Ce este energia potențială. Energie: energie potenţială şi cinetică

Pentru a pune orice corp în mișcare, o condiție prealabilă este operă de artă. În același timp, pentru a efectua această muncă este necesar să cheltuiți puțină energie.

Energia caracterizează organismul din punctul de vedere al capacității sale de a produce muncă. Unitatea de energie este Joule, prescurtat [J].

Energia totală a oricărui sistem mecanic este echivalentă cu suma energiei potențiale și cinetice. Prin urmare, se obișnuiește să se distingă energia potențială și cinetică ca tipuri de energie mecanică.

Dacă vorbim despre sisteme biomecanice, atunci energia totală a unor astfel de sisteme constă în plus din termică și energia proceselor metabolice.

În sistemele izolate de corpuri, când acţionează asupra lor numai gravitaţia şi elasticitatea, valoarea energiei totale este neschimbată. Această afirmație este legea conservării energiei.

Care sunt ambele tipuri de energie mecanică?

Despre energia potențială

Energia potențială este energia determinată de poziția relativă a corpurilor sau a componentelor acestor corpuri care interacționează între ele. Cu alte cuvinte, această energie este determinată distanța dintre corpuri.

De exemplu, atunci când un corp cade și pune în mișcare corpurile înconjurătoare pe traseul căderii sale, gravitația produce un lucru pozitiv. Și, invers, în cazul ridicării corpului în sus, putem vorbi despre producerea de muncă negativă.

În consecință, fiecare corp, atunci când este situat la o anumită distanță de suprafața pământului, are energie potențială. Cu cât înălțimea și masa corpului este mai mare, cu atât valoarea muncii efectuate de corp este mai mare. În același timp, în primul exemplu, atunci când un corp cade, energia potențială va fi negativă, iar atunci când este ridicată, energia potențială este pozitivă.

Acest lucru se explică prin egalitatea în valoare a muncii gravitației, dar semnul opus al schimbării energiei potențiale.

De asemenea, un exemplu de apariție a energiei de interacțiune poate fi un obiect supus deformării elastice - arc comprimat: la indreptare se va lucra cu forta elastica. Aici vorbim despre performanța muncii din cauza unei modificări a locației componentelor corpului unul față de celălalt în timpul deformării elastice.

Pentru a rezuma informațiile, observăm că absolut fiecare obiect care este afectat de gravitație sau elasticitate va avea energia unei diferențe de potențial.

Despre energia cinetică

Energia cinetică este energia pe care corpurile încep să o posede ca urmare proces de mișcare. Pe baza acestui fapt, energia cinetică a corpurilor în repaus este egală cu zero.

Cantitatea din această energie este echivalentă cu cantitatea de muncă care trebuie făcută pentru a scoate corpul dintr-o stare de repaus și, prin urmare, pentru a-l face să se miște. Cu alte cuvinte, energia cinetică poate fi exprimată ca diferența dintre energia totală și energia de repaus.

Munca de translație efectuată de un corp în mișcare depinde direct de masă și viteza la pătrat. Lucrul mișcării de rotație depinde de momentul de inerție și de pătratul vitezei unghiulare.

Energia totală a corpurilor în mișcare include ambele tipuri de muncă efectuată; se determină după următoarea expresie: . Principalele caracteristici ale energiei cinetice:

• Aditivitate– definește energia cinetică ca fiind energia unui sistem format dintr-un set de puncte materiale și egală cu energia cinetică totală a fiecărui punct al acestui sistem;
• Invariantaîn raport cu rotația sistemului de referință - energia cinetică este independentă de poziția și direcția vitezei punctului;
• Conservare– caracteristica indică faptul că energia cinetică a sistemelor este neschimbată în timpul oricăror interacțiuni, în cazurile în care se modifică doar caracteristicile mecanice.

Exemple de corpuri cu energie potențială și cinetică

Toate obiectele ridicate și situate la o anumită distanță de suprafața pământului în stare staționară sunt capabile să posede energie potențială. Ca exemplu, aceasta placă de beton ridicată cu macaraua, care este în stare staționară, un arc încărcat.

Vehiculele în mișcare, precum și, în general, orice obiect care se rulează au energie cinetică.

În același timp, în natură, viața de zi cu zi și tehnologie, energia potențială se poate transforma în energie cinetică, iar energia cinetică, la rândul ei, dimpotrivă, în energie potențială.

Minge, care se aruncă dintr-un anumit punct la o înălțime: în poziția cea mai înaltă, energia potențială a mingii este maximă, iar valoarea energiei cinetice este zero, deoarece mingea nu se mișcă și este în repaus. Pe măsură ce altitudinea scade, energia potențială scade treptat în consecință. Când mingea ajunge la suprafața pământului, se va rostogoli; in momentul in care energia cinetica creste, iar energia potentiala va fi egala cu zero.

