Tipi di energia della pelliccia. Ricordiamo la fisica: lavoro, energia e potenza. Tipi di energia: tipi di energia noti all'umanità

In meccanica esistono due tipi di energia: cinetica e potenziale. Energia cinetica chiama l'energia meccanica di qualsiasi corpo che si muove liberamente e misurala in base al lavoro che il corpo potrebbe fare quando rallenta fino a fermarsi completamente.
Lasciamo che il corpo IN, muovendosi a velocità v, inizia a interagire con un altro corpo CON e allo stesso tempo rallenta. Quindi il corpo IN colpisce il corpo CON con una certa forza F e sul tratto elementare del sentiero ds funziona

Secondo la terza legge di Newton, contemporaneamente sul corpo B agisce una forza -F, la cui componente tangente -Fτ provoca un cambiamento nel valore numerico della velocità del corpo. Secondo la seconda legge di Newton

Quindi,

Il lavoro svolto dal corpo fino al completo arresto è:

Quindi, l'energia cinetica di un corpo in movimento traslatorio è pari alla metà del prodotto della massa di questo corpo per il quadrato della sua velocità:

(3.7)

Dalla formula (3.7) è chiaro che l'energia cinetica di un corpo non può essere negativa ( Ek ≥ 0).
Se il sistema è composto da N corpi in movimento progressivo, allora per fermarlo è necessario frenare ciascuno di questi corpi. Pertanto, l'energia cinetica totale di un sistema meccanico è uguale alla somma delle energie cinetiche di tutti i corpi in esso compresi:

(3.8)

Dalla formula (3.8) è chiaro che Ecc dipende solo dall'entità delle masse e dalla velocità di movimento dei corpi in essa contenuti. In questo caso, non importa quanto sia la massa corporea io e io guadagnato velocità ν io. In altre parole, l'energia cinetica di un sistema è funzione del suo stato di movimento.
Velocità ν io dipendono in modo significativo dalla scelta del sistema di riferimento. Nel derivare le formule (3.7) e (3.8), si è assunto che il movimento sia considerato in un sistema di riferimento inerziale, poiché altrimenti le leggi di Newton non potrebbero essere utilizzate. Tuttavia, in diversi sistemi di riferimento inerziali che si muovono l'uno rispetto all'altro, la velocità ν io io esimo corpo del sistema, e, di conseguenza, il suo Eki e l'energia cinetica dell'intero sistema non sarà la stessa. Pertanto, l'energia cinetica del sistema dipende dalla scelta del sistema di riferimento, vale a dire è la quantità parente.
Energia potenziale- questa è l'energia meccanica di un sistema di corpi, determinata dalla loro posizione relativa e dalla natura delle forze di interazione tra loro.
Numericamente, l'energia potenziale di un sistema nella sua posizione data è uguale al lavoro che verrà compiuto dalle forze che agiscono sul sistema quando si sposta il sistema da questa posizione a quella in cui l'energia potenziale è convenzionalmente assunta pari a zero ( E n= 0). Il concetto di “energia potenziale” si applica solo ai sistemi conservativi, cioè sistemi in cui il lavoro delle forze agenti dipende solo dalle posizioni iniziale e finale del sistema. Quindi, per la pesatura del carico P, sollevato ad un'altezza H, l'energia potenziale sarà uguale En = Ph (E n= 0 a H= 0); per un carico attaccato ad una molla, E n = kΔl 2 / 2, Dove Δl- allungamento (compressione) della molla, K– il suo coefficiente di rigidezza ( E n= 0 a l= 0); per due particelle dotate di massa m1 E m2, attratto dalla legge di gravitazione universale, , Dove γ – costante gravitazionale, R– distanza tra le particelle ( E n= 0 a R → ∞).
Consideriamo l'energia potenziale del sistema Terra: un corpo di massa M, sollevato ad un'altezza H sopra la superficie della Terra. La diminuzione dell'energia potenziale di un tale sistema è misurata dal lavoro delle forze gravitazionali compiuto durante la caduta libera di un corpo sulla Terra. Se un corpo cade verticalmente, allora

