Cum să găsiți energia cinetică a unei formule corporale. Cum se calculează energia de legare

Informații teoretice de bază

Lucrări mecanice

Caracteristicile energetice ale mișcării sunt introduse pe baza conceptului muncă mecanică sau muncă de forță. Munca efectuată de o forță constantă F, este o mărime fizică egală cu produsul dintre forța și modulul de deplasare înmulțit cu cosinusul unghiului dintre vectorii forței Fși mișcări S:

Munca este o mărime scalară. Poate fi fie pozitiv (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). La α = 90° munca efectuată de forță este zero. În sistemul SI, munca este măsurată în jouli (J). Un joule este egal cu munca efectuată de o forță de 1 newton pentru a se deplasa cu 1 metru în direcția forței.

Dacă forța se schimbă în timp, atunci pentru a găsi munca, construiți un grafic al forței în funcție de deplasare și găsiți aria figurii de sub grafic - aceasta este munca:

Un exemplu de forță al cărei modul depinde de coordonată (deplasare) este forța elastică a unui arc, care respectă legea lui Hooke ( F control = kx).

Putere

Lucrul efectuat de o forță pe unitatea de timp se numește putere. Putere P(uneori notat cu litera N) – mărime fizică egală cu raportul de lucru O la o perioadă de timp t timp in care s-a finalizat aceasta lucrare:

Această formulă calculează putere medie, adică putere care caracterizează în general procesul. Deci, munca poate fi exprimată și în termeni de putere: O = Pt(dacă, desigur, se cunosc puterea și timpul de a face lucrarea). Unitatea de putere se numește watt (W) sau 1 joule pe secundă. Dacă mișcarea este uniformă, atunci:

Folosind această formulă putem calcula putere instantanee(putere la un moment dat), dacă în loc de viteză înlocuim valoarea vitezei instantanee în formulă. De unde știi ce putere să numere? Dacă problema cere putere la un moment dat în timp sau la un moment dat în spațiu, atunci este considerată instantanee. Dacă întreabă despre puterea pe o anumită perioadă de timp sau pe o parte a traseului, atunci caută puterea medie.

Eficiență – factor de eficiență, este egal cu raportul dintre munca utilă și cheltuită sau puterea utilă și cheltuită:

Ce muncă este utilă și care este irosită este determinată din condițiile unei sarcini specifice prin raționament logic. De exemplu, dacă o macara face munca de a ridica o încărcătură la o anumită înălțime, atunci munca utilă va fi munca de ridicare a sarcinii (deoarece în acest scop a fost creată macaraua), iar munca cheltuită va fi munca efectuată de motorul electric al macaralei.

Deci, puterea utilă și consumată nu au o definiție strictă și sunt găsite prin raționament logic. În fiecare sarcină, noi înșine trebuie să stabilim care a fost în această sarcină scopul de a face munca (muncă utilă sau putere) și care a fost mecanismul sau modalitatea de a face toată munca (putere cheltuită sau muncă).

În general, eficiența arată cât de eficient un mecanism convertește un tip de energie în altul. Dacă puterea se modifică în timp, atunci munca se găsește ca aria figurii sub graficul puterii în funcție de timp:

Energia cinetică

Se numește o mărime fizică egală cu jumătate din produsul masei unui corp și pătratul vitezei acestuia energia cinetică a corpului (energia mișcării):

Adică, dacă o mașină care cântărește 2000 kg se mișcă cu o viteză de 10 m/s, atunci are energie cinetică egală cu E k = 100 kJ și este capabil să facă 100 kJ de lucru. Această energie poate fi transformată în căldură (atunci când o mașină frânează, cauciucul roților, drumul și discurile de frână se încălzesc) sau poate fi cheltuită pentru deformarea mașinii și a caroseriei cu care mașina s-a ciocnit (într-un accident). Când se calculează energia cinetică, nu contează unde se mișcă mașina, deoarece energia, ca și munca, este o mărime scalară.

Un corp are energie dacă poate lucra. De exemplu, un corp în mișcare are energie cinetică, adică energie de mișcare și este capabil să lucreze pentru a deforma corpurile sau pentru a oferi accelerație corpurilor cu care are loc o coliziune.

Semnificația fizică a energiei cinetice: pentru un corp în repaus cu o masă m a început să se miște cu viteză v este necesar să se facă un lucru egal cu valoarea obținută a energiei cinetice. Dacă corpul are o masă m se mișcă cu viteză v, apoi pentru a o opri este necesar să faceți un lucru egal cu energia sa cinetică inițială. La frânare, energia cinetică este în principal (cu excepția cazurilor de impact, când energia trece la deformare) „înlăturată” de forța de frecare.

Teorema energiei cinetice: munca efectuată de forța rezultantă este egală cu modificarea energiei cinetice a corpului:

Teorema energiei cinetice este valabilă și în cazul general, când un corp se mișcă sub influența unei forțe în schimbare, a cărei direcție nu coincide cu direcția de mișcare. Este convenabil să se aplice această teoremă în problemele care implică accelerarea și decelerația unui corp.

Energia potențială

Alături de energia cinetică sau energia de mișcare, conceptul joacă un rol important în fizică energia potenţială sau energia de interacţiune a corpurilor.

Energia potențială este determinată de poziția relativă a corpurilor (de exemplu, poziția corpului față de suprafața Pământului). Conceptul de energie potențială poate fi introdus doar pentru forțele a căror activitate nu depinde de traiectoria corpului și este determinată doar de pozițiile inițiale și finale (așa-numitele forțe conservatoare). Munca efectuată de astfel de forțe pe o traiectorie închisă este zero. Această proprietate este deținută de gravitație și forță elastică. Pentru aceste forțe putem introduce conceptul de energie potențială.

