Энергия — это… потенциальная и кинетическая энергия. что такое энергия в физике?

Типы потенциальной энергии

Существует несколько типов потенциальной энергии, например: гравитационная, упругая, электростатическая и химическая..

1- Гравитационная потенциальная энергия

Потенциальная гравитационная энергия — это энергия, которая накапливается в объекте в результате его вертикального положения или высоты, на которой они находятся..

В этом случае гравитационная сила, которая притягивает все объекты к центру Земли, отвечает за хранение энергии в объектах..

Потенциальная гравитационная энергия рассчитывается по следующему уравнению:

Потенциальная гравитационная энергия = масса х гравитации (9, 8 Н / кг на Земле) х высота.

В этом смысле наблюдается, что есть три элемента, которые влияют на потенциальную энергию гравитации: гравитация, масса и высота.

2- Упругая потенциальная энергия

Потенциальная упругая энергия — это та, которая хранится в упругих материалах и является результатом процессов тяги и сжатия, которым подвергаются эти объекты..

Количество энергии, запасенной в этих материалах, зависит от силы растяжения, которой подвергается объект: чем больше они растягиваются, тем больше потенциальная энергия.

3- электростатическая потенциальная энергия

Потенциальная электростатическая энергия находится между объектами, которые отталкивают или притягивают. В привлеченных объектах потенциальная энергия будет тем больше, чем дальше; С другой стороны, у объектов, которые отталкиваются, потенциальная энергия будет тем больше, чем ближе они.

4- Химическая потенциальная энергия

Потенциальная энергия химического вещества обладает способностью превращать определенные химические вещества в кинетическую энергию..

Работа и потенциальная энергия

Потенциальная энергия близко связана с силами. Если работа, сделанная силой на теле, которое перемещается от до B, не зависит от пути между этими пунктами, то работа этой силы, измеренной от A, назначает скалярную стоимость на любой пункт в космосе и определяет скалярную потенциальную область. В этом случае сила может быть определена как отрицание векторного градиента потенциальной области.

Если работа для приложенной силы независима от пути, то работа, сделанная силой, оценена в начале и конце траектории точки приложения. Это означает, что есть функция U (x), названа «потенциалом», который может быть оценен на два пункта x и x, чтобы получить работу по любой траектории между этими двумя пунктами. Это — традиция, чтобы определить эту функцию с отрицательным знаком так, чтобы положительная работа была сокращением потенциала, который является

где C — траектория, взятая от до B. Поскольку сделанная работа независима от взятого пути, тогда это выражение верно для любой траектории, C, от до B.

Функция U (x) вызвана потенциальная энергия, связанная с приложенной силой. Примерами сил, у которых есть потенциальные энергии, является сила тяжести и весенние силы.

Получаемый от потенциала

В этой секции отношения между работой и потенциальной энергией представлены более подробно. Интеграл линии, который определяет работу вдоль кривой C, принимает специальную форму, если сила F связана со скалярной областью φ (x) так, чтобы

В этом случае работа вдоль кривой дана

который может быть оценен, используя теорему градиента, чтобы получить

Это показывает, что, когда силы получаемы от скалярной области, работа тех сил вдоль кривой C вычислена, оценив скалярную область в стартовой точке A и конечная точка B кривой. Это означает, что интеграл работы не зависит от пути между A и B и, как говорят, независим от пути.

Потенциальная энергия U =-φ (x) традиционно определена как отрицание этой скалярной области так, чтобы работа силовым полем уменьшила потенциальную энергию, которая является

В этом случае, заявление del оператора к работе функционируют урожаи,

и сила F, как говорят, «получаема от потенциала». Это также обязательно подразумевает, что F должен быть консервативной векторной областью. Потенциал U определяет силу F в каждом пункте x в космосе, таким образом, набор сил называют силовым полем.

Вычисление потенциальной энергии

Учитывая силовое поле F (x), оценку интеграла работы использование теоремы градиента может использоваться, чтобы счесть скалярную функцию связанной с потенциальной энергией. Это сделано, введя параметризовавшую кривую γ (t) =r (t) от γ (a) =A к γ (b) =B, и вычисление,

\int_ {\\гамма} \nabla\varphi (\mathbf {r}) \cdot d\mathbf {r} &= \int_a^b \nabla\varphi (\mathbf {r} (t)) \cdot \mathbf {r} ‘(t) dt, \\

&= \int_a^b \frac {d} {dt }\\varphi (\mathbf {r} (t)) dt = \varphi (\mathbf {r} (b))-\varphi (\mathbf {r} (a)) = \varphi\left (\mathbf {x} _B\right)-\varphi\left (\mathbf {x} _A\right).