Energie- o măsură universală a diferitelor forme de mișcare și interacțiune.

O modificare a mișcării mecanice a unui corp este cauzată de forțele care acționează asupra lui de la alte corpuri. Pentru a descrie cantitativ procesul de schimb de energie între corpurile care interacționează, conceptul este introdus în mecanică munca de forta.

Dacă un corp se mișcă în linie dreaptă și este acționat de o forță constantă F, făcând un anumit unghi α cu direcția de mișcare, atunci lucrul acestei forțe este egal cu proiecția forței F s pe direcția de mișcare (F s = Fcosα), înmulțită cu mișcarea corespunzătoare a punctului de aplicare a fortei:

Dacă luăm o secțiune a traiectoriei de la punctul 1 la punctul 2, atunci munca pe aceasta este egală cu suma algebrică a muncii elementare pe secțiuni infinitezimale individuale ale căii. Prin urmare, această sumă poate fi redusă la integrală

unitate de lucru - joule(J): 1 J este munca efectuată de o forță de 1 N pe o cale de 1 m (1 J = 1 N m).
Pentru a caracteriza rata muncii efectuate, se introduce conceptul de putere:
In timp dt forta F merge F d r, și puterea dezvoltată de această forță la un moment dat în timp
adică este egal cu produsul scalar al vectorului forță și al vectorului viteză cu care se mișcă punctul de aplicare al acestei forțe; N este o mărime scalară.
Unitate de putere - watt(W): 1 W - putere la care se execută 1 J de lucru în 1 s (1 W = 1 J/s)

Energia cinetică și potențială.

Energie kinetică a unui sistem mecanic este energia mișcării mecanice a sistemului în cauză.
Forta F, acționând asupra unui corp în repaus și punându-l în mișcare, funcționează, iar energia unui corp în mișcare crește cu cantitatea de muncă cheltuită. Aceasta înseamnă că munca dA a forței F de-a lungul traseului pe care corpul a parcurs-o în timpul creșterii vitezei de la 0 la v, este cheltuită pentru creșterea energiei cinetice dT a corpului, adică.

Folosind a doua lege a lui Newton și înmulțind cu deplasarea d r primim
(1)
Din formula (1) este clar că energia cinetică depinde numai de masa și viteza corpului (sau punctului), adică energia cinetică a corpului depinde doar de starea mișcării sale.
Energie potențială- energie mecanică sistemele corpului, care este determinată de natura forțelor de interacțiune dintre ele și de localizarea lor reciprocă.
Fie ca interacțiunea corpurilor unul asupra celuilalt să fie efectuată prin câmpuri de forțe (de exemplu, câmpuri de forțe elastice, câmpuri de forțe gravitaționale), care se caracterizează prin faptul că munca efectuată de forțele care acționează în sistem la mișcarea unui corp. de la prima pozitie la a doua nu depinde de traiectoria pe care s-a produs miscarea, ci depinde doar de pozițiile inițiale și finale ale sistemului. Astfel de câmpuri sunt numite potenţial, iar forțele care acționează în ele sunt conservator. Dacă munca efectuată de o forță depinde de traiectoria unui corp care se deplasează dintr-o poziție în alta, atunci o astfel de forță se numește disipativ; Un exemplu de forță disipativă este forța de frecare.
Forma specifică a funcției P depinde de tipul câmpului de forță. De exemplu, energia potențială a unui corp de masă m ridicat la o înălțime h deasupra suprafeței Pământului este egală cu (7)

Energia mecanică totală a sistemului - energia mișcării mecanice și a interacțiunii:
adică egal cu suma energiilor cinetice și potențiale.

Legea conservării energiei.

adică energia mecanică totală a sistemului rămâne constantă. Expresia (3) este legea conservării energiei mecanice: într-un sistem de corpuri între care acţionează doar forţe conservative, energia mecanică totală se conservă, adică nu se modifică în timp.

Sunt numite sisteme mecanice ale căror corpuri sunt acționate numai de forțe conservatoare (atât interne, cât și externe). sisteme conservatoare , și formulăm legea conservării energiei mecanice după cum urmează: în sistemele conservative energia mecanică totală este conservată.
9. Impactul corpurilor absolut elastice și inelastice.

Lovit este o ciocnire a două sau mai multe corpuri care interacționează pentru un timp foarte scurt.