Energia potențială a unui corp în câmpul gravitațional al Pământului calculat prin formula:

Semnificația fizică a energiei potențiale a unui corp: energia potențială este egală cu munca efectuată de gravitație la coborârea corpului la nivelul zero ( h– distanța de la centrul de greutate al corpului până la nivelul zero). Dacă un corp are energie potențială, atunci este capabil să lucreze atunci când acest corp cade de la înălțime h la nivelul zero. Lucrul efectuat de gravitație este egal cu modificarea energiei potențiale a corpului, luată cu semnul opus:

Adesea, în problemele energetice, trebuie să găsim munca de a ridica (întoarcerea, ieșirea dintr-o gaură) a corpului. În toate aceste cazuri, este necesar să se ia în considerare mișcarea nu a corpului în sine, ci doar a centrului său de greutate.

Energia potențială Ep depinde de alegerea nivelului zero, adică de alegerea originii axei OY. În fiecare problemă, nivelul zero este ales din motive de comoditate. Ceea ce are o semnificație fizică nu este energia potențială în sine, ci schimbarea acesteia atunci când un corp trece dintr-o poziție în alta. Această modificare este independentă de alegerea nivelului zero.

Energia potențială a unui arc întins calculat prin formula:

Unde: k– rigiditatea arcului. Un arc extins (sau comprimat) poate pune în mișcare un corp atașat de el, adică poate conferi energie cinetică acestui corp. În consecință, un astfel de izvor are o rezervă de energie. Tensiune sau compresie X trebuie calculată din starea neformată a corpului.

Energia potențială a unui corp deformat elastic este egală cu munca efectuată de forța elastică în timpul trecerii de la o stare dată la o stare cu deformare zero. Dacă în starea inițială arcul era deja deformat, iar alungirea lui a fost egală cu x 1, apoi la trecerea la o nouă stare cu alungire x 2, forța elastică va face un lucru egal cu modificarea energiei potențiale, luată cu semnul opus (deoarece forța elastică este întotdeauna îndreptată împotriva deformării corpului):

Energia potențială în timpul deformării elastice este energia de interacțiune a părților individuale ale corpului între ele prin forțe elastice.

Lucrul forței de frecare depinde de calea parcursă (acest tip de forță, al cărei lucru depinde de traiectorie și calea parcursă se numește: forțe disipative). Conceptul de energie potențială pentru forța de frecare nu poate fi introdus.

Eficienţă

Factorul de eficiență (eficiență)– caracteristică eficienței unui sistem (dispozitiv, mașină) în raport cu conversia sau transmiterea energiei. Este determinată de raportul dintre energia utilizată util și cantitatea totală de energie primită de sistem (formula a fost deja dată mai sus).

Eficiența poate fi calculată atât prin muncă, cât și prin putere. Munca (puterea) utilă și cheltuită este întotdeauna determinată de un raționament logic simplu.

La motoarele electrice, randamentul este raportul dintre munca mecanica efectuata (utila) si energia electrica primita de la sursa. În motoarele termice, raportul dintre munca mecanică utilă și cantitatea de căldură consumată. În transformatoarele electrice, raportul dintre energia electromagnetică primită în înfășurarea secundară și energia consumată de înfășurarea primară.

Datorită generalității sale, conceptul de eficiență face posibilă compararea și evaluarea dintr-un punct de vedere unitar atât de diferite sisteme precum reactoare nucleare, generatoare și motoare electrice, centrale termice, dispozitive semiconductoare, obiecte biologice etc.

Din cauza pierderilor de energie inevitabile datorate frecării, încălzirii corpurilor înconjurătoare etc. Eficiența este întotdeauna mai mică decât unitate.În consecință, eficiența este exprimată ca o fracțiune din energia cheltuită, adică ca o fracție proprie sau ca procent, și este o cantitate adimensională. Eficiența caracterizează cât de eficient funcționează o mașină sau un mecanism. Eficiența centralelor termice ajunge la 35-40%, motoarele cu ardere internă cu supraalimentare și prerăcire - 40-50%, dinamuri și generatoare de mare putere - 95%, transformatoare - 98%.

O sarcină în care trebuie să găsești eficiența sau se știe, trebuie să începi cu un raționament logic - care muncă este utilă și care este irosită.

Legea conservării energiei mecanice

Energie mecanică totală se numește suma energiei cinetice (adică energia mișcării) și potențialului (adică energia interacțiunii corpurilor prin forțele gravitației și elasticității):

Dacă energia mecanică nu se transformă în alte forme, de exemplu, în energie internă (termică), atunci suma energiei cinetice și potențiale rămâne neschimbată. Dacă energia mecanică se transformă în energie termică, atunci modificarea energiei mecanice este egală cu munca forței de frecare sau pierderile de energie, sau cantitatea de căldură eliberată și așa mai departe, cu alte cuvinte, modificarea energiei mecanice totale este egală. la munca forțelor externe:

Suma energiei cinetice și potențiale a corpurilor care alcătuiesc un sistem închis (adică unul în care nu acționează forțe externe, iar munca lor este în mod corespunzător zero) și forțele gravitaționale și elastice care interacționează între ele rămâne neschimbată:

Această afirmație exprimă legea conservării energiei (LEC) în procesele mecanice. Este o consecință a legilor lui Newton. Legea conservării energiei mecanice este îndeplinită numai atunci când corpurile dintr-un sistem închis interacționează între ele prin forțe de elasticitate și gravitație. În toate problemele legate de legea conservării energiei vor exista întotdeauna cel puțin două stări ale unui sistem de corpuri. Legea prevede că energia totală a primei stări va fi egală cu energia totală a celei de-a doua stări.

Algoritm pentru rezolvarea problemelor cu privire la legea conservării energiei:

1. Găsiți punctele poziției inițiale și finale ale corpului.
2. Scrieți ce sau ce energii are corpul în aceste puncte.
3. Echivalează energia inițială și cea finală a corpului.
4. Adăugați alte ecuații necesare din subiectele anterioare de fizică.
5. Rezolvați ecuația rezultată sau sistemul de ecuații folosind metode matematice.