Для силового поля F, позвольте v = dr/dt, тогда урожаи теоремы градиента,

\int_ {\\гамма} \mathbf {F} \cdot d\mathbf {r} &= \int_a^b \mathbf {F} \cdot \mathbf {v} dt, \\

&=-\int_a^b \frac {d} {dt} U (\mathbf {r} (t)) dt =U\left (\mathbf {x} _A\right) — U\left (\mathbf {x} _B\right).

Власть относилась к телу силовым полем, получен из градиента работы или потенциала, в направлении скорости v точки приложения, которая является

Примерами работы, которая может быть вычислена из потенциальных функций, является сила тяжести и весенние силы.

Кто ввел понятие энергия

Термин «Энергия» был введен в обиход Аристотелем, на страницах известного трактата «Физика». При этом значение употребляемого слова было отнесено сугубо к деятельности людей.

Более современный смысл был передан слову в обмен на словосочетание «живая сила» Томасом Юнгом. Чуть позднее, в 1829 году Гаспар-Гюстав Кориолис обнаружил взаимосвязь работы и кинетической энергии, а в 1853 году Ренкин дополнил понятие разновидностью: «потенциальная».

В 1881 году Уильямом Томсоном было заявлено, что введенное Томасом Юнгом определение справедливо. В подтверждение этого была выдвинута теория, которая устанавливала взаимосвязь между математическими расчетами и природой самого процесса. В свое время Томсон говорил, что только сейчас видение Томсона получило практическое подтверждение.

Примечание

В течение последующих 30-ти лет появлялись новые термины: «динамическая теория тепла», «термодинамика и ее законы», «биологическая термодинамика», «термоэкономика» и пр. Параллельно шли понятия: «энтропия», «мощность», «поток энергии» и т.д.

В начале 60-х годов прошлого века нобелевский лауреат Р.Фейнман утверждал, что исключений из закона сохранения энергии, как управляющего явлениями природы, не существует. Несмотря на то, что это математические действия, суть закономерности ни в коем случае не меняется.

Потенциальная и кинетическая энергия. 7 класс

Подробности
Просмотров: 218

Существуют два вида механической энергии: потенциальная и кинетическая.

1. Какую энергию называют потенциальной?

Потенциальной энергией называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела.
а). Потенциальной энергией обладает тело, поднятое относительно поверхности Земли.
Здесь потенциальная энергия тела зависит от взаимного положения тела и Земли и их взаимного притяжения.
Потенциальная энергия тела, поднятого на какую-то высоту, определится работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю.

где
Еп
— потенциальная энергия (Дж),
F — сила тяжести (Н),
g — ускорение свободного падения (м/с2),
m — масса тела (кг),
h — высота, на которую поднято тело (м).

Например:
Потенциальную энергию молота копра используют в строительстве для забивания свай.
Каждый кубический метр текущей воды в реке обладает потенциальной энергией.
Ведь течение воды в реке возможно, если уровень поверхности земли у истока (в начале реки) выше, чем уровень поверхности земли в устье, т.е. вода течет под горку. Этот перепад высот и определяет величину потенциальной энергии воды. В истоках каждый кубометр воды будет обладать большей потенциальной энергией, чем в устье.
Огромной потенциальной энергией обладает вода в реках, удерживаемая плотинами. Падая вниз, вода совершает работу, приводя в движение мощные турбины электростанций.
б). Потенциальной энергией обладает всякое упругое деформированное тело.
Например:
Дверная пружина при открывании двери растягивается (деформируется) и за счет приобретенной потенциальной энергии, сокращаясь, совершает работу, т.е. закрывает дверь.
Энергию пружин используют в ручных часах и заводных игрушках.
Потенциальную энергию сжатого газа используют в тепловых двигателях, в отбойных молотках.

2. От каких величин зависит потенциальная энергия?

