Vrste krznene energije. Spomnimo se fizike: delo, energija in moč. Vrste energije - vrste energije, ki jih pozna človeštvo
V mehaniki poznamo dve vrsti energije: kinetično in potencialno. Kinetična energija imenujemo mehanska energija vsakega prosto gibajočega se telesa in jo merimo z delom, ki bi ga telo lahko opravilo, ko se upočasni do popolne ustavitve.
Naj telo IN, premikanje s hitrostjo v, začne sodelovati z drugim telesom Z in se hkrati upočasnjuje. Zato telo IN vpliva na telo Z z nekaj sile F in na osnovnem delu poti ds deluje
Po tretjem Newtonovem zakonu na telo B istočasno deluje sila -F, katere tangentna komponenta -F τ povzroči spremembo številčne vrednosti hitrosti telesa. Po drugem Newtonovem zakonu
torej
Delo, ki ga opravi telo, dokler se popolnoma ne ustavi, je:
Torej je kinetična energija translatorno gibajočega se telesa enaka polovici produkta mase tega telesa na kvadrat njegove hitrosti:
(3.7)
Iz formule (3.7) je jasno, da kinetična energija telesa ne more biti negativna ( Ek ≥ 0).
Če je sistem sestavljen iz n postopoma premikajočih se teles, potem je za njegovo zaustavitev potrebno zavirati vsako od teh teles. Zato je skupna kinetična energija mehanskega sistema enaka vsoti kinetičnih energij vseh teles, ki so v njem:
(3.8)
Iz formule (3.8) je jasno, da E k odvisno samo od velikosti mase in hitrosti gibanja teles, ki so v njej vključena. V tem primeru ni pomembno, kakšna je telesna masa m i pridobil hitrost ν i. Z drugimi besedami, kinetična energija sistema je funkcija njegovega stanja gibanja.
Hitrosti ν i močno odvisna od izbire referenčnega sistema. Pri izpeljavi formul (3.7) in (3.8) je bilo predpostavljeno, da je gibanje obravnavano v inercialnem referenčnem sistemu, saj sicer Newtonovih zakonov ne bi bilo mogoče uporabiti. Vendar pa je v različnih inercialnih referenčnih sistemih, ki se gibljejo relativno drug proti drugemu, hitrost ν i i th telo sistema in posledično njegovo Eki in kinetična energija celotnega sistema ne bo enaka. Tako je kinetična energija sistema odvisna od izbire referenčnega sistema, tj. je količina relativno.
Potencialna energija- to je mehanska energija sistema teles, določena z njihovim relativnim položajem in naravo interakcijskih sil med njimi.
Numerično je potencialna energija sistema v njegovem danem položaju enaka delu, ki ga bodo opravile sile, ki delujejo na sistem, ko sistem premaknejo iz tega položaja v položaj, kjer je potencialna energija običajno enaka nič ( E n= 0). Koncept "potencialne energije" velja le za konzervativne sisteme, tj. sistemi, pri katerih je delo delujočih sil odvisno samo od začetne in končne lege sistema. Torej, za tehtanje tovora p, dvignjen na višino h, bo potencialna energija enaka En = Ph (E n= 0 pri h= 0); za breme, pritrjeno na vzmet, E n = kΔl 2/2, Kje Δl- raztezek (stisnjenje) vzmeti, k– njegov koeficient togosti ( E n= 0 pri l= 0); za dva delca z masami m 1 in m 2, ki jih privlači zakon univerzalne gravitacije, 
, Kje γ
– gravitacijska konstanta, r– razdalja med delci ( E n= 0 pri r → ∞).
Razmislimo o potencialni energiji sistema Zemlja – telo mase m, dvignjen na višino h nad površjem Zemlje. Zmanjšanje potencialne energije takega sistema se meri z delom gravitacijskih sil, ki se opravi pri prostem padcu telesa na Zemljo. Če telo pade navpično, potem
kje E št– potencialna energija sistema pri h= 0 (znak »-« pomeni, da je delo opravljeno zaradi izgube potencialne energije).
Če isto telo pade po nagnjeni ravnini dolžine l in s kotom naklona α glede na navpičnico ( lcosα = h), potem je delo, ki ga opravijo gravitacijske sile, enako prejšnji vrednosti:
Če se končno telo giblje po poljubni krivulji, potem si lahko predstavljamo to krivuljo, ki je sestavljena iz n majhni ravni odseki Δl i. Delo, ki ga opravi gravitacijska sila na vsakem od teh odsekov, je enako
Vzdolž celotne krivulje je delo, ki ga opravijo gravitacijske sile, očitno enako:
Delo gravitacijskih sil je torej odvisno samo od razlike v višini začetne in končne točke poti.