Este important de menționat că legea conservării energiei mecanice a făcut posibilă obținerea unei relații între coordonatele și vitezele unui corp în două puncte diferite ale traiectoriei fără a analiza legea mișcării corpului în toate punctele intermediare. Aplicarea legii conservării energiei mecanice poate simplifica foarte mult rezolvarea multor probleme.

În condiții reale, corpurile în mișcare sunt aproape întotdeauna acționate, împreună cu forțele gravitaționale, forțele elastice și alte forțe, de forțe de frecare sau forțe de rezistență a mediului. Munca efectuată de forța de frecare depinde de lungimea traseului.

Dacă forțele de frecare acționează între corpurile care alcătuiesc un sistem închis, atunci energia mecanică nu este conservată. O parte din energia mecanică este transformată în energie internă a corpurilor (încălzire). Astfel, energia în ansamblu (adică nu numai mecanică) este conservată în orice caz.

În timpul oricărei interacțiuni fizice, energia nu apare și nici nu dispare. Se schimbă doar de la o formă la alta. Acest fapt stabilit experimental exprimă o lege fundamentală a naturii -.

legea conservării și transformării energiei

Una dintre consecințele legii conservării și transformării energiei este afirmația despre imposibilitatea creării unei „mașini cu mișcare perpetuă” (perpetuum mobile) - o mașină care ar putea lucra la nesfârșit fără a consuma energie.

Diverse sarcini pentru muncă

1. Dacă problema necesită găsirea unei lucrări mecanice, atunci selectați mai întâi o metodă pentru a o găsi: O = Un loc de muncă poate fi găsit folosind formula: FS α ∙cos
2. . Găsiți forța care efectuează lucrul și cantitatea de deplasare a corpului sub influența acestei forțe în cadrul de referință ales. Rețineți că unghiul trebuie ales între vectorii forță și deplasare.
3. Lucrarea unei forțe externe poate fi găsită ca diferență de energie mecanică în situațiile finale și inițiale. Energia mecanică este egală cu suma energiilor cinetice și potențiale ale corpului. O = Munca făcută pentru a ridica un corp cu o viteză constantă poate fi găsită folosind formula: mgh h, Unde - inaltimea la care se ridica.
4. centrul de greutate al corpului O = Pt.
5. Munca poate fi găsită ca produs al puterii și timpului, adică. dupa formula:

Lucrarea poate fi găsită ca aria figurii sub graficul forței față de deplasare sau puterii față de timp.

Legea conservării energiei și dinamica mișcării de rotație

1. Problemele acestui subiect sunt destul de complexe din punct de vedere matematic, dar dacă cunoașteți abordarea, ele pot fi rezolvate folosind un algoritm complet standard. În toate problemele va trebui să luați în considerare rotația corpului în plan vertical. Soluția se va reduce la următoarea secvență de acțiuni:
2. Trebuie să determinați punctul de care sunteți interesat (punctul în care trebuie să determinați viteza corpului, forța de tensionare a firului, greutatea și așa mai departe).
3. Notează a doua lege a lui Newton în acest punct, ținând cont de faptul că corpul se rotește, adică are accelerație centripetă.
4. În funcție de condiție, exprimați viteza la pătrat dintr-o ecuație și înlocuiți-o în cealaltă.
5. Efectuați restul operațiilor matematice necesare pentru a obține rezultatul final.

Când rezolvați probleme, trebuie să rețineți că:

• Condiția pentru depășirea punctului de sus atunci când se rotește pe un filet la o viteză minimă este forța de reacție a suportului N la punctul de sus este 0. Aceeași condiție este îndeplinită la trecerea punctului de sus al buclei moarte.
• Când se rotește pe o tijă, condiția pentru trecerea întregului cerc este: viteza minimă în punctul de sus este 0.
• Condiția pentru separarea unui corp de suprafața sferei este ca forța de reacție a suportului în punctul de separare să fie zero.

Ciocniri inelastice

Legea conservării energiei mecanice și legea conservării impulsului fac posibilă găsirea de soluții la problemele mecanice în cazurile în care forțele care acționează sunt necunoscute. Un exemplu de acest tip de problemă este interacțiunea de impact a corpurilor.

Prin impact (sau coliziune) Se obișnuiește să se numească o interacțiune pe termen scurt a corpurilor, în urma căreia vitezele lor experimentează schimbări semnificative. În timpul unei coliziuni de corpuri, între ele acționează forțe de impact pe termen scurt, a căror magnitudine, de regulă, este necunoscută. Prin urmare, este imposibil să se ia în considerare interacțiunea impact direct folosind legile lui Newton. Aplicarea legilor de conservare a energiei și a impulsului face posibilă excluderea în sine a procesului de coliziune din considerare și obținerea unei legături între vitezele corpurilor înainte și după ciocnire, ocolind toate valorile intermediare ale acestor cantități.

De multe ori trebuie să ne confruntăm cu impactul interacțiunii corpurilor în viața de zi cu zi, în tehnologie și în fizică (în special în fizica atomului și a particulelor elementare). În mecanică, sunt adesea folosite două modele de interacțiune a impactului - impacturi absolut elastice și absolut inelastice.

Impact absolut inelastic numită o astfel de interacțiune de impact în care corpurile se conectează (se lipesc împreună) unele cu altele și se deplasează mai departe ca un singur corp.

Într-o coliziune complet inelastică, energia mecanică nu este conservată. Se transformă parțial sau complet în energia internă a corpurilor (încălzire). Pentru a descrie orice impact, trebuie să scrieți atât legea conservării impulsului, cât și legea conservării energiei mecanice, ținând cont de căldura degajată (este foarte recomandabil să faceți mai întâi un desen).