Потенциальная энергия тела зависит от массы тела и высоты подъема над поверхностью земли.
(смотри формулу)

Например:
Сосулька, падающая с крыши пятиэтажного дома, будет обладат большим запасом потенциальной энергии, чем такая же, падающая с балкона второго этажа.
Большой камень и маленький камушек, поднятые на одинаковую высоту, в результате падения на землю совершат разную работу, один пробьет глубокую яму, а другой — лишь незначительную вмятину. Из-за разной массы они будут обладать различной потенциальной энергией.

3. Когда потенциальная энергия тела равна нулю?

Если тело лежит на поверхности Земли, то его потенциальная энергия равна нулю.
Если тело (например, пружина, кусок резины или резиновый мяч) упруго не деформировано, то его потенциальная энергия тоже равна нулю.

4. Какую энергию называют кинетической?

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической энергией ( кинема — движение).
Любое движущееся тело обладает кинетической энергией.

где
Ек — кинетическая ээнергия (Дж),
m — масса тела (кг),
v — скорость движения тела ((м/с).
Например:

Движущаяся молекула обладает кинетической энергией.
Едущий автомобиль, идущий человек обладают кинетической энергий.
Кинетической энергией обладает движущаяся вода в реке.
Кинетической энергией обладает и движущийся воздух — ветер.

5. От каких величин зависит кинетическая энергия?

Кинетическая энергия зависит от массы тела и его скорости.
(смотри формулу)
Чем больше масса тела и скорость, с которой оно движется, тем больше его кинетическая энергия.
Например:
При одинаковой скорости полета большей кинетической энергией будет обладать птица по сравнению с мухой, ведь масса птицы больше, чем масса мухи.

Если сравнить кинетическую энергию кубического метра текущей воды в равнинной и горной реке, то понятно, что за счет большей скорости течения воды в горной реке, эта вода будет обладать большей кинетической энергией, чем вода в равнинной реке.

5. В каком случае кинетическая энергия тела равна нулю?

Кинетическая энергия тела в состоянии покоя равна нулю.

6. Может ли тело одновременно обладать и потенциальной, и кинетической ээнергией?Все тела в природе обладают либо потенциальной, либо кинетической энергией, а иногда той и другой вместе.
Например:
Летящий самолет обладает относительно Земли и кинетической и потенциальной энергией.

Следующая страница — смотреть

Назад в «Оглавление» — смотреть

Виды энергии

В природе существует множество самых разных видов энергии. Основными из них считаются:

  • механическая;
  • электромагнитная;
  • электрическая;
  • химическая;
  • тепловая;
  • ядерная (атомная).

Есть и другие виды энергии: световая, звука, магнитная. В последние годы все большее число ученых-физиков склоняются к гипотезе о существовании так называемой «темной» энергии. Каждый из перечисленных ранее видов данной субстанции имеет свои особенности. Например, энергия звука способна передаваться при помощи волн. Они способствуют возникновению вибрации барабанных перепонок в ухе людей и животных, благодаря которой можно слышать звуки. В ходе различных химических реакций высвобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности всех организмов. Любое топливо, продукты питания, аккумуляторы, батарейки являются хранилищем этой энергии.

Наше светило дает Земле энергию в виде электромагнитных волн. Только так она может преодолеть просторы Космоса. Благодаря современным технологиям, таким как солнечные батареи, мы можем использовать ее с наибольшим эффектом. Излишки неиспользованной энергии аккумулируются в особых энергохранилищах. Наряду с вышеперечисленными видами энергии часто используются термальные источники, реки, приливы и отливы океана, биотопливо.

Что такое энергия в физике

Определение

Энергия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

В переводе с древне-греческого ἐνέργεια (энергия) означает действие, силу, мощь.

Однозначно трактуется понятие энергии в закрытой системе. Это величина, сохраняющая свое значение с течением времени, что и заключено в законе сохранения энергии.

С другой стороны, это величина, потенциально характеризующая максимальную работу, на которую способно тело, т.е. его запас работы.

Примечание

Энергию нельзя себе представить подобно физическому телу. Это характеристики того запаса сил, который имеется у вещества или тела для совершения работы.

Проявление энергии присутствует повсюду: от микроскопических предметов до мирового пространства. При этом общим является свойство перехода одного вида энергии в другой при постоянной количественной характеристике. О таком свойстве впервые сказал Ф.Энгельс. Он назвал его «законом сохранения и превращения энергии». Это легло в основу введения общей измерительной единицы — Джоуля. В то же время, для подсчета количества теплоты используется калория, а электрической энергии — кВт час.

