melakukan kerja pada benda luar, maka energi mekanik sistem tersebut berkurang sebesar jumlah kerja yang dilakukan oleh sistem tersebut.
Setiap jenis energi dapat diubah seluruhnya menjadi jenis energi lainnya.