Impact absolut elastic

Impact absolut elastic numită ciocnire în care se conservă energia mecanică a unui sistem de corpuri. În multe cazuri, ciocnirile de atomi, molecule și particule elementare respectă legile impactului absolut elastic. Cu un impact absolut elastic, împreună cu legea conservării impulsului, legea conservării energiei mecanice este îndeplinită. Un exemplu simplu de coliziune perfect elastică ar fi impactul central a două bile de biliard, dintre care una era în repaus înainte de coliziune.

Grevă centrală bile se numește o coliziune în care vitezele bilelor înainte și după impact sunt direcționate de-a lungul liniei de centre. Astfel, folosind legile de conservare a energiei mecanice și a impulsului, este posibil să se determine vitezele bilelor după o coliziune dacă sunt cunoscute vitezele lor înainte de coliziune. Impactul central este foarte rar implementat în practică, mai ales când vine vorba de ciocniri de atomi sau molecule. Într-o coliziune elastică non-centrală, vitezele particulelor (bilelor) înainte și după ciocnire nu sunt direcționate într-o singură linie dreaptă.

Un caz special de impact elastic în afara centrului poate fi ciocnirea a două bile de biliard de aceeași masă, dintre care una era nemișcată înainte de ciocnire, iar viteza celei de-a doua nu a fost direcționată de-a lungul liniei centrelor bilelor. . În acest caz, vectorii viteză ai bilelor după o coliziune elastică sunt întotdeauna direcționați perpendicular unul pe celălalt.

Legile de conservare. Sarcini complexe

Corpuri multiple

În unele probleme privind legea conservării energiei, cablurile cu care sunt deplasate anumite obiecte pot avea masă (adică să nu fie lipsite de greutate, așa cum s-ar putea să fii deja obișnuit). În acest caz, trebuie luată în considerare și munca de deplasare a unor astfel de cabluri (și anume centrele lor de greutate).

Dacă două corpuri legate printr-o tijă fără greutate se rotesc într-un plan vertical, atunci:

1. alegeți un nivel zero pentru a calcula energia potențială, de exemplu la nivelul axei de rotație sau la nivelul celui mai jos punct al uneia dintre greutăți și asigurați-vă că faceți un desen;
2. notează legea conservării energiei mecanice, în care în partea stângă scriem suma energiei cinetice și potențiale a ambelor corpuri în situația inițială, iar în partea dreaptă scriem suma energiei cinetice și potențiale a ambele organe în situația finală;
3. luați în considerare că vitezele unghiulare ale corpurilor sunt aceleași, atunci vitezele liniare ale corpurilor sunt proporționale cu razele de rotație;
4. dacă este necesar, notați a doua lege a lui Newton pentru fiecare dintre corpuri separat.

Shell a izbucnit

Când un proiectil explodează, se eliberează energie explozivă. Pentru a găsi această energie, este necesar să se scadă energia mecanică a proiectilului înainte de explozie din suma energiilor mecanice ale fragmentelor după explozie. Vom folosi și legea conservării impulsului, scrisă sub forma teoremei cosinusului (metoda vectorială) sau sub formă de proiecții pe axele selectate.

Ciocniri cu o placă grea

Să întâlnim o farfurie grea care se mișcă cu viteză v, o minge ușoară de masă se mișcă mîn viteză u n. Deoarece impulsul mingii este mult mai mic decât impulsul plăcii, după impact viteza plăcii nu se va schimba și va continua să se miște cu aceeași viteză și în aceeași direcție. Ca urmare a impactului elastic, mingea va zbura departe de placă. Este important să înțelegeți aici că viteza mingii în raport cu placa nu se va modifica. În acest caz, pentru viteza finală a mingii obținem:

Astfel, viteza mingii după impact crește de două ori viteza peretelui. Raționament similar pentru cazul în care înainte de impact mingea și placa se mișcau în aceeași direcție duce la rezultatul că viteza mingii scade de două ori viteza peretelui:

În fizică și matematică, printre altele, trebuie îndeplinite trei condiții cele mai importante:

1. Studiați toate subiectele și finalizați toate testele și sarcinile oferite în materialele educaționale de pe acest site. Pentru a face acest lucru, nu aveți nevoie de nimic, și anume: dedicați trei până la patru ore în fiecare zi pregătirii pentru CT la fizică și matematică, studierii teoriei și rezolvării problemelor. Cert este că CT este un examen în care nu este suficient doar să cunoști fizica sau matematică, trebuie și să poți rezolva rapid și fără eșecuri un număr mare de probleme pe teme diferite și de complexitate variată. Acesta din urmă poate fi învățat doar prin rezolvarea a mii de probleme.
2. Învață toate formulele și legile din fizică și formulele și metodele din matematică. De fapt, acest lucru este și foarte simplu de făcut, există doar aproximativ 200 de formule necesare în fizică și chiar puțin mai puțin în matematică. La fiecare dintre aceste materii există aproximativ o duzină de metode standard de rezolvare a problemelor de un nivel de complexitate de bază, care pot fi, de asemenea, învățate, și astfel, complet automat și fără dificultate rezolvarea majorității CT la momentul potrivit. După aceasta, va trebui să te gândești doar la cele mai dificile sarcini.
3. Participați la toate cele trei etape ale testării de repetiții la fizică și matematică. Fiecare RT poate fi vizitat de două ori pentru a decide asupra ambelor opțiuni. Din nou, pe CT, pe lângă capacitatea de a rezolva rapid și eficient probleme și cunoașterea formulelor și metodelor, trebuie să fiți capabil să planificați corect timpul, să distribuiți forțele și, cel mai important, să completați corect formularul de răspuns, fără confuzând numărul de răspunsuri și probleme sau propriul nume de familie. De asemenea, în timpul RT, este important să te obișnuiești cu stilul de a pune întrebări în probleme, care poate părea foarte neobișnuit pentru o persoană nepregătită de la DT.