Важно, что любой вид энергии, присутствующий в технической термодинамике, кроме тепловой, — это определенным образом направленное движение. Если в механике энергия необходима для движения тел в пространстве, то в электричестве она заметна в виде электрического тока

Тепловая разновидность проявляется в молекулярном и внутримолекулярном взаимодействии, а также беспорядочном движении атомов и молекул, больше хаотического характера. Таким образом, тепловая энергия отличается от других видов неопределенным характером движения участвующих в процессе микрочастиц. В таком случае возникает вопрос: как может энергия хаотичного движения получить направленный характер при переходе в ее другой вид? На этот и другие вопросы отвечает техническая термодинамика.

Альтернативные источники

Солнечная энергия  поступает на Землю от Солнца в виде света. Когда большинство людей думают о свете, они думают о солнечной энергии. Но солнечная – не единственная форма, которая исходит от Солнца. Ветер также является формой, которую солнце помогает сделать. Миллионы лет назад  Энергия Солнца помогала производить ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ. Теперь эти ископаемые виды топлива обеспечивают работающие автомобили, отопление домов и питание компьютеров.

Большая часть энергии в мире используется в виде ископаемого топлива. Эти виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, поступают от Солнца. Солнечная энергия хранится в растениях и животных, которые вымерли миллионы лет назад.

Сжигание ископаемых видов топлива является единственным способом высвобождения накопленных  в них ресурсов. Проблема с ископаемыми видами топлива заключается в том, что они загрязняют окружающую среду, и они занимают очень много времени. Это невозобновляемые источники энергии. После того, как ископаемые виды топлива были использованы, они ушли навсегда.

Возобновляемые источники энергии заканчиваются. Люди во всем мире ищут альтернативные источники, которые являются экологически чистыми, безопасными и возобновляемыми. Некоторые были использованы в течение многих лет. Некоторые все еще находятся на экспериментальной стадии. Большинство из них используются для производства электрической энергии, но некоторые используются в их первоначальном виде.

Альтернативные (возобновляемые) источники энергии включают:

Солнечная

Солнечная энергия поступает от солнца в виде электромагнитных волн. Количество Земли получает в год более чем достаточно, чтобы обеспечить все мировые потребности на этот год.

Ветра

Движение воздуха (ветер) является результатом неравномерного нагрева земной поверхности солнцем. Ветряные турбины превращаются в ветер и вырабатывают электричество.

Гидроэлектрическая

Когда вода, накопленная высоко за плотиной, стекает по трубам в электростанцию, ее гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, которая превращает турбины, генерирующие электричество.

Биомасса

Это органический материал, который преобразуется в том числе и жидкое биотопливо. Древесина – это форма биомассы. Сжигание древесной щепы производит газ, который сжигается, чтобы высвободить ресурсы, которые могут быть использованы для обеспечения отопления или использоваться для производства электроэнергии.

Приливная

Приливы вызваны притяжением Луны. Плотина через лиман может удерживать воду, а затем использовать ее для выработки электроэнергии.

Биогаз

Разлагаемые животные, отходы и нечистоты производят лэндфилл-газ. Когда лэндфилл-газ совмещается  с углекислым газом  производится метан. Процесс происходит в закрытом контейнере, называемом метантенка. В Индии и Китае этот способ используют для получения топлива для приготовления пищи.

Волновая

Волны вызваны ветром, дующим через море. Большие поплавки которые двигают вверх и вниз с волнами теперь используются для генерации электричества.

Водород

Водород используется в топливных элементах. Его можно совместить с кислородом для того чтобы произвести электрический ток. Он горит легко выпуская большое количество тепловой энергии.

Электрическая потенциальная энергия

Объект может обладать потенциальной энергией благодаря своему электрическому заряду и нескольким силам, связанным с их присутствием. Существует два основных типа этой потенциальной энергии: электростатическая потенциальная энергия, электродинамическая потенциальная энергия (также иногда называемая магнитной потенциальной энергией).