Dove E no– energia potenziale del sistema a H= 0 (il segno “-” indica che il lavoro è svolto a causa della perdita di energia potenziale).
Se lo stesso corpo cade da un piano inclinato lungo l e con un angolo di inclinazione α rispetto alla verticale ( lcosα = h), allora il lavoro compiuto dalle forze gravitazionali è pari al valore precedente:

Se, infine, il corpo si muove lungo una traiettoria curvilinea arbitraria, allora possiamo immaginare questa curva composta da N piccoli tratti rettilinei Δl i. Il lavoro compiuto dalla forza gravitazionale su ciascuna di queste sezioni è pari a

Lungo tutto il percorso curvilineo il lavoro compiuto dalle forze gravitazionali è ovviamente pari a:

Quindi, il lavoro delle forze gravitazionali dipende solo dalla differenza di altezza dei punti iniziale e finale del percorso.
Pertanto, un corpo in un campo di forze potenziale (conservativo) ha energia potenziale. Con una variazione infinitesimale della configurazione del sistema, il lavoro delle forze conservative è uguale all'aumento dell'energia potenziale preso con un segno meno, poiché il lavoro viene svolto a causa della diminuzione dell'energia potenziale:

A turno, lavora dA espresso come prodotto scalare della forza F spostare dottor, quindi l'ultima espressione può essere scritta come segue:

(3.9)

Pertanto, se la funzione è nota E n(r), allora dall'espressione (3.9) si ricava la forza F per modulo e direzione.
Per le forze conservatrici

Oppure in formato vettoriale

Dove

(3.10)

Viene chiamato il vettore definito dall'espressione (3.10). gradiente della funzione scalare P; io, j, k- vettori unitari degli assi coordinati (orts).
Tipo specifico di funzione P(nel nostro caso E n) dipende dalla natura del campo di forza (gravitazionale, elettrostatico, ecc.), come mostrato sopra.
Energia meccanica totale W Il sistema è uguale alla somma della sua energia cinetica e potenziale:

Dalla definizione di energia potenziale di un sistema e dagli esempi considerati, risulta chiaro che tale energia, come l'energia cinetica, è funzione dello stato del sistema: dipende solo dalla configurazione del sistema e dalla sua posizione rispetto a corpi esterni. Di conseguenza, l’energia meccanica totale del sistema è anche funzione dello stato del sistema, cioè dipende solo dalla posizione e dalla velocità di tutti i corpi nel sistema.

Esiste due tipi di energia meccanica: energia cinetica di un corpo puntiforme ed energia potenziale di un sistema di corpi. L'energia meccanica di un sistema di corpi è uguale alla somma delle energie cinetiche dei corpi inclusi in questo sistema e delle energie potenziali della loro interazione:

Energia meccanica = Energia cinetica + Energia potenziale

È importante legge di conservazione dell’energia meccanica:
In un sistema di riferimento inerziale, l'energia meccanica del sistema rimane costante (non cambia, si conserva) a condizione che il lavoro delle forze di attrito interne e il lavoro delle forze esterne sui corpi del sistema sia zero (o così piccolo da può essere trascurato).

Energia cinetica

Essendo uno dei tipi di energia meccanica, l'energia cinetica di un corpo puntiforme è uguale al lavoro che il corpo può compiere su altri corpi riducendo la sua velocità a zero. In questo caso parliamo di sistemi di riferimento inerziali (IRS).

L'energia cinetica di un corpo puntiforme si calcola utilizzando la formula K = (mv 2) / 2.

L'energia cinetica di un corpo aumenta quando su di esso viene svolto un lavoro positivo. Inoltre, aumenta in base alla quantità di questo lavoro. Quando su un corpo viene compiuto un lavoro negativo, la sua energia cinetica diminuisce di una quantità pari al modulo di questo lavoro. La conservazione dell'energia cinetica (l'assenza dei suoi cambiamenti) dice che il lavoro compiuto sul corpo è pari a zero.