Implementarea cu succes, diligentă și responsabilă a acestor trei puncte vă va permite să arătați un rezultat excelent la CT, maximul de care sunteți capabil.

Ați găsit o greșeală?

Dacă credeți că ați găsit o eroare în materialele de instruire, vă rugăm să scrieți despre aceasta pe e-mail. De asemenea, puteți raporta o eroare pe rețeaua de socializare (). În scrisoare, indicați subiectul (fizică sau matematică), numele sau numărul subiectului sau testului, numărul problemei sau locul din text (pagină) în care, în opinia dumneavoastră, există o eroare. De asemenea, descrieți care este eroarea suspectată. Scrisoarea ta nu va trece neobservată, eroarea fie va fi corectată, fie îți vor explica de ce nu este o eroare.

Pentru a crește distanța unui corp față de centrul Pământului (ridicarea corpului), trebuie să se lucreze asupra lui. Acest lucru împotriva gravitației este stocat sub formă de energie potențială a corpului.

Pentru a înțelege ce este energie potenţială corp, vom găsi munca făcută de gravitație atunci când deplasăm un corp de masă m vertical în jos de la o înălțime deasupra suprafeței Pământului la o înălțime .

Dacă diferența este neglijabilă în comparație cu distanța până la centrul Pământului, atunci forța gravitațională în timpul mișcării corpului poate fi considerată constantă și egală cu mg.

Deoarece deplasarea coincide în direcție cu vectorul gravitațional, se dovedește că munca gravitațională este egală cu

Din ultima formulă este clar că munca gravitației la transferul unui punct material de masă m în câmpul gravitațional al Pământului este egală cu diferența dintre două valori ale unei anumite cantități mgh. Deoarece munca este o măsură a schimbării energiei, partea dreaptă a formulei conține diferența dintre cele două valori energetice ale acestui corp. Aceasta înseamnă că valoarea mgh reprezintă energia datorată poziției corpului în câmpul gravitațional al Pământului.

Energia cauzată de poziția relativă a corpurilor care interacționează (sau părți ale unui corp) se numește potenţialși notat cu Wp. Prin urmare, pentru un corp situat în câmpul gravitațional al Pământului,

Munca făcută de gravitație este egală cu schimbarea energia potenţială a corpului, luat cu semnul opus.

Munca gravitației nu depinde de traiectoria corpului și este întotdeauna egală cu produsul dintre modulul gravitațional și diferența de înălțimi în pozițiile inițiale și finale.

Sens energie potenţială a unui corp ridicat deasupra Pământului depinde de alegerea nivelului zero, adică de înălțimea la care se presupune că energia potențială este zero. De obicei, se presupune că energia potențială a unui corp de pe suprafața Pământului este zero.

Cu această alegere a nivelului zero energia potenţială a corpului, situat la o înălțime h deasupra suprafeței Pământului, este egal cu produsul dintre masa corpului prin modulul de accelerație gravitațională și distanța sa față de suprafața Pământului:

Din toate cele de mai sus, putem concluziona: energia potenţială a unui corp depinde doar de două mărimi, și anume: din masa corpului însuși și înălțimea la care este ridicat acest corp. Traiectoria unui corp nu afectează în niciun fel energia potențială.

O mărime fizică egală cu jumătate din produsul rigidității unui corp cu pătratul deformării acestuia se numește energia potențială a unui corp deformat elastic:

Energia potențială a unui corp deformat elastic este egală cu munca efectuată de forța elastică atunci când corpul trece la o stare în care deformația este zero.

Exista si:

Energia cinetică

În formula pe care am folosit-o.

Lumea din jurul nostru este în continuă mișcare. Orice corp (obiect) este capabil să efectueze o anumită muncă, chiar dacă este în repaus. Dar pentru a finaliza orice proces este necesar depune ceva efort, uneori considerabile.

Tradus din greacă, acest termen înseamnă „activitate”, „putere”, „putere”. Toate procesele de pe Pământ și din afara planetei noastre au loc datorită acestei forțe pe care o posedă obiectele, corpurile, obiectele din jur.

Printre varietatea mare, există mai multe tipuri principale ale acestei forțe, care diferă în primul rând în sursele lor:

• mecanic - acest tip este tipic pentru corpurile care se deplasează într-un plan vertical, orizontal sau alt plan;
• termic - eliberat ca urmare molecule dezordonateîn substanțe;
• – sursa de acest tip este mișcarea particulelor încărcate în conductori și semiconductori;
• lumină - purtătorul ei sunt particule de lumină - fotoni;
• nuclear - apare ca urmare a fisiunii spontane în lanț a nucleelor ​​atomilor elementelor grele.

Acest articol va vorbi despre ce este forța mecanică a obiectelor, în ce constă, de ce depinde și cum se transformă în timpul diferitelor procese.

Datorită acestui tip, obiectele și corpurile pot fi în mișcare sau în repaus. Posibilitatea unei astfel de activități explicată prin prezenţă doua componente principale:

• cinetic (Ek);
• potenţial (Ep).

Este suma energiilor cinetice și potențiale care determină indicatorul numeric general al întregului sistem. Acum să vorbim despre ce formule sunt folosite pentru a calcula fiecare dintre ele și despre cum se măsoară energia.

Cum se calculează energia

Energia cinetică este o caracteristică a oricărui sistem care este în mișcare. Dar cum să găsești energia cinetică?

Acest lucru nu este dificil de făcut, deoarece formula de calcul pentru energia cinetică este foarte simplă:

Valoarea specifică este determinată de doi parametri principali: viteza de mișcare a corpului (V) și masa acestuia (m). Cu cât sunt mai mari caracteristicile, cu atât este mai mare semnificația fenomenului descris pe care sistemul îl are.

Dar dacă obiectul nu se mișcă (adică v = 0), atunci energia cinetică este zero.

Energia potențială – Aceasta este o caracteristică care depinde de pozitiile si coordonatele corpurilor.

Orice corp este supus gravitației și forțelor elastice. Această interacțiune a obiectelor între ele este observată peste tot, astfel încât corpurile sunt în mișcare constantă și își schimbă coordonatele.

S-a stabilit că, cu cât un obiect este mai sus de suprafața pământului, cu atât este mai mare masa lui, cu atât este mai mare indicatorul acestui dimensiunea pe care o are.

Astfel, energia potențială depinde de masă (m), înălțime (h). Valoarea lui g este accelerația gravitației, egală cu 9,81 m/sec2. Funcția pentru calcularea valorii sale cantitative arată astfel:

Unitatea de măsură a acestei mărimi fizice în sistemul SI este joule (1 J). Aceasta este exact câtă forță este necesară pentru a deplasa un corp cu 1 metru, în timp ce se aplică o forță de 1 newton.

Important! Joule ca unitate de măsură a fost aprobat la Congresul Internațional al Electricienilor, care a avut loc în 1889. Până în acest moment, standardul de măsurare a fost Unitatea termică britanică BTU, care este utilizată în prezent pentru determinarea puterii instalațiilor de încălzire.

Bazele conservării și conversiei

Din elementele de bază ale fizicii se știe că forța totală a oricărui obiect, indiferent de timpul și locul șederii acestuia, rămâne întotdeauna o valoare constantă doar componentele sale constante (Ep) și (Ek) sunt transformate;

Conversia energiei potențiale în energie cineticăși invers are loc în anumite condiții.

De exemplu, dacă un obiect nu se mișcă, atunci energia sa cinetică este zero doar o componentă potențială va fi prezentă în starea sa.

În schimb, care este energia potențială a unui obiect, de exemplu, atunci când acesta se află pe o suprafață (h=0)? Desigur, este zero, iar E-ul corpului va consta doar din componenta sa Ek.

Dar energia potențială este putere de conducere. Odată ce sistemul se ridică la o anumită înălțime, atunci ce Ep-ul său va începe imediat să crească, iar Ek va scădea în mod corespunzător cu aceeași cantitate. Acest model este vizibil în formulele de mai sus (1) și (2).

Pentru claritate, să dăm un exemplu cu o piatră sau o minge aruncată. În timpul zborului, fiecare dintre ele are atât un potențial, cât și o componentă cinetică. Dacă unul crește, celălalt scade cu aceeași cantitate.

Zborul în sus al obiectelor continuă doar atâta timp cât rezerva și puterea componentei de mișcare Ek sunt suficiente. Imediat ce se epuizează, începe căderea.

Dar nu este greu de ghicit care este energia potențială a obiectelor în punctul cel mai înalt, este maxim.

Când cad, se întâmplă invers. Când atingeți solul, nivelul de energie cinetică este la maxim.

Efectul acestei legi se observă nu numai în viața obișnuită, ci și în teoriile științifice. Pe scurt despre unul dintre ei.

Deoarece nu există nicio interacțiune între numeroasele particule ale unui gaz ideal, componenta potențială a fenomenului descris de molecule constant zero. Aceasta înseamnă că întreaga forță internă a particulelor de gaz ideal este definită ca forța cinetică medie și este calculată folosind formula de mai sus (1).

Atenţie!În zilele noastre, pe birouri puteți vedea un suvenir numit „pendul”. Acest dispozitiv demonstrează perfect procesul de conversie. Dacă bila cea mai exterioară este mutată în lateral și apoi eliberată, după ciocnire, aceasta își transferă sarcina de energie către următoarea bilă, iar cea vecină.

Tipuri de energie în fizică

Energii cinetice și potențiale, formule

Concluzie

Oamenii de știință au dat de mult un răspuns la întrebarea, de exemplu, cum să găsești energia cinetică. Deja la mijlocul secolului al XIX-lea. Mecanicul englez William Thomson a folosit definiția „cinetică” în experimentele sale. Dar viața modernă ne-a forțat să efectuăm cercetări aprofundate asupra transformării unei specii în alta.

Energia de legare este un concept important în chimie. Determină cantitatea de energie necesară pentru a rupe o legătură covalentă între doi atomi de gaz. Acest concept nu este aplicabil legăturilor ionice. Când doi atomi se combină pentru a forma o moleculă, puteți determina cât de puternică este legătura dintre ei - doar găsiți energia care trebuie cheltuită pentru a rupe această legătură. Amintiți-vă că un singur atom nu are energie de legare, această energie caracterizează puterea legăturii dintre doi atomi dintr-o moleculă. Pentru a calcula energia de legare pentru orice reacție chimică, pur și simplu determinați numărul total de legături rupte și scădeți numărul de legături formate din aceasta.

Pași

Partea 1

Identificați conexiunile întrerupte și formate

Scrieți o ecuație pentru a calcula energia de legătură. Prin definiție, energia de legare este suma legăturilor rupte minus suma legăturilor formate: ΔH = ∑H (legături rupte) - ∑H (legături formate). ΔH desemnează modificarea energiei de legare, numită și entalpie de legare, iar ∑H corespunde sumei energiilor de legare pentru ambele părți ale ecuației reacției chimice.

Notați ecuația chimică și indicați toate conexiunile dintre elementele individuale. Dacă o ecuație de reacție este dată sub formă de simboluri chimice și numere, este util să o rescrieți și să indicați toate legăturile dintre atomi. Această notație vizuală vă va permite să numărați cu ușurință legăturile care sunt rupte și formate în timpul unei anumite reacții.

Învață regulile de numărare a legăturilor rupte și formate.În cele mai multe cazuri, calculele folosesc energii medii de legare. Aceeași legătură poate avea energii ușor diferite în funcție de moleculă particulară, așa că de obicei se folosesc energii medii de legătură. .