Плазма образовалась внутри газовой сферы

Электростатическая потенциальная энергия

Электростатическая потенциальная энергия между двумя телами в пространстве получается из силы, оказываемой зарядом Q на другой заряд q, которая определяется выражением

Fезнак равно-14πεQqр2р^,{\ displaystyle \ mathbf {F} _ {e} = — {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} {\ frac {Qq} {r ^ {2}}} \ mathbf {\ шляпа {r}},}

где — вектор длиной 1, направленный от Q к q, а ε диэлектрическая проницаемость вакуума . Это также можно записать с использованием постоянной Кулона k e = 1 ⁄ 4πε .
р^{\ displaystyle \ mathbf {\ hat {r}}}

Если можно предположить, что электрический заряд объекта находится в состоянии покоя, то он имеет потенциальную энергию из-за своего положения относительно других заряженных объектов. Электростатическая потенциальная энергия является энергия электрически заряженной частицы (в состоянии покоя) в электрическом поле. Он определяется как работа, которая должна быть выполнена, чтобы переместить его с бесконечного расстояния в его настоящее местоположение, с поправкой на неэлектрические силы, действующие на объект. Эта энергия обычно будет отличной от нуля, если поблизости есть другой электрически заряженный объект.

Работа W, необходимая для перемещения q из A в любую точку B в электростатическом силовом поле, определяется выражением

ΔUАB(р)знак равно-∫АBFе⋅dр{\ displaystyle \ Delta U_ {AB} ({\ mathbf {r}}) = — \ int _ {A} ^ {B} \ mathbf {F_ {e}} \ cdot d \ mathbf {r}}

обычно дается в Дж для Джоулей. Связанная величина, называемая электрическим потенциалом (обычно обозначаемая буквой V для напряжения), равна электрической потенциальной энергии на единицу заряда.

Магнитная потенциальная энергия

Энергия магнитного момента во внешнем магнитном B-поле B имеет потенциальную энергию
μ{\ displaystyle {\ boldsymbol {\ mu}}}

Uзнак равно-μ⋅B.{\ displaystyle U = — {\ boldsymbol {\ mu}} \ cdot \ mathbf {B}.}

Намагниченности М в поле

Uзнак равно-12∫M⋅BdV,{\ Displaystyle U = — {\ гидроразрыва {1} {2}} \ int \ mathbf {M} \ cdot \ mathbf {B} \ mathrm {d} V,}

где интеграл может быть по всему пространству или, что то же самое, где M не равно нулю. Магнитная потенциальная энергия — это форма энергии, связанная не только с расстоянием между магнитными материалами, но также с ориентацией или выравниванием этих материалов в поле. Например, стрелка компаса имеет самую низкую потенциальную магнитную энергию, когда она совмещена с северным и южным полюсами магнитного поля Земли. Если игла перемещается под действием внешней силы, магнитное поле Земли оказывает на магнитный диполь иглы крутящий момент, заставляя его двигаться обратно в выравнивание. Магнитная потенциальная энергия иглы наивысшая, когда ее поле совпадает с направлением магнитного поля Земли. Два магнита будут обладать потенциальной энергией относительно друг друга и расстояния между ними, но это также зависит от их ориентации. Если противоположные полюса разделены, потенциальная энергия будет тем выше, чем дальше они друг от друга, и тем ниже, чем ближе они находятся. И наоборот, одинаковые полюса будут иметь самую высокую потенциальную энергию, когда они прижаты друг к другу, и самую низкую, когда они расходятся.

Примечания

  1. Смит, Кросби. The science of energy: a cultural history of energy physics in Victorian Britain. — The University of Chicago Press, 1998. — ISBN 0-226-76421-4.
  2. Томсон, Уильям. Об источниках энергии, доступных человеку для совершения механических эффектов = On the sources of energy available to man for the production of mechanical effect. — BAAS Rep, 1881. С. 513
  3. Richard Feynman. The Feynman Lectures on Physics. — США: Addison Wesley, 1964. — Vol. 1. — ISBN 0-201-02115-3.
  4. Фейнман, Ричард. Фейнмановские лекции по физике = The Feynman Lectures on Physics. — Т. 1.
  5. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теоретическая физика. — 5-е изд. — М.: Физматлит, 2004. — Т. I. Механика. — 224 с. — ISBN 5-9221-0055-6.
  6. , с. 11.
  7. , с. 18.
  8. , с. 19.
  9. Джоуль (единица энергии и работы) — статья из Большой советской энциклопедии. Г. Д. Бурдун.
  10. ↑ , с. 134.