Energia potenziale

L'energia potenziale è un tipo di energia meccanica che può essere posseduta solo da sistemi di corpi o corpi considerati come sistemi di parti, ma non da un corpo puntiforme. L'energia potenziale di diversi sistemi viene calcolata diversamente.

Il sistema di corpi spesso considerato è il “corpo-Terra”, quando un corpo si trova vicino alla superficie di un pianeta (in questo caso la Terra) ed è attratto da esso sotto l'influenza della gravità. In questo caso l'energia potenziale è uguale al lavoro compiuto dalla gravità quando il corpo viene abbassato ad altezza zero (h = 0):

L'energia potenziale del sistema corpo-Terra diminuisce quando la gravità esegue un lavoro positivo. Allo stesso tempo, l'altezza (h) del corpo sopra la Terra diminuisce. All’aumentare dell’altitudine, la gravità compie un lavoro negativo e l’energia potenziale del sistema aumenta. Se l'altezza non cambia l'energia potenziale si conserva.

Un altro esempio di sistema con energia potenziale è una molla deformata elasticamente da un altro corpo. Una molla ha energia potenziale, poiché è un sistema di parti interagenti (particelle) che cercano di riportare la molla al suo stato originale, cioè la molla ha una forza elastica.

Le forze elastiche compiono lavoro quando il corpo passa ad uno stato indeformato, in cui l'energia potenziale diventa pari a zero. (Tutti i sistemi tendono a diminuire la loro energia potenziale.)

L'energia potenziale del sistema “molla” è determinata dalla formula P = 0,5k · Δl 2, dove k è la rigidità della molla, Δl è la variazione della lunghezza della molla (a seguito di compressione o allungamento) .

Una sorgente in uno stato indeformato ha energia potenziale pari a zero. Affinché l'energia potenziale appaia nel sistema, le forze esterne devono compiere un lavoro positivo contro le forze elastiche, cioè contro le forze potenziali interne.

L'energia meccanica è di due tipi: cinetico E potenziale. L'energia cinetica (o energia di movimento) è determinata dalle masse e dalle velocità dei corpi in questione. L'energia potenziale (o energia di posizione) dipende dalla posizione relativa (configurazione) dei corpi che interagiscono tra loro.

Il lavoro è definito come il prodotto scalare dei vettori forza e spostamento. Il prodotto scalare di due vettori è uno scalare uguale al prodotto dei moduli di questi vettori e del coseno dell'angolo compreso tra loro.

I concetti di energia e lavoro sono strettamente correlati tra loro.

Energia cinetica delle particelle

Tenendo conto che il prodotto mV è uguale al modulo della quantità di moto delle particelle p, l'espressione (4) può avere la forma

Se la forza F agente sulla particella non è nulla, l'energia cinetica riceverà un incremento nel tempo dt

dove d S- movimento di una particella durante il tempo dt.

Grandezza

chiamato lavoro, realizzato dalla forza F sul percorso ds (ds è il modulo di spostamento d S).

Dalla (5) segue che il lavoro caratterizza la variazione di energia cinetica causata dall'azione di una forza su una particella in movimento

Se dA = Fds, a, allora

Integriamo entrambi i lati dell'uguaglianza (6) lungo la traiettoria delle particelle dal punto 1 al punto 2:

Il lato sinistro dell'uguaglianza risultante rappresenta l'incremento dell'energia cinetica della particella:

Il lato destro è il lavoro A12 della forza F sul percorso 1-2:

Siamo così arrivati ​​alla relazione

da cui ne consegue che il lavoro risultante di tutte le forze agenti sulla particella va ad aumentare l'energia cinetica della particella.

Forze conservatrici

Le forze il cui lavoro non dipende dal percorso lungo il quale si è mossa la particella, ma dipende solo dalle posizioni iniziale e finale della particella, sono chiamate conservatore.