Când sunt lovite, corpurile se deformează. Conceptul de impact implică faptul că energia cinetică a mișcării relative a corpurilor de impact este pentru scurt timp convertită în energia de deformare elastică. În timpul unui impact, energia este redistribuită între corpurile care se ciocnesc. Experimentele arată că viteza relativă a corpurilor după o coliziune nu își atinge valoarea înainte de coliziune. Acest lucru se explică prin faptul că nu există corpuri perfect elastice sau suprafețe perfect netede. Raportul dintre componenta normală a vitezei relative a corpurilor după impact și componenta normală a vitezei relative a corpurilor înainte de impact se numește factor de recuperareε: ε = ν n "/ν n unde ν n "-după impact; ν n – înainte de impact.

Dacă pentru corpurile care se ciocnesc ε=0, atunci se numesc astfel de corpuri absolut inelastic, dacă ε=1 - absolut elastic. În practică pentru toate corpurile 0<ε<1. Но в некоторых случаях тела можно с большой степенью точности рассматривать либо как абсолютно неупругие, либо как абсолютно упругие.

Linia de lovire numită linie dreaptă care trece prin punctul de contact al corpurilor și perpendiculară pe suprafața contactului lor. Lovitura se numește central, dacă corpurile care se ciocnesc înainte de impact se deplasează de-a lungul unei linii drepte care trece prin centrele lor de masă. Aici considerăm doar impacturile centrale absolut elastice și absolut inelastice.
Impact absolut elastic- o coliziune a două corpuri, în urma căreia nu rămân deformații în ambele corpuri care participă la ciocnire și toată energia cinetică a corpurilor înainte de impact după impact se transformă din nou în energia cinetică inițială.
Pentru un impact absolut elastic sunt îndeplinite legea conservării energiei cinetice și legea conservării impulsului.

Impact absolut inelastic- o coliziune a două corpuri, în urma căreia corpurile se conectează, deplasându-se mai departe ca un singur întreg. Un impact complet inelastic poate fi demonstrat folosind bile de plastilină (lut) care se mișcă unele spre altele.

Cuvântul „energie” este tradus din greacă ca „acțiune”. Numim o persoană energică care se mișcă activ, efectuând multe acțiuni diferite.

Energia în fizică

Și dacă în viață putem evalua energia unei persoane în principal prin consecințele activităților sale, atunci în fizică energia poate fi măsurată și studiată în multe moduri diferite. Prietenul sau vecinul tău vesel va refuza, cel mai probabil, să repete aceeași acțiune de treizeci până la cincizeci de ori când ți se întâmplă brusc să investighezi fenomenul energiei lui.

Dar în fizică, puteți repeta aproape orice experiment de câte ori doriți, făcând cercetările de care aveți nevoie. Așa este și cu studiul energiei. Oamenii de știință au studiat și au etichetat multe tipuri de energie în fizică. Acestea sunt energie electrică, magnetică, atomică și așa mai departe. Dar acum vom vorbi despre energia mecanică. Și mai precis despre energia cinetică și potențială.

Energia cinetică și potențială

Mecanica studiază mișcarea și interacțiunea corpurilor între ele. Prin urmare, se obișnuiește să se facă distincția între două tipuri de energie mecanică: energia datorată mișcării corpurilor sau energie cinetică și energia datorată interacțiunii corpurilor sau energie potențială.

În fizică, există o regulă generală care conectează energia și munca. Pentru a găsi energia unui corp, este necesar să găsiți munca care este necesară pentru a transfera corpul într-o stare dată de la zero, adică una la care energia sa este zero.

Energie potențială

În fizică, energia potențială este energia care este determinată de poziția relativă a corpurilor sau părților aceluiași corp care interacționează. Adică, dacă un corp este ridicat deasupra solului, atunci are capacitatea de a lucra în timp ce cade.

Și valoarea posibilă a acestei lucrări va fi egală cu energia potențială a corpului la înălțimea h. Pentru energia potențială, formula este determinată conform următoarei scheme:

A=Fs=Ft*h=mgh, sau Ep=mgh,

unde Ep este energia potențială a corpului,
m greutate corporală,
h este înălțimea corpului deasupra solului,
g accelerarea căderii libere.

Mai mult, orice poziție convenabilă pentru noi poate fi luată drept poziție zero a corpului, în funcție de condițiile experimentelor și măsurătorilor efectuate, nu doar de suprafața Pământului. Aceasta ar putea fi suprafața podelei, a mesei și așa mai departe.

Energie kinetică

În cazul în care un corp se mișcă sub influența forței, nu numai că poate, ci și lucrează. În fizică, energia cinetică este energia deținută de un corp datorită mișcării sale. Când un corp se mișcă, consumă energie și lucrează. Pentru energia cinetică formula se calculează după cum urmează:

A = Fs = mas = m * v / t * vt / 2 = (mv^2) / 2 sau Eк = (mv^2) / 2,

unde Ek este energia cinetică a corpului,
m greutate corporală,
v viteza corpului.