Потенциальная энергия гравитационных сил между двумя телами

Гравитационная потенциальная функция, также известная как гравитационная потенциальная энергия , равна:

Uзнак равно-граммMмр,{\ displaystyle U = — {\ frac {GMm} {r}},}

Отрицательный знак следует за условием, что работа достигается за счет потери потенциальной энергии.

Вывод

Гравитационная сила между двумя телами масс M и m, разделенными расстоянием r , задается законом Ньютона.

Fзнак равно-граммMмр2р^,{\ displaystyle \ mathbf {F} = — {\ frac {GMm} {r ^ {2}}} \ mathbf {\ hat {r}},}

где — вектор длины 1, направленный от M к m, а Gгравитационная постоянная .
р^{\ displaystyle \ mathbf {\ hat {r}}}

Пусть масса m движется со скоростью v, тогда работа силы тяжести над этой массой, когда она перемещается из положения r (t 1 ) в положение r (t 2 ), определяется выражением

Wзнак равно-∫р(т1)р(т2)граммMмр3р⋅dрзнак равно-∫т1т2граммMмр3р⋅vdт.{\ displaystyle W = — \ int _ {\ mathbf {r} (t_ {1})} ^ {\ mathbf {r} (t_ {2})} {\ frac {GMm} {r ^ {3}}} \ mathbf {r} \ cdot d \ mathbf {r} = — \ int _ {t_ {1}} ^ {t_ {2}} {\ frac {GMm} {r ^ {3}}} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {v} \ mathrm {d} t.}

Положение и скорость массы m определяются выражением

рзнак равнорер,vзнак равнор˙ер+рθ˙ет,{\ displaystyle \ mathbf {r} = r \ mathbf {e} _ {r}, \ qquad \ mathbf {v} = {\ dot {r}} \ mathbf {e} _ {r} + r {\ dot { \ theta}} \ mathbf {e} _ {t},}

где e r и e t — радиальный и тангенциальный единичные векторы, направленные относительно вектора от M к m . Используйте это, чтобы упростить формулу работы силы тяжести до

Wзнак равно-∫т1т2грамммMр3(рер)⋅(р˙ер+рθ˙ет)dтзнак равно-∫т1т2грамммMр3рр˙dтзнак равнограммMмр(т2)-граммMмр(т1).{\ displaystyle W = — \ int _ {t_ {1}} ^ {t_ {2}} {\ frac {GmM} {r ^ {3}}} (r \ mathbf {e} _ {r}) \ cdot ({\ dot {r}} \ mathbf {e} _ {r} + r {\ dot {\ theta}} \ mathbf {e} _ {t}) \ mathrm {d} t = — \ int _ {t_ {1}} ^ {t_ {2}} {\ frac {GmM} {r ^ {3}}} r {\ dot {r}} \ mathrm {d} t = {\ frac {GMm} {r (t_ {2})}} — {\ frac {GMm} {r (t_ {1})}}.}

В этом расчете используется тот факт, что

ddтр-1знак равно-р-2р˙знак равно-р˙р2.{\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t}} r ^ {- 1} = — r ^ {- 2} {\ dot {r}} = — {\ frac {\ точка {r}} {r ^ {2}}}.}

Кинетическая энергия

Если вы хоть немного занимались когда-нибудь физикой или просто хотя бы сидели на уроке физики, печально рассматривая ворон за окном, то вы наверняка слышали такое словосочетание — «кинетическая энергия». Нам предстоит понять, что это такое.

Наверняка вы слышали слово «энергия» и в повседневной жизни: «У него есть энергия, он энергичный человек». Опыт нашей бытовой жизни подсказывает нам, что слово энергия означает наличие возможности что-то сделать — то есть совершить работу. Именно так обстоит дело и в физике: энергия — это источник, возможность совершения работы. А теперь — поподробнее.

Итак, мы помним, что работа силы равна

A=F⃗⋅S⃗A=\vec{F}\cdot\vec{S}A=F⃗⋅S⃗.

Если мы хотим найти работу равнодействующей силы, то для равнодействующей силы по 2-му закону Ньютона мы можем написать

F⃗=m⋅a⃗\vec{F}=m\cdot\vec{a}F⃗=m⋅a⃗.