• Ruperele legăturilor chimice simple, duble și triple sunt considerate ca o singură legătură ruptă. Deși aceste legături au energii diferite, în fiecare caz se consideră că o legătură este ruptă.
• Același lucru este valabil și pentru formarea unei legături simple, duble sau triple. Fiecare astfel de caz este considerat ca formarea unei noi conexiuni.
• În exemplul nostru, toate obligațiunile sunt simple.

1. Determinați ce legături sunt rupte în partea stângă a ecuației. Partea stângă a unei ecuații chimice conține reactanții și reprezintă toate legăturile care sunt rupte ca urmare a reacției. Acesta este un proces endotermic, ceea ce înseamnă că o anumită energie trebuie cheltuită pentru a rupe legăturile chimice.

   • În exemplul nostru, partea stângă a ecuației de reacție conține o legătură H-H și o legătură Br-Br.

2. Numărați numărul de legături formate în partea dreaptă a ecuației. Produșii de reacție sunt indicați în dreapta. Această parte a ecuației reprezintă toate legăturile care se formează ca rezultat al unei reacții chimice. Acesta este un proces exotermic și eliberează energie (de obicei sub formă de căldură).

   • În exemplul nostru, partea dreaptă a ecuației conține două legături H-Br.

Partea 2

Calculați energia de legare

1. Găsiți valorile necesare energiei de legătură. Există multe tabele care oferă valori de energie de legare pentru o mare varietate de compuși. Astfel de tabele pot fi găsite pe Internet sau într-o carte de referință de chimie. Trebuie amintit că energiile de legare sunt întotdeauna date pentru moleculele în stare gazoasă.

   Înmulțiți valorile energiei legăturilor cu numărul de legături rupte.Într-un număr de reacții, o legătură poate fi ruptă de mai multe ori. De exemplu, dacă o moleculă este formată din 4 atomi de hidrogen, atunci energia de legare a hidrogenului trebuie luată în considerare de 4 ori, adică înmulțită cu 4.

   • În exemplul nostru, fiecare moleculă are o legătură, astfel încât valorile energiei legăturii sunt pur și simplu înmulțite cu 1.
   • H-H = 436 x 1 = 436 kJ/mol
   • Br-Br = 193 x 1 = 193 kJ/mol

2. Adaugă toate energiile legăturilor rupte. Odată ce înmulțiți energiile legăturilor cu numărul corespunzător de legături din partea stângă a ecuației, trebuie să găsiți totalul.

   • Să găsim energia totală a legăturilor rupte pentru exemplul nostru: H-H + Br-Br = 436 + 193 = 629 kJ/mol.

3. Înmulțiți valorile energiei de legare cu numărul de legături formate. Ca și în cazul legăturilor rupte din partea stângă a ecuației, ar trebui să luați energiile legăturilor din partea dreaptă a ecuației și să le înmulțiți cu numărul corespunzător al acelor legături.

Joule (J) este una dintre cele mai importante unități de măsură din Sistemul Internațional de Unități (SI). Joulii măsoară munca, energia și căldura. Pentru a prezenta rezultatul final în jouli, lucrați cu unități SI. Dacă în problemă sunt date alte unități de măsură, convertiți-le în unități din Sistemul internațional de unități.

Pași

Calculul muncii (J)

Conceptul de muncă în fizică. Dacă mutați cutia, veți face treaba. Dacă ridici cutia, vei face treaba. Pentru ca lucrarea sa fie finalizata, trebuie indeplinite doua conditii:

• Aplicați o forță constantă.
• Sub acțiunea unei forțe aplicate, corpul se mișcă în direcția forței.

1. Calculați munca. Pentru a face acest lucru, înmulțiți forța și distanța (cu care s-a mișcat corpul). În SI, forța se măsoară în newtoni și distanța în metri. Dacă utilizați aceste unități, munca efectuată va fi măsurată în jouli.

   Găsiți masa corpului. Este necesar să se calculeze forța care trebuie aplicată pentru a deplasa corpul. Să ne uităm la un exemplu: calculează munca depusă de un sportiv atunci când ridică (de la podea la piept) o mreană de 10 kg.

   • Dacă problema are unități de măsură nestandard, convertiți-le în unități SI.

2. Calculați forța. Forța = masa x accelerație. În exemplul nostru, luăm în considerare accelerația gravitației, care este egală cu 9,8 m/s 2 . Forța care trebuie aplicată pentru a deplasa mreana în sus este 10 (kg) x 9,8 (m/s2) = 98 kg∙m/s2 = 98 N.

   • Dacă corpul se mișcă într-un plan orizontal, nu țineți cont de accelerația datorată gravitației. Problema poate cere să calculați forța necesară pentru a depăși frecarea. Dacă este dată accelerația în problemă, pur și simplu înmulțiți-o cu masa dată a corpului.

3. Măsurați distanța parcursă. Pentru exemplul nostru, să presupunem că mreana este ridicată la o înălțime de 1,5 m (Dacă problema are unități de măsură nestandard, convertiți-le în unități SI.)

   Înmulțiți forța cu distanța. Pentru a ridica o mreană cu o greutate de 10 kg la o înălțime de 1,5 m, sportivul va face o muncă egală cu 98 x 1,5 = 147 J.

   Calculați munca efectuată când forța este îndreptată într-un unghi. Exemplul anterior a fost destul de simplu: direcțiile forței și mișcarea corpului coincid. Dar, în unele cazuri, forța este îndreptată într-un unghi față de direcția de mișcare. Luați în considerare un exemplu: calculați munca efectuată de un copil care trage o sanie pe o distanță de 25 m folosind o frânghie care are o abatere de la orizontală de 30º. În acest caz, lucru = forță x cosinus (θ) x distanță. Unghiul θ este unghiul dintre direcția forței și direcția mișcării.

   Aflați forța totală aplicată.În exemplul nostru, să presupunem că copilul aplică o forță de 10 N.

   • Dacă problema spune că forța este îndreptată în sus, sau spre dreapta/stânga, sau direcția ei coincide cu direcția de mișcare a corpului, atunci pentru a calcula munca, pur și simplu înmulțiți forța și distanța.

4. Calculați forța corespunzătoare.În exemplul nostru, doar o parte din forța totală trage sania înainte. Deoarece frânghia este îndreptată în sus (într-un unghi față de orizontală), o altă parte a forței totale încearcă să ridice sania. Prin urmare, calculați forța a cărei direcție coincide cu direcția de mișcare.

   • În exemplul nostru, unghiul θ (între sol și frânghie) este de 30º.
   • cosθ = cos30º = (√3)/2 = 0,866. Găsiți această valoare folosind un calculator; Setați unitatea de unghi în calculator la grade.
   • Înmulțiți forța totală cu cosθ. În exemplul nostru: 10 x 0,866 = 8,66 N este o forță a cărei direcție coincide cu direcția de mișcare.

5. Înmulțiți forța corespunzătoare cu distanța pentru a calcula munca.În exemplul nostru: 8,66 (N) x 20 (m) = 173,2 J.

   Calculul energiei (J) de la o putere dată (W)

   Calculul energiei cinetice (J)

   1. Energia cinetică este energia mișcării. Poate fi exprimat în jouli (J).

      • Energia cinetică este echivalentă cu munca efectuată pentru a accelera un corp staționar până la o anumită viteză. Atinsă o anumită viteză, energia cinetică a unui corp rămâne constantă până când este transformată în căldură (din frecare), energie potențială gravitațională (când se mișcă împotriva gravitației) sau alte tipuri de energie.

   2. Găsiți masa corpului. De exemplu, calculați energia cinetică a unei biciclete și a unui biciclist. Masa biciclistului este de 50 kg, iar masa bicicletei este de 20 kg, adică masa totală a corpului este de 70 kg (se consideră bicicleta și ciclistul ca un singur corp, deoarece se vor mișca în același direcție și cu aceeași viteză).

      Calculați viteza. Dacă viteza este dată în problemă, treceți la pasul următor; în caz contrar, calculați-l folosind una dintre metodele de mai jos. Rețineți că direcția vitezei poate fi neglijată aici; Mai mult, să presupunem că biciclistul circulă strict în linie dreaptă.

      • Dacă biciclistul a călătorit cu o viteză constantă (fără accelerație), măsurați distanța parcursă (m) și împărțiți-o la timpul (s) necesar pentru a parcurge acea distanță. Acest lucru vă va oferi o viteză medie.
      • Dacă biciclistul a accelerat, iar valoarea accelerației și direcția de mișcare nu s-au schimbat, atunci viteza la un moment dat t se calculează cu formula: accelerație x t + viteza inițială. Timpul se măsoară în secunde, viteza în m/s, accelerația în m/s 2.

   3. Înlocuiți valorile în formulă. Energia cinetică = (1/2)mv 2, unde m este masa, v este viteza. De exemplu, dacă viteza unui biciclist este de 15 m/s, atunci energia lui cinetică K = (1/2)(70 kg)(15 m/s) 2 = (1/2)(70 kg)(15 m /s)( 15 m/s) = 7875 kg∙m 2 /s 2 = 7875 N∙m = 7875 J

   Calculul cantității de căldură (J)

   Aflați masa corpului încălzit. Pentru a face acest lucru, utilizați o balanță sau o cântar cu arc. Dacă corpul este lichid, cântăriți mai întâi recipientul gol (în care turnați lichidul) pentru a-i găsi masa. După cântărirea lichidului, scădeți masa recipientului gol din valoarea rezultată pentru a găsi masa lichidului. De exemplu, luați în considerare apa cu o masă de 500 g.

   • Pentru ca un rezultat să fie măsurat în jouli, masa trebuie măsurată în grame.

   1. Găsiți capacitatea termică specifică a corpului. Poate fi găsit într-un manual de chimie, fizică sau pe Internet. Capacitatea termică specifică a apei este de 4,19 J/g.

      • Capacitatea termică specifică variază ușor în funcție de temperatură și presiune. De exemplu, unele surse dau capacitatea termică specifică a apei de 4,18 J/g (deoarece surse diferite aleg valori diferite pentru „temperatura de referință”).
      • Temperatura poate fi măsurată în Kelvin sau Celsius (deoarece diferența dintre cele două temperaturi va fi aceeași), dar nu și în Fahrenheit.

   2. Găsiți temperatura inițială a corpului. Dacă corpul este lichid, folosiți un termometru.

      Încălziți corpul și găsiți-i temperatura finală.În acest fel puteți afla cantitatea de căldură transferată corpului atunci când este încălzit.

      • Dacă doriți să aflați energia totală convertită în căldură, presupuneți că temperatura inițială a corpului este zero absolut (0 Kelvin sau -273,15 Celsius). Acest lucru nu se aplică de obicei.

   3. Scădeți temperatura inițială a corpului din temperatura finală pentru a găsi modificarea temperaturii corpului. De exemplu, apa este încălzită de la 15 grade Celsius la 35 de grade Celsius, adică schimbarea temperaturii apei este egală cu 20 de grade Celsius.

   4. Înmulțiți masa unui corp, capacitatea sa de căldură specifică și modificarea temperaturii corpului. Formula: H = mcΔT, unde ΔT este modificarea temperaturii. În exemplul nostru: 500 x 4,19 x 20 = 41.900 J

      • Cantitatea de căldură se măsoară uneori în calorii sau kilocalorii. Caloriile sunt cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura a 1 gram de apă cu 1 grad Celsius; kilocaloriile reprezintă cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura a 1 kg de apă cu 1 grad Celsius. În exemplul de mai sus, creșterea temperaturii a 500 g de apă cu 20 de grade Celsius ar necesita 10.000 de calorii sau 10 kcal.