Tako ima telo v potencialnem (konservativnem) polju sil potencialno energijo. Pri neskončno majhni spremembi konfiguracije sistema je delo konzervativnih sil enako povečanju potencialne energije, vzeto z znakom minus, saj je delo opravljeno zaradi zmanjšanja potencialne energije:
V zameno delo dA izraženo kot pikčasti produkt sile F premikati se dr, zato lahko zadnji izraz zapišemo takole:
(3.9)
Če je torej funkcija znana E n(r), potem lahko iz izraza (3.9) najdemo silo F po modulu in smeri.
Za konservativne sile
Ali v vektorski obliki
kje
(3.10)
Vektor, definiran z izrazom (3.10), se imenuje gradient skalarne funkcije P; i, j, k- enotski vektorji koordinatnih osi (orti).
Posebna vrsta funkcije p(v našem primeru E n) je odvisno od narave polja sil (gravitacijsko, elektrostatično itd.), kot je prikazano zgoraj.
Skupna mehanska energija W sistem je enak vsoti njegove kinetične in potencialne energije:
Iz definicije potencialne energije sistema in obravnavanih primerov je jasno, da je ta energija, tako kot kinetična energija, funkcija stanja sistema: odvisna je le od konfiguracije sistema in njegovega položaja glede na na zunanja telesa. Posledično je celotna mehanska energija sistema tudi funkcija stanja sistema, tj. odvisna samo od položaja in hitrosti vseh teles v sistemu.
obstaja dve vrsti mehanske energije - kinetična energija točkastega telesa in potencialna energija sistema teles. Mehanska energija sistema teles je enaka vsoti kinetičnih energij teles, vključenih v ta sistem, in potencialnih energij njihove interakcije:
Mehanska energija = Kinetična energija + Potencialna energija
Pomembno je zakon o ohranitvi mehanske energije:
V inercialnem referenčnem sistemu ostaja mehanska energija sistema konstantna (se ne spreminja, ohranja) pod pogojem, da je delo sil notranjega trenja in delo zunanjih sil na telesih sistema enako nič (ali tako majhno, da sta lahko zanemarimo).
Kinetična energija
Kot ena od vrst mehanske energije je kinetična energija točkastega telesa enaka delu, ki ga telo lahko opravi na drugih telesih, če zmanjša svojo hitrost na nič. V tem primeru govorimo o inercialnih referenčnih sistemih (IRS).
Kinetično energijo točkastega telesa izračunamo po formuli K = (mv 2) / 2.
Kinetična energija telesa se poveča, če je na telo opravljeno pozitivno delo. Poleg tega se povečuje s količino tega dela. Ko je na telo opravljeno negativno delo, se njegova kinetična energija zmanjša za količino, ki je enaka modulu tega dela. Ohranjanje kinetične energije (odsotnost njenih sprememb) pravi, da je bilo delo, opravljeno na telesu, enako nič.
Potencialna energija
Potencialna energija je vrsta mehanske energije, ki jo imajo lahko samo sistemi teles ali telesa, ki se obravnavajo kot sistemi delov, ne pa tudi enotočkovno telo. Potencialna energija različnih sistemov se izračuna različno.
Sistem teles, ki se pogosto obravnava, je "telo - Zemlja", ko se telo nahaja blizu površine planeta (v tem primeru Zemlje) in ga privlači pod vplivom gravitacije. V tem primeru je potencialna energija enaka delu, ki ga opravi gravitacija, ko se telo spusti na ničelno višino (h = 0):
Potencialna energija sistema telo-Zemlja se zmanjša, ko gravitacija opravi pozitivno delo. Hkrati se višina (h) telesa nad Zemljo zmanjšuje. Ko se nadmorska višina povečuje, gravitacija opravlja negativno delo in potencialna energija sistema se povečuje. Če se višina ne spremeni, se potencialna energija ohrani.
Drug primer sistema s potencialno energijo je vzmet, ki jo elastično deformira drugo telo. Vzmet ima potencialno energijo, ker je sistem medsebojno delujočih delov (delcev), ki si prizadevajo vrniti vzmet v prvotno stanje, torej ima vzmet elastično silo.
Elastične sile opravijo delo, ko telo preide v nedeformirano stanje, v katerem potencialna energija postane enaka nič. (Vsi sistemi težijo k zmanjšanju svoje potencialne energije.)