È facile dimostrare che il lavoro compiuto dalle forze su qualsiasi percorso chiuso è zero. Dividiamo un percorso chiuso arbitrario (Fig. 1) con i punti 1 e 2 (anch'essi presi arbitrariamente) in due sezioni, designate con i numeri romani I e II. Il lavoro su un percorso chiuso consiste nel lavoro svolto in queste sezioni:

Il cambiamento della direzione del movimento lungo la sezione II in direzione opposta è accompagnato dalla sostituzione di tutti gli spostamenti elementari ds con -ds, a seguito della quale il segno cambia in direzione opposta. Da ciò concludiamo che. Effettuando una sostituzione nella (8), otteniamo ciò

A causa dell'indipendenza dal percorso dell'opera, l'ultima espressione è zero. Pertanto, le forze conservative possono essere definite come forze il cui lavoro su qualsiasi percorso chiuso è zero.

Energia potenziale

Questa energia è determinata dalla posizione del corpo (l'altezza alla quale è sollevato). Pertanto si chiama energia di posizione. Più spesso si chiama energia potenziale.

dove h è misurato da un livello arbitrario.

A differenza dell’energia cinetica, che è sempre positiva, l’energia potenziale può essere positiva o negativa.

Lasciamo che la particella si muova in un campo di forze conservative. Quando ci si sposta dal punto 1 al punto 2, il lavoro viene svolto su di esso

A12 = Ep1-Ep2. (9)

Secondo la formula (7), questo lavoro è uguale all'incremento dell'energia cinetica della particella. Prendendo entrambe le espressioni per lavoro, otteniamo una relazione da cui segue quello

Il valore E, pari alla somma dell'energia cinetica e potenziale, è chiamato energia meccanica totale della particella. La formula (10) significa che E1=E2, cioè che è l'energia totale di una particella che si muove in un campo di forze conservative. Rimane costante. Questa affermazione esprime legge di conservazione dell’energia meccanica per un sistema costituito da una particella.

LEGGE DI CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA

Consideriamo un sistema costituito da N particelle che interagiscono tra loro, sotto l'influenza di forze esterne sia conservatrici che non conservatrici. Si assume che le forze di interazione tra le particelle siano conservative. Determiniamo il lavoro compiuto sulle particelle quando si sposta un sistema da un luogo a un altro, accompagnato da un cambiamento nella configurazione del sistema.

Il lavoro delle forze conservatrici esterne può essere rappresentato come una diminuzione dell'energia potenziale del sistema in un campo di forze esterno:

dove è determinato dalla formula (9).

Il lavoro compiuto dalle forze interne è pari alla diminuzione dell'energia potenziale reciproca delle particelle:

dove è l'energia potenziale del sistema in un campo di forze esterno.

Indichiamo il lavoro delle forze non conservatrici.

Secondo la formula (7), il lavoro totale di tutte le forze viene speso per aumentare l'energia cinetica del sistema Ek, che è uguale alla somma delle energie cinetiche delle particelle:

Quindi,

Raggruppiamo i termini di questa relazione come segue:

La somma dell'energia cinetica e potenziale rappresenta l'energia meccanica totale del sistema E:

Pertanto, abbiamo stabilito che il lavoro delle forze non conservative è uguale all’incremento dell’energia totale del sistema:

Dalla (11) segue che nel caso in cui non siano presenti forze non conservative, l'energia meccanica totale del sistema rimane costante:

Siamo arrivati ​​a legge di conservazione dell’energia meccanica, che afferma che l'energia meccanica totale di un sistema di punti materiali sotto l'influenza di sole forze conservative rimane costante.

Se il sistema è chiuso e le forze di interazione tra le particelle sono conservative, allora l'energia totale contiene solo due termini: (- energia potenziale reciproca delle particelle). In questo caso, la legge di conservazione dell'energia meccanica consiste nell'affermazione che l'energia meccanica totale di un sistema chiuso di punti materiali, tra i quali agiscono solo forze conservative, rimane costante.

Dai un'occhiata: una palla che rotola lungo la pista abbatte i birilli e questi si disperdono ai lati. La ventola appena spenta continua a ruotare per qualche tempo creando un flusso d'aria. Questi corpi hanno energia?

Nota: la palla e il ventilatore svolgono un lavoro meccanico, il che significa che possiedono energia. Hanno energia perché si muovono. In fisica si chiama l'energia dei corpi in movimento energia cinetica (dal greco “kinema” - movimento).

L'energia cinetica dipende dalla massa del corpo e dalla velocità del suo movimento (movimento nello spazio o rotazione). Ad esempio, maggiore è la massa della palla, maggiore sarà l'energia che trasferirà ai birilli al momento dell'impatto e più lontano voleranno. Ad esempio, maggiore è la velocità di rotazione delle pale, più il ventilatore sposterà il flusso d'aria.

L'energia cinetica di uno stesso corpo può essere diversa dai punti di vista di diversi osservatori. Ad esempio, dal nostro punto di vista di lettori di questo libro, l'energia cinetica di un ceppo sulla strada è zero, poiché il ceppo non si muove. Tuttavia, in relazione al ciclista, il moncone ha energia cinetica, poiché si avvicina rapidamente e in caso di collisione eseguirà un lavoro meccanico molto spiacevole: piegherà le parti della bicicletta.

In fisica si chiama l'energia che i corpi o parti di un corpo possiedono perché interagiscono con altri corpi (o parti del corpo). energia potenziale (dal latino “potenza” - forza).

Diamo un'occhiata al disegno. Durante la risalita, la palla può eseguire un lavoro meccanico, ad esempio spingendo il palmo della mano fuori dall'acqua in superficie. Un peso posizionato ad una certa altezza può fare un lavoro: rompere una noce. Una corda dell'arco tesa può spingere fuori la freccia. Quindi, i corpi considerati hanno energia potenziale perché interagiscono con altri corpi (o parti del corpo). Ad esempio, una palla interagisce con l'acqua: la forza di Archimede la spinge in superficie. Il peso interagisce con la Terra: la gravità lo spinge verso il basso. La corda interagisce con le altre parti dell'arco: viene tirata dalla forza elastica dell'asta curva dell'arco.

L'energia potenziale di un corpo dipende dalla forza dell'interazione tra corpi (o parti del corpo) e dalla distanza tra loro. Ad esempio, maggiore è la forza di Archimede e più profonda è l'immersione della palla nell'acqua, maggiore è la forza di gravità e più lontano è il peso dalla Terra, maggiore è la forza elastica e più si tira la corda, maggiore è la forza elastica. le energie potenziali dei corpi: la palla, il peso, l'arco (rispettivamente).

L'energia potenziale dello stesso corpo può essere diversa in relazione a corpi diversi. Dai un'occhiata alla foto. Quando un peso cade su ciascuna noce, scoprirai che i frammenti della seconda noce voleranno molto più lontano dei frammenti della prima. Pertanto, rispetto al dado 1, il peso ha meno energia potenziale che rispetto al dado 2. Importante: a differenza dell'energia cinetica, l'energia potenziale non dipende dalla posizione e dal movimento dell'osservatore, ma dipende dalla nostra scelta del “livello zero” di energia.

Lo scopo di questo articolo è rivelare l'essenza del concetto di "energia meccanica". La fisica utilizza ampiamente questo concetto sia praticamente che teoricamente.

Lavoro ed energia

Il lavoro meccanico può essere determinato se si conoscono la forza che agisce su un corpo e lo spostamento del corpo. Esiste un altro modo per calcolare il lavoro meccanico. Diamo un'occhiata ad un esempio:

La figura mostra un corpo che può trovarsi in diversi stati meccanici (I e II). Il processo di transizione di un corpo dallo stato I allo stato II è caratterizzato da lavoro meccanico, ovvero durante la transizione dallo stato I allo stato II il corpo può svolgere lavoro. Quando si esegue il lavoro, lo stato meccanico del corpo cambia e lo stato meccanico può essere caratterizzato da una quantità fisica: l'energia.

L'energia è una quantità fisica scalare di tutte le forme di movimento della materia e le opzioni per la loro interazione.