Din formulă este clar că cu cât masa și viteza unui corp sunt mai mari, cu atât energia cinetică a acestuia este mai mare.

Fiecare corp are fie energie cinetică, fie energie potențială, sau ambele simultan, cum ar fi, de exemplu, un avion zburător.

Dacă un corp de o anumită masă m s-a deplasat sub influența forțelor aplicate, iar viteza sa s-a schimbat de la până atunci forțele au lucrat A.

Lucrul efectuat de toate forțele aplicate este egal cu munca efectuată de forța rezultantă(vezi Fig. 1.19.1).

Există o legătură între modificarea vitezei unui corp și munca efectuată de forțele aplicate corpului. Această conexiune se stabilește cel mai ușor prin luarea în considerare a mișcării unui corp de-a lungul unei linii drepte sub acțiunea unei forțe constante.În acest caz, vectorii forței viteză și accelerație sunt direcționați de-a lungul unei linii drepte, iar corpul efectuează rectiliniu uniform accelerat. mişcare. Prin direcționarea axei de coordonate de-a lungul liniei drepte de mișcare, putem lua în considerare F, s, υ și A ca mărimi algebrice (pozitive sau negative în funcţie de direcţia vectorului corespunzător). Atunci munca de forță poate fi scrisă ca A = Fs. Cu mișcare accelerată uniform, deplasarea s exprimat prin formula

Rezultă că

Această expresie arată că munca efectuată de o forță (sau rezultanta tuturor forțelor) este asociată cu o modificare a pătratului vitezei (și nu viteza în sine).

Se numește o mărime fizică egală cu jumătate din produsul masei unui corp și pătratul vitezei acestuia energie kinetică corp:

Lucrarea forței rezultante aplicate corpului este egală cu modificarea energiei sale cinetice și este exprimată teorema energiei cinetice:

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.

Energia cinetică este energia mișcării. Energia cinetică a unui corp de masă m, deplasându-se cu o viteză egală cu munca ce trebuie efectuată de o forță aplicată unui corp în repaus pentru a-i conferi această viteză:

Dacă un corp se mișcă cu o viteză, atunci pentru a-l opri complet este necesar să lucrezi

În fizică, împreună cu energia cinetică sau energia mișcării, conceptul joacă un rol important energie potențială sau energia de interacțiune între corpuri.

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 mișcării și este determinată doar de pozițiile inițiale și finale ale corpului. Astfel de forțe sunt numite conservator .

Munca efectuată de forțele conservatoare pe o traiectorie închisă este zero. Această afirmație este ilustrată de Fig. 1.19.2.

Gravitația și elasticitatea au proprietatea conservatorismului. Pentru aceste forțe putem introduce conceptul de energie potențială.

Dacă un corp se mișcă în apropierea suprafeței Pământului, atunci acesta este acționat de o forță de gravitație care este constantă în mărime și direcție. Munca acestei forțe depinde numai de mișcarea verticală a corpului. Pe orice parte a traseului, munca gravitației poate fi scrisă în proiecții ale vectorului de deplasare pe axă. OY, îndreptată vertical în sus:

Δ A = F t Δ s cos α = - mgΔ s y,

Unde F t = F T y = -mg- proiecția gravitației, Δ sy- proiecţia vectorului deplasare. Când un corp se ridică în sus, gravitația efectuează un lucru negativ, deoarece Δ sy> 0. Dacă corpul s-a deplasat dintr-un punct situat la înălţime h 1, până la un punct situat la înălțime h 2 de la originea axei de coordonate OY(Fig. 1.19.3), atunci gravitația a făcut treaba

Această muncă este egală cu modificarea unei cantități fizice mgh, luat cu semnul opus. Această mărime fizică se numește energie potențială corpuri într-un câmp gravitațional

Este egală cu munca făcută de gravitație la coborârea corpului la nivelul zero.

Lucrul efectuat de gravitație este egal cu modificarea energiei potențiale a corpului, luată cu semnul opus.