Potencialna energija "vzmetnega" sistema je določena s formulo P = 0,5k · Δl 2, kjer je k togost vzmeti, Δl je sprememba dolžine vzmeti (kot posledica stiskanja ali raztezanja).
Vzmet v nedeformiranem stanju ima potencialno energijo nič. Da se potencialna energija pojavi v sistemu, morajo zunanje sile opraviti pozitivno delo proti elastičnim silam, torej proti notranjim potencialnim silam.
Mehanska energija je na voljo v dveh vrstah: kinetično in potencial. Kinetična energija (ali energija gibanja) je določena z masami in hitrostmi zadevnih teles. Potencialna energija (ali položajna energija) je odvisna od relativnega položaja (konfiguracije) medsebojnih interakcij med telesi.
Delo je definirano kot skalarni produkt vektorjev sile in premika. Skalarni produkt dveh vektorjev je skalar, ki je enak produktu modulov teh vektorjev in kosinusa kota med njima.
Pojma energija in delo sta med seboj tesno povezana.
Kinetična energija delcev
Ob upoštevanju, da je produkt mV enak modulu momenta delcev p, lahko izraz (4) damo v obliki
Če sila F, ki deluje na delec, ni enaka nič, se bo kinetična energija s časom dt povečala
kjer d s- gibanje delca v času dt.
Magnituda
klical delo, ki jo naredi sila F vzdolž poti ds (ds je modul premika d s).
Iz (5) sledi, da delo označuje spremembo kinetične energije, ki jo povzroči delovanje sile na gibajoči se delec
Če je dA = Fds, potem a
Integrirajmo obe strani enakosti (6) vzdolž trajektorije delcev od točke 1 do točke 2:
Leva stran dobljene enakosti predstavlja prirastek kinetične energije delca:
Desna stran je delo A12 sile F na poti 1-2:
Tako smo prišli do relacije
iz česar izhaja, da rezultantno delo vseh sil, ki delujejo na delec, gre za povečanje kinetične energije delca.
Konservativne sile
Sile, katerih delo ni odvisno od poti, po kateri se delec giblje, ampak je odvisno le od začetne in končne lege delca, imenujemo konzervativen.
Zlahka je pokazati, da je delo, ki ga opravijo sile na kateri koli zaprti poti, enako nič. Razdelimo poljubno sklenjeno pot (sl. 1) s točkama 1 in 2 (tudi poljubno vzetima) na dva odseka, označena z rimskima številkama I in II. Dela na zaprti poti so sestavljena iz del, opravljenih na teh odsekih:
Spreminjanje smeri gibanja vzdolž odseka II v nasprotno spremlja zamenjava vseh elementarnih premikov ds z -ds, zaradi česar se znak spremeni v nasprotno. Iz tega sklepamo, da. Z zamenjavo v (8) dobimo to
Zaradi neodvisnosti dela od poti je zadnji izraz enak nič. Tako lahko konservativne sile definiramo kot sile, katerih delo na kateri koli zaprti poti je nič.
Potencialna energija
Ta energija je določena s položajem telesa (višina, na katero je dvignjeno). Zato se imenuje energija položaja. Pogosteje se imenuje potencialna energija.
kjer je h izmerjen od poljubne ravni.
Za razliko od kinetične energije, ki je vedno pozitivna, je potencialna energija lahko pozitivna ali negativna.
Naj se delec giblje v polju konzervativnih sil. Pri prehodu iz točke 1 v točko 2 se na njej dela
A12 = Ep1-Ep2. (9)
V skladu s formulo (7) je to delo enako prirastku kinetične energije delca. Če vzamemo oba izraza za delo, dobimo relacijo, iz katere sledi, da
Vrednost E, ki je enaka vsoti kinetične in potencialne energije, imenujemo skupna mehanska energija delca. Formula (10) pomeni, da je E1=E2, tj. ki je skupna energija delca, ki se giblje v polju konservativnih sil. Ostaja konstanten. Ta izjava izraža zakon o ohranitvi mehanske energije za sistem, sestavljen iz enega delca.
ZAKON OHRANJENJA ENERGIJE
Oglejmo si sistem, sestavljen iz N delcev, ki medsebojno delujejo pod vplivom zunanjih konzervativnih in nekonservativnih sil. Predpostavlja se, da so interakcijske sile med delci konzervativne. Določimo delo, opravljeno na delcih pri premikanju sistema z enega mesta na drugega, ki ga spremlja sprememba konfiguracije sistema.
Delo zunanjih konzervativnih sil lahko predstavimo kot zmanjšanje potencialne energije sistema v zunanjem polju sil:
kjer je določeno s formulo (9).