Тогда работа равнодействующей силы перепишется в следующем виде:

A=F⃗⋅S⃗=ma⃗⋅S⃗A=\vec{F}\cdot\vec{S}=m\vec{a}\cdot\vec{S}A=F⃗⋅S⃗=ma⃗⋅S⃗.

Хм… В формуле стоит произведение a⃗⋅S⃗\vec{a}\cdot\vec{S}a⃗⋅S⃗. Где-то это уже было…

Точно! Что-то похожее было в кинематике, в безвременной формуле (в теме «Равноускоренное движение»):

2a⃗⋅S⃗=V22−V122\vec{a}\cdot\vec{S}=V_2^2-V_1^22a⃗⋅S⃗=V22​−V12​.

Тогда можно переписать работу равнодействующей силы:

A=F⃗⋅S⃗=ma⃗⋅S⃗=mV22−V122=mV222−mV122.A=\vec{F}\cdot\vec{S}=m\vec{a}\cdot\vec{S}=m\frac{V_2^2-V_1^2}{2}=\frac{mV_2^2}{2}-\frac{mV_1^2}{2}.A=F⃗⋅S⃗=ma⃗⋅S⃗=m2V22​−V12​​=2mV22​​−2mV12​​.

Видно, что работа силы равна изменению некоторой величины mV22\frac{mV^2}{2}2mV2​. Эту величину называют кинетической энергией:

Ek=mV22E_k=\frac{mV^2}{2}Ek​=2mV2​.

A=mV222−mV122=Ek2−Ek1A=\frac{mV_2^2}{2}-\frac{mV_1^2}{2}=E_{k2}-E_{k1}A=2mV22​​−2mV12​​=Ek2​−Ek1​.

«Кинетическая» — значит, связана она с кинетикой, с движением. «Кинетическая энергия» — это энергия движения.

Попробуем «прочувствовать» эту новую величину, кинетическую энергию.

Ситуация 1

Тело разгоняется силой F⃗\vec{F}F⃗, которая направлена так же, как и перемещение, которое приобретает тело под действием этой силы.

При этом скорость будет увеличиваться: V2>V1V_2>V_1V2​>V1​. Кинетическая энергия тоже будет увеличиваться: mV222>mV122\frac{mV_2^2}{2}>\frac{mV_1^2}{2}2mV22​​>2mV12​​, — а разница энергий будет больше нуля: mV222−mV122>\frac{mV_2^2}{2}-\frac{mV_1^2}{2}>02mV22​​−2mV12​​>.

При этом и работа будет положительная, потому что сила и перемещение направлены в одну и ту же сторону: A>A>0A>. Это значит, что

работа «полезной» силы увеличивает кинетическую энергию системы.

Ситуация 2

Тело тормозится силой F⃗\vec{F}F⃗.

Скорость при этом уменьшается: V2<V1V_2<V_1V2​<V1​. Кинетическая энергия — тоже: mV222<mV122\frac{mV_2^2}{2}<\frac{mV_1^2}{2}2mV22​​<2mV12​​. Это значит, что mV222−mV122<\frac{mV_2^2}{2}-\frac{mV_1^2}{2}<02mV22​​−2mV12​​<. Работа при этом тоже отрицательная из-за угла в 18∘180^{\circ}18∘ между направлением силы и перемещения: A<A<0A<, — так же как и изменение кинетической энергии. Получается, что работа «неполезной» силы уменьшает кинетическую энергию.

Изменение кинетической энергии равно работе — значит, кинетическая энергия измеряется в тех же единицах, что и работа — в Джоулях:

Ek=mV22=1 Дж==1\text{ Дж}Ek​=2mV2​=1 Дж.

Использование энергии

С каждым годом человечество потребляет все большее количество энергоресурсов. Чаще всего для получения энергии, необходимой для освещения и отопления наших жилищ, работы автотранспорта и различных механизмов, используются такие ископаемые углеводороды, как уголь, нефть и газ. Они относятся к невозобновимым ресурсам.

К сожалению, только незначительная часть энергии добывается на нашей планете с помощью возобновимых ресурсов, таких как вода, ветер и Солнце. На сегодняшний день их удельный вес в энергетике составляет всего 5 %. Еще 3 % люди получают в виде ядерной энергии, производимой на атомных электростанциях.