A cosa equivale l’energia meccanica?

L'energia meccanica è una quantità fisica scalare che determina la capacità di un corpo di compiere lavoro.

A = ∆E

Poiché l'energia è una caratteristica dello stato di un sistema in un determinato momento, il lavoro è una caratteristica del processo di cambiamento dello stato del sistema.

Energia e lavoro hanno le stesse unità di misura: [A] = [E] = 1 J.

Tipi di energia meccanica

L’energia libera meccanica si divide in due tipologie: cinetica e potenziale.

Energia cineticaè l'energia meccanica di un corpo, che è determinata dalla velocità del suo movimento.

Ek = 1/2mv2

L'energia cinetica è inerente ai corpi in movimento. Quando si fermano, eseguono un lavoro meccanico.

In diversi sistemi di riferimento, le velocità dello stesso corpo in un momento arbitrario nel tempo possono essere diverse. Pertanto l'energia cinetica è una grandezza relativa; è determinata dalla scelta del sistema di riferimento.

Se una forza (o più forze contemporaneamente) agisce su un corpo durante il movimento, l'energia cinetica del corpo cambia: il corpo accelera o si ferma. In questo caso, il lavoro della forza o il lavoro della risultante di tutte le forze applicate al corpo sarà uguale alla differenza delle energie cinetiche:

A = E k1 - E k 2 = ∆E k

A questa affermazione e formula è stato dato un nome: teorema dell'energia cinetica.

Energia potenziale nominare l'energia causata dall'interazione tra corpi.

Quando un corpo pesa M dall'alto H la forza di gravità fa il lavoro. Poiché il lavoro e la variazione di energia sono legati da un'equazione, possiamo scrivere una formula per l'energia potenziale di un corpo in un campo gravitazionale:

Ep = mgh

A differenza dell'energia cinetica Ecc potenziale E pag può avere un valore negativo quando H<0 (ad esempio, un corpo che giace sul fondo di un pozzo).

Un altro tipo di energia potenziale meccanica è l'energia di deformazione. Compresso a distanza X molla con rigidità K ha energia potenziale (energia di deformazione):

E p = 1/2 kx 2

L'energia di deformazione ha trovato ampia applicazione nella pratica (giocattoli), nella tecnologia: macchine automatiche, relè e altri.

E = Ep + Ek

Energia meccanica totale i corpi chiamano la somma delle energie: cinetica e potenziale.

Legge di conservazione dell'energia meccanica

Alcuni degli esperimenti più accurati condotti a metà del XIX secolo dal fisico inglese Joule e dal fisico tedesco Mayer dimostrarono che la quantità di energia nei sistemi chiusi rimane invariata. Passa solo da un corpo all'altro. Questi studi hanno contribuito a scoprire legge di conservazione dell’energia:

L'energia meccanica totale di un sistema isolato di corpi rimane costante durante qualsiasi interazione dei corpi tra loro.

A differenza dell'impulso, che non ha una forma equivalente, l'energia ha molte forme: meccanica, termica, energia del movimento molecolare, energia elettrica con forze di interazione di carica e altre. Una forma di energia può essere convertita in un'altra, ad esempio l'energia cinetica viene convertita in energia termica durante il processo di frenata di un'auto. Se non ci sono forze di attrito e non viene generato calore, l'energia meccanica totale non viene persa, ma rimane costante nel processo di movimento o interazione dei corpi:

E = E p + E k = cost

Quando agisce la forza di attrito tra i corpi, si verifica una diminuzione dell'energia meccanica, tuttavia, anche in questo caso non si perde senza lasciare traccia, ma si trasforma in termica (interna). Se una forza esterna compie lavoro su un sistema chiuso, l'energia meccanica aumenta della quantità di lavoro svolto da questa forza. Se un sistema chiuso esegue lavoro su corpi esterni, l'energia meccanica del sistema viene ridotta della quantità di lavoro da esso svolto.
Ogni tipo di energia può essere completamente trasformato in qualsiasi altro tipo di energia.