Delo notranjih sil je enako zmanjšanju medsebojne potencialne energije delcev:
kjer je potencialna energija sistema v zunanjem polju sil.
Označimo delo nekonservativnih sil.
Po formuli (7) se skupno delo vseh sil porabi za povečanje kinetične energije sistema Ek, ki je enaka vsoti kinetičnih energij delcev:
torej
Združimo izraze te relacije na naslednji način:
Vsota kinetične in potencialne energije predstavlja skupno mehansko energijo sistema E:
Tako smo ugotovili, da je delo nekonservativnih sil enako prirastku celotne energije sistema:
Iz (11) sledi, da v primeru, ko ni nekonservativnih sil, skupna mehanska energija sistema ostane konstantna:
Prišli smo do zakon o ohranitvi mehanske energije, ki pravi, da skupna mehanska energija sistema materialnih točk pod vplivom samo konzervativnih sil ostane konstantna.
Če je sistem zaprt in so interakcijske sile med delci konzervativne, potem skupna energija vsebuje samo dva člena: (- medsebojna potencialna energija delcev). V tem primeru je zakon o ohranitvi mehanske energije trditev, da skupna mehanska energija zaprtega sistema materialnih točk, med katerimi delujejo le konservativne sile, ostane konstantna.
Poglejte: žogica, ki se kotali po stezi, podre keglje in ti se razletijo ob straneh. Pravkar izklopljen ventilator se še nekaj časa vrti in ustvarja pretok zraka. Ali imajo ta telesa energijo?
Opomba: žoga in ventilator opravljata mehansko delo, kar pomeni, da imata energijo. Imajo energijo, ker se gibljejo. Energija gibajočih se teles se v fiziki imenuje kinetična energija (iz grškega "kinema" - gibanje).
Kinetična energija je odvisna od mase telesa in hitrosti njegovega gibanja (gibanje v prostoru ali vrtenje). Na primer, večja kot je masa žoge, več energije bo ob udarcu prenesla na keglje, dlje bodo leteli. Na primer, večja kot je hitrost vrtenja lopatic, dlje bo ventilator premaknil zračni tok.
Kinetična energija istega telesa je lahko različna z vidika različnih opazovalcev. Na primer, z našega vidika kot bralcev te knjige je kinetična energija štora na cesti enaka nič, saj se štor ne premika. Vendar pa ima štor v odnosu do kolesarja kinetično energijo, saj se hitro približuje in bo v primeru trka opravil zelo neprijetno mehansko delo – zvil bo dele kolesa.
Energija, ki jo imajo telesa ali deli enega telesa, ker medsebojno delujejo z drugimi telesi (ali deli telesa), se v fiziki imenuje potencialna energija (iz latinskega "potence" - moč).
Poglejmo risbo. Žogica lahko pri dvigovanju opravlja mehansko delo, na primer potisne našo dlan iz vode na gladino. Utež, postavljena na določeno višino, lahko opravi delo – stre oreh. Močno napeta tetiva loka lahko potisne puščico ven. torej obravnavana telesa imajo potencialno energijo, ker medsebojno delujejo z drugimi telesi (ali deli telesa). Na primer, krogla medsebojno vpliva na vodo - Arhimedova sila jo potisne na površje. Utež deluje z Zemljo – gravitacija vleče utež navzdol. Tetiva sodeluje z drugimi deli loka – vleče jo elastična sila ukrivljene gredi loka.
Potencialna energija telesa je odvisna od sile interakcije med telesi (ali deli telesa) in razdalje med njimi. Na primer, večja kot je Arhimedova sila in globlje ko je kroglica potopljena v vodo, večja je gravitacijska sila in dlje kot je teža od Zemlje, večja je prožnostna sila in dlje ko je vrvica potegnjena, večja je potencialne energije teles: žoga, utež, lok (oziroma).
Potencialna energija istega telesa je lahko različna glede na različna telesa. Oglejte si sliko. Ko utež pade na vsak oreh, boste ugotovili, da bodo drobci drugega oreha leteli veliko dlje od drobcev prvega. Zato ima utež glede na matico 1 manjšo potencialno energijo kot glede na matico 2. Pomembno: za razliko od kinetične energije, potencialna energija ni odvisna od položaja in gibanja opazovalca, temveč je odvisna od naše izbire »ničelne ravni« energije.
Namen tega članka je razkriti bistvo pojma "mehanska energija". Fizika široko uporablja ta koncept tako praktično kot teoretično.
Delo in energija
Mehansko delo lahko določimo, če poznamo silo, ki deluje na telo, in premik telesa. Obstaja še en način za izračun mehanskega dela. Poglejmo primer:
Slika prikazuje telo, ki je lahko v različnih mehanskih stanjih (I in II). Za proces prehoda telesa iz stanja I v stanje II je značilno mehansko delo, to pomeni, da pri prehodu iz stanja I v stanje II telo lahko opravlja delo. Pri opravljanju dela se mehansko stanje telesa spreminja, mehansko stanje pa lahko označimo z eno fizikalno količino - energijo.
Energija je skalarna fizikalna količina vseh oblik gibanja snovi in možnosti njihovega medsebojnega delovanja.
Čemu je enaka mehanska energija?
Mehanska energija je skalarna fizikalna količina, ki določa sposobnost telesa za opravljanje dela.
A = ∆E
Ker je energija značilnost stanja sistema v določenem trenutku, je delo značilnost procesa spreminjanja stanja sistema.
Energija in delo imata enaki merski enoti: [A] = [E] = 1 J.
Vrste mehanske energije
Mehanska prosta energija je razdeljena na dve vrsti: kinetično in potencialno.
Kinetična energija je mehanska energija telesa, ki je določena s hitrostjo njegovega gibanja.
E k = 1/2mv 2
Kinetična energija je lastna gibajočim se telesom. Ko se ustavijo, opravljajo mehansko delo.
V različnih referenčnih sistemih so lahko hitrosti istega telesa v poljubnem trenutku različne. Zato je kinetična energija relativna količina, določena je z izbiro referenčnega sistema.
Če med gibanjem na telo deluje sila (ali več sil hkrati), se kinetična energija telesa spremeni: telo pospeši ali ustavi. V tem primeru bo delo sile ali delo rezultante vseh sil, ki delujejo na telo, enako razliki kinetičnih energij:
A = E k1 - E k 2 = ∆E k
Ta izjava in formula sta dobili ime - izrek o kinetični energiji.
Potencialna energija poimenuj energijo, ki jo povzroča interakcija med telesi.
Ko telo tehta m od zgoraj h delo opravi sila težnosti. Ker sta delo in sprememba energije povezana z enačbo, lahko zapišemo formulo za potencialno energijo telesa v gravitacijskem polju:
Ep = mgh
Za razliko od kinetične energije E k potencial E str ima lahko negativno vrednost, ko h<0 (na primer telo, ki leži na dnu vodnjaka).
Druga vrsta mehanske potencialne energije je deformacijska energija. Stisnjen na razdaljo x vzmet s togostjo k ima potencialno energijo (deformacijsko energijo):
E p = 1/2 kx 2
Energija napetosti je našla široko uporabo v praksi (igrače), v tehnologiji - avtomati, releji in drugi.
E = E p + E k
Skupna mehanska energija telesa imenujemo vsota energij: kinetične in potencialne.
Zakon o ohranitvi mehanske energije
Nekateri najnatančnejši poskusi, ki sta jih sredi 19. stoletja izvedla angleški fizik Joule in nemški fizik Mayer, so pokazali, da količina energije v zaprtih sistemih ostaja nespremenjena. Le prehaja iz enega telesa v drugega. Te študije so pomagale odkriti zakon o ohranitvi energije:
Celotna mehanska energija izoliranega sistema teles ostane konstantna med kakršnimi koli interakcijami teles med seboj.
Za razliko od impulza, ki nima ekvivalentne oblike, ima energija veliko oblik: mehansko, toplotno, energijo molekularnega gibanja, električno energijo s silami interakcije naboja in druge. Ena oblika energije se lahko pretvori v drugo, na primer kinetična energija se pretvori v toplotno energijo med zaviranjem avtomobila. Če ni trenja in se ne proizvaja toplota, se celotna mehanska energija ne izgubi, ampak ostane konstantna v procesu gibanja ali interakcije teles:
E = E p + E k = konst
Ko deluje sila trenja med telesi, pride do zmanjšanja mehanske energije, vendar se tudi v tem primeru ne izgubi brez sledu, ampak se spremeni v toplotno (notranjo). Če zunanja sila opravlja delo na zaprt sistem, se mehanska energija poveča za količino dela, ki ga ta sila opravi. Če zaprt sistem opravlja delo na zunanjih telesih, se mehanska energija sistema zmanjša za količino dela, ki ga opravi.
Vsako vrsto energije je mogoče v celoti pretvoriti v katero koli drugo vrsto energije.
Nalaganje...