Energie potențială E p depinde de alegerea nivelului zero, adică de alegerea originii axei OY. Ceea ce are o semnificație fizică nu este energia potențială în sine, ci schimbarea ei Δ E p = E p2 - E p1 la mutarea unui corp dintr-o poziție în alta. Această modificare este independentă de alegerea nivelului zero.

captură de ecran căutare cu mingea sări de pe trotuar

Dacă luăm în considerare mișcarea corpurilor în câmpul gravitațional al Pământului la distanțe semnificative față de acesta, atunci când se determină energia potențială este necesar să se țină cont de dependența forței gravitaționale de distanța până la centrul Pământului ( legea gravitației universale). Pentru forțele gravitației universale, este convenabil să numărăm energia potențială dintr-un punct la infinit, adică să presupunem că energia potențială a unui corp într-un punct infinit îndepărtat este egală cu zero. Formula care exprimă energia potențială a unui corp de masă m pe distanta r din centrul Pământului, are forma:

Unde M- masa Pământului, G- constantă gravitațională.

Conceptul de energie potențială poate fi introdus și pentru forța elastică. Această forță are și proprietatea de a fi conservatoare. Când întindem (sau comprimăm) un arc, putem face acest lucru în diferite moduri.

Pur și simplu puteți prelungi arcul cu o cantitate X, sau mai întâi prelungește-l cu 2 X, iar apoi reduceți alungirea la valoare X etc.In toate aceste cazuri, forta elastica face aceeasi munca, care depinde doar de alungirea arcului Xîn stare finală, dacă arcul nu a fost inițial deformat. Această muncă este egală cu munca forței externe A, luat cu semnul opus (vezi 1.18):

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. Energia potențială a unui arc (sau a oricărui corp deformat elastic) este mărimea

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 luate cu semnul opus:

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

Alături de gravitație și elasticitate, alte tipuri de forțe au proprietatea conservatorismului, de exemplu, forța de interacțiune electrostatică între corpurile încărcate. Forța de frecare nu are această proprietate. Munca efectuată de forța de frecare depinde de distanța parcursă. Conceptul de energie potențială pentru forța de frecare nu poate fi introdus.

Energia cinetică este energia de mișcare a unui corp. În consecință, dacă avem un obiect care are cel puțin o anumită masă și cel puțin o anumită viteză, atunci are energie cinetică. Cu toate acestea, în raport cu sistemele de referință diferite, această energie cinetică pentru același obiect poate fi diferită.

Exemplu. Există o bunica care, în raport cu pământul planetei noastre, este în repaus, adică nu se mișcă și, să zicem, stă la o stație de autobuz și își așteaptă autobuzul. Apoi, în raport cu planeta noastră, energia sa cinetică este zero. Dar dacă te uiți la aceeași bunica de pe Lună sau de la Soare, față de care poți observa mișcarea planetei și, în consecință, această bunica, care se află pe planeta noastră, atunci bunica va avea deja relativă energie cinetică. la corpurile cereşti amintite. Și apoi sosește autobuzul. Aceeași bunica se ridică repede și fuge să-și ia locul de drept. Acum, în raport cu planeta, aceasta nu mai este în repaus, dar se mișcă destul de mult. Aceasta înseamnă că are energie cinetică. Și cu cât bunica este mai groasă și mai rapidă, cu atât energia ei cinetică este mai mare.

Există mai multe tipuri fundamentale de energie - principalele. Vă voi spune, de exemplu, despre cele mecanice. Acestea includ energia cinetică, care depinde de viteza și masa obiectului, și energia potențială, care depinde de unde luați nivelul de energie potențială zero și de poziția în care obiectul este relativ la nivelul de energie potențială zero. Adică, energia potențială este energia care depinde de poziția unui obiect. Această energie caracterizează munca efectuată de câmpul în care se află obiectul prin deplasarea acestuia.

Exemplu. Porți o cutie uriașă în mâini și cazi. Cutia este pe podea. Se pare că nivelul zero al energiei potențiale va fi situat, în consecință, la nivelul podelei. Apoi partea superioară a cutiei va avea mai multă energie potențială, deoarece este mai mare decât podeaua și deasupra nivelului de energie potențială zero.

Este o prostie sa vorbim despre energie fara sa mentionam legea privind conservarea ei. Astfel, conform legii conservării energiei, aceste două tipuri de energie, care descriu starea unui obiect, nu provin de nicăieri și nu dispar nicăieri, ci doar se transformă una în alta.

Iată un exemplu. Cad de la înălțimea unei case, având inițial energie potențială față de sol în momentul de dinaintea săriturii, iar energia mea cinetică este neglijabilă, așa că o putem echivala cu zero. Așa că smulg picioarele de pe cornișă și energia mea potențială începe să scadă, pe măsură ce înălțimea la care mă aflu devine din ce în ce mai mică. În același moment, când cad, dobândesc treptat energie cinetică, pe măsură ce cad cu o viteză din ce în ce mai mare. În momentul căderii, am deja energie cinetică maximă, dar energia potențială este zero, așa ceva.