Невозобновляемые ресурсы имеют следующие запасы (в джоулях):

  • ядерная энергия – 2 х 1024;
  • энергия газа и нефти – 2 х 10 23;
  • внутренне тепло планеты – 5 х 1020.

Годовая величина возобновляемых ресурсов Земли:

  • энергия Солнца – 2 х 1024;
  • ветер – 6 х 1021;
  • реки — 6,5 х 1019;
  • морские приливы — 2,5 х 1023.

Только при своевременном переходе от использования невозобновляемых запасов энергии Земли к возобновляемым человечество имеет шанс на долгое и счастливое существование на нашей планете. Для воплощения передовых разработок ученые всего мира продолжают тщательно изучать разнообразные свойства энергии.

20 Избранные примеры потенциальной энергии

2- Качели

Качели, как и шар разрушения, имеют потенциальную гравитационную энергию, потому что они подвешены к опоре.

Когда свинг движется вперед или назад, он остается остановленным на несколько миллисекунд, что позволяет ему накапливать энергию. Аналогично, колебание накапливает энергию, когда оно не качается..

Маятники, как в настенных часах, сохраняют потенциальную энергию благодаря гравитации.

4- мяч катится по склону

Шар, который катится по склону, представляет два момента, в которых он может накапливать потенциальную энергию: первый — когда он находится на вершине холма, а второй — когда он закончил спуск и остановился..

5- Лига

Лига в своем естественном состоянии не представляет никакой потенциальной энергии. Однако когда он растягивается, он начинает накапливать энергию благодаря своей эластичности.

Банджи-шнур, как обычная лига, хранит потенциальную энергию при растяжении.

7- батут

Батут, который не используется, не представляет потенциальной энергии. Он начинает накапливать энергию только тогда, когда объект подпрыгивает на нем. Этот тип потенциальной энергии является упругим.

8- Пружины

Пружины являются классическим примером упругой потенциальной энергии, поскольку растяжение поглощает потенциальную энергию, которая выделяется при их сжатии.

10- натянутый лук со стрелой

Дуга, которая не используется, не представляет потенциальной энергии. Однако, когда он натянут, а стрелка еще не сработала, он начинает накапливать потенциальную энергию из-за упругости.

11- Камень на краю обрыва

Скала на краю обрыва имеет гравитационную потенциальную энергию. Если камень падает, потенциальная энергия становится кинетической.

12- Плод на ветке дерева

Подобно скале, которая вот-вот упадет с обрыва, плод на дереве обладает способностью отрываться в любое время благодаря притяжению, которое оказывают гравитационные силы на Земле..

13- Фейерверк

Фейерверк, который еще не был зажжен, обладает потенциальной химической энергией, поскольку составляющие его реагенты могут взорваться при контакте с пламенем..

15- Аккумуляторы игрушек

У игрушечных батарей есть химическая потенциальная энергия, которая превращается в кинетическую энергию, когда на игрушку подается питание.

16- автомобиль с бензином

Автомобиль, управляемый бензином, как игрушка на батарейках, обладает потенциальной химической энергией, которая может быть преобразована в кинетическую энергию..

18- Магнит и металлический предмет

Когда магнит находится на расстоянии от металлического предмета, генерируется электростатическая потенциальная энергия.

19- Два магнита с положительными полюсами

Когда два магнита обращены своими положительными полюсами и расположены очень близко друг к другу, генерируется электростатическая потенциальная энергия.

20- Воздушный шар, наполненный воздухом

Воздушный шар, наполненный воздухом, обладает потенциальной упругой энергией, поскольку стенки воздушного шара расширились за счет воздуха.

ссылки

  1. Гравитационная Потенциальная Энергия. Получено 31 мая 2017 г. с сайта hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
  2. Потенциальная энергия Получено 31 мая 2017 г. с сайта hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
  3. Что такое потенциальная энергия (U)? Получено 31 мая 2017 г. с сайта whatis.techtarget.com.
  4. Потенциальная энергия Получено 31 мая 2017 г. с сайта jersey.uoregon.edu.
  5. Потенциальная энергия Получено 31 мая 2017 г. с сайта physclassroom.com..
  6. Потенциальная энергия Получено 31 мая 2017 г. с сайта softschools.com.
  7. Потенциальная энергия Получено 31 мая 2017 г., от ducksters.com.
Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий