الطاقة الكامنة. الطاقة الكامنة والحركية

تقوم العضلات التي تحرك روابط الجسم بعمل ميكانيكي.

عملفي بعض الاتجاه هو ناتج القوة (F) التي تعمل في اتجاه حركة الجسم على المسار الذي سلكه(S): A = F S.

القيام بالعمل يتطلب طاقة. لذلك ، عند الانتهاء من العمل ، تقل الطاقة في النظام. نظرًا لأن هناك حاجة لإمداد الطاقة للعمل الذي يتعين القيام به ، يمكن تعريف الأخير على النحو التالي: طاقة – هذه فرصة للقيام بعمل ، وهذا مقياس "للمورد" المتاح في النظام الميكانيكي لأدائه. بالإضافة إلى ذلك ، تعد الطاقة مقياسًا للانتقال من نوع من الحركة إلى نوع آخر.

في الميكانيكا الحيوية ، ما يلي الرئيسية أنواع الطاقة:

المحتملة ، اعتمادًا على الوضع النسبي لعناصر النظام الميكانيكي لجسم الإنسان ؛

الحركة الانتقالية الحركية

الحركة الدوارة الحركية

التشوه المحتمل لعناصر النظام ؛

حراري.

عمليات التبادل.

إجمالي الطاقة لنظام ميكانيكي حيوي يساوي مجموع كل أنواع الطاقة المدرجة.

من خلال رفع الجسم ، وضغط الزنبرك ، من الممكن تجميع الطاقة في شكل إمكانية لاستخدامها لاحقًا. ترتبط الطاقة الكامنة دائمًا بقوة أو بأخرى تعمل من جسم إلى آخر. على سبيل المثال ، تعمل الأرض عن طريق الجاذبية على جسم ساقط ، ويعمل زنبرك مضغوط على كرة ، ويؤثر الوتر الممتد على السهم.

الطاقة الكامنة – هذه هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب موقعه بالنسبة للأجسام الأخرى ، أو بسبب الترتيب المتبادل لأجزاء من جسم واحد.

لذلك ، فإن قوة الجاذبية والقوة المرنة محتملتان.

طاقة الجاذبية الكامنة: En = m g h

حيث k هي صلابة الربيع ؛ س هو تشوهها.

من الأمثلة المذكورة أعلاه ، يمكن ملاحظة أنه يمكن تخزين الطاقة في شكل طاقة كامنة (رفع الجسم ، وضغط الزنبرك) لاستخدامها لاحقًا.

في الميكانيكا الحيوية ، يتم أخذ نوعين من الطاقة الكامنة في الاعتبار وأخذهما في الاعتبار: بسبب الترتيب المتبادل لوصلات الجسم بسطح الأرض (طاقة الجاذبية الكامنة) ؛ يرتبط بالتشوه المرن لعناصر النظام الميكانيكي الحيوي (العظام والعضلات والأربطة) أو أي أشياء خارجية (المعدات الرياضية ، المخزون).

الطاقة الحركيةيخزن في الجسم أثناء الحركة. الجسم المتحرك يعمل على حساب خسارته. نظرًا لأن روابط الجسم والجسم البشري تؤديان حركات انتقالية ودورانية ، فإن الطاقة الحركية الكلية (Ek) ستكون مساوية لـ: ، حيث m هي الكتلة ، V هي السرعة الخطية ، J هي لحظة القصور الذاتي للنظام ، ω هي السرعة الزاوية.

تدخل الطاقة إلى النظام الميكانيكي الحيوي بسبب تدفق عمليات التمثيل الغذائي في العضلات. إن التغيير في الطاقة ، نتيجة لإنجاز العمل ، ليس عملية عالية الكفاءة في نظام بيوميكانيكي ، أي أنه لا يتم تحويل كل الطاقة إلى عمل مفيد. يُفقد جزء من الطاقة بشكل لا رجعة فيه ، ويتحول إلى حرارة: يتم استخدام 25٪ فقط للقيام بالعمل ، ويتم تحويل الـ 75٪ المتبقية وتبديدها في الجسم.

بالنسبة للنظام الميكانيكي الحيوي ، يتم تطبيق قانون حفظ طاقة الحركة الميكانيكية بالشكل:

Epol \ u003d Ek + Epot + U ،

حيث Еpol هي إجمالي الطاقة الميكانيكية للنظام ؛ Ek هي الطاقة الحركية للنظام ؛ Epot هي الطاقة الكامنة للنظام ؛ U هي الطاقة الداخلية للنظام ، وتمثل بشكل أساسي الطاقة الحرارية.

تعتمد الطاقة الكلية للحركة الميكانيكية لنظام ميكانيكي حيوي على مصدرين للطاقة التاليين: التفاعلات الأيضية في جسم الإنسان والطاقة الميكانيكية للبيئة الخارجية (العناصر المشوهة للمعدات الرياضية ، المعدات ، الأسطح الداعمة ؛ الخصوم على اتصال التفاعلات). تنتقل هذه الطاقة من خلال قوى خارجية.

تتمثل إحدى ميزات إنتاج الطاقة في النظام الميكانيكي الحيوي في أن جزءًا واحدًا من الطاقة أثناء الحركة يتم إنفاقه على أداء الحركة الحركية الضرورية ، بينما يذهب الآخر إلى التبديد غير القابل للعكس للطاقة المخزنة ، ويتم تخزين الجزء الثالث واستخدامه أثناء الحركة اللاحقة. عند حساب الطاقة المنفقة أثناء الحركات والعمل الميكانيكي الذي يتم إجراؤه في هذه الحالة ، يتم تمثيل جسم الإنسان كنموذج لنظام ميكانيكي حيوي متعدد الوصلات مشابه للبنية التشريحية. تعتبر حركات الرابط الفردي وحركة الجسم ككل في شكل نوعين أبسط من الحركة: انتقالية ودورانية.

يمكن حساب إجمالي الطاقة الميكانيكية لبعض الوصلات من النوع i (Epol) كمجموع الجهد (Epot) والطاقة الحركية (Ek). في المقابل ، يمكن تمثيل Ek كمجموع الطاقة الحركية لمركز كتلة الارتباط (Ek.ts.m.) ، حيث تتركز كتلة الرابط بأكملها والطاقة الحركية لدوران الارتباط بالنسبة إلى مركز الكتلة (Ek. Vr.).

إذا كانت حركيات حركة الارتباط معروفة ، فإن هذا التعبير العام للطاقة الكلية للرابط سيكون له الشكل: ، حيث mi هي كتلة الرابط i ؛ ĝ - تسارع السقوط الحر ؛ hi هو ارتفاع مركز الكتلة فوق مستوى الصفر (على سبيل المثال ، فوق سطح الأرض في موقع معين) ؛ - سرعة الحركة الانتقالية لمركز الكتلة ؛ Ji هي لحظة القصور الذاتي للوصلة i بالنسبة لمحور الدوران اللحظي الذي يمر عبر مركز الكتلة ؛ ω هي السرعة الزاوية اللحظية للدوران بالنسبة للمحور اللحظي.

العمل على تغيير إجمالي الطاقة الميكانيكية للرابط (Ai) أثناء العملية من اللحظة t1 إلى اللحظة t2 يساوي الفرق في قيم الطاقة في النهاية (Ep (t2)) والأولية (Ep ( t1)) لحظات الحركة:

بطبيعة الحال ، في هذه الحالة ، يتم إنفاق العمل على تغيير الطاقة الكامنة والحركية للرابط.

إذا كان مقدار الشغل Аi> 0 ، أي أن الطاقة قد زادت ، فإنهم يقولون إن العمل الإيجابي قد تم على الرابط. إذا كان AI< 0, то есть энергия звена уменьшилась, - отрицательная работа.

يُطلق على طريقة العمل لتغيير طاقة رابط معين التغلب ، إذا كانت العضلات تؤدي عملاً إيجابياً على الرابط ؛ أقل شأنا إذا كانت العضلات تقوم بعمل سلبي على الوصلة.

يتم العمل الإيجابي عندما تنقبض العضلات مقابل حمل خارجي ، وتذهب لتسريع روابط الجسم ، والجسم ككل ، والمعدات الرياضية ، وما إلى ذلك. يتم العمل السلبي إذا كانت العضلات تقاوم التمدد بسبب تأثير القوى الخارجية. يحدث هذا عند خفض الحمل ، والنزول على الدرج ، ومواجهة القوة التي تتجاوز قوة العضلات (على سبيل المثال ، في مصارعة الذراع).

لوحظت حقائق مثيرة للاهتمام حول نسبة العمل العضلي الإيجابي والسلبي: العمل العضلي السلبي اقتصادي أكثر منه إيجابي. يؤدي الأداء الأولي للعمل السلبي إلى زيادة قيمة وكفاءة العمل الإيجابي الذي يليه.

كلما زادت سرعة حركة جسم الإنسان (أثناء ألعاب القوى في سباقات المضمار والميدان ، والتزلج ، والتزلج ، وما إلى ذلك) ، فإن الجزء الأكبر من العمل لا ينفق على نتيجة مفيدة - تحريك الجسم في الفضاء ، ولكن على تحريك الروابط نسبة إلى GMC. لذلك ، في أوضاع السرعة العالية ، يتم إنفاق العمل الرئيسي على تسريع وإبطاء روابط الجسم ، لأنه مع زيادة السرعة ، يزداد تسريع حركة روابط الجسم بشكل حاد.

الطاقة الحركية هي طاقة حركة الجسم. وفقًا لذلك ، إذا كان لدينا جسم ما لديه على الأقل بعض الكتلة وعلى الأقل بعض السرعة ، فإنه يمتلك أيضًا طاقة حركية. ومع ذلك ، فيما يتعلق بالأنظمة المرجعية المختلفة ، يمكن أن تكون هذه الطاقة الحركية لنفس الكائن مختلفة.

مثال. هناك جدة ، مقارنة بأرض كوكبنا ، في حالة راحة ، أي أنها لا تتحرك ، ولنقل على سبيل المثال ، تجلس في محطة للحافلات في انتظار الحافلة الخاصة بها. ثم ، بالنسبة لكوكبنا ، طاقته الحركية تساوي صفرًا. ولكن إذا نظرت إلى نفس الجدة من القمر أو من الشمس ، والتي يمكنك من خلالها مراقبة حركة الكوكب ، وبالتالي ، هذه الجدة ، الموجودة على كوكبنا ، فإن الجدة سيكون لديها بالفعل طاقة حركية بالنسبة لـ الأجرام السماوية المذكورة. ثم تأتي الحافلة. هذه الجدة نفسها تنهض بسرعة وتجري لتحل محلها. الآن ، بالنسبة إلى الكوكب ، لم يعد في حالة سكون ، ولكنه ينتقل إلى نفسه تمامًا. هذا يعني أن لديها طاقة حركية. وكلما كانت الجدة سمينة وأسرع ، زادت طاقتها الحركية.

هناك عدة أنواع أساسية من الطاقة - أهمها. دعني أخبرك ، على سبيل المثال ، عن الميكانيكية. وتشمل هذه الطاقة الحركية ، والتي تعتمد على سرعة وكتلة الجسم ، والطاقة الكامنة ، والتي تعتمد على المكان الذي تأخذ فيه المستوى صفر من الطاقة الكامنة ، وعلى الموضع الذي يكون فيه هذا الجسم بالنسبة إلى المستوى الصفري للطاقة الكامنة. أي أن الطاقة الكامنة هي الطاقة التي تعتمد على موضع الجسم. تميز هذه الطاقة العمل الذي يقوم به المجال الذي يقع فيه الكائن أثناء تحركه.

مثال. أنت تحمل صندوقًا ضخمًا في يديك وتسقط. الصندوق على الأرض. اتضح أنه سيكون لديك مستوى صفر من الطاقة الكامنة ، على التوالي ، على مستوى الأرض. عندئذٍ سيكون للجزء العلوي من الصندوق المزيد من الطاقة الكامنة ، لأنه فوق الأرض وفوق مستوى الصفر للطاقة الكامنة.

من الحماقة الحديث عن الطاقة دون ذكر قانون حفظها. وبالتالي ، وفقًا لقانون حفظ الطاقة ، لا يأتي هذان النوعان من الطاقة ، اللذان يصفان حالة الجسم ، من أي مكان ولا يختفيان في أي مكان ، بل ينتقلان إلى بعضهما البعض فقط.

وهنا مثال. أنا أسقط من ارتفاع المنزل ، ولدي في البداية طاقة كامنة بالنسبة للأرض في اللحظة التي تسبق القفزة ، وطاقي الحركي لا يكاد يذكر ، لذلك يمكننا مساواتها بالصفر. لذلك قمت بتمزيق رجلي من الكورنيش وتبدأ طاقتي الكامنة في الانخفاض ، حيث أن الارتفاع الذي أصبح عنده يصبح أصغر وأصغر. في نفس اللحظة ، عندما أسقط ، أحصل تدريجيًا على الطاقة الحركية ، حيث أسقط بسرعة متزايدة. في وقت السقوط ، لدي بالفعل أقصى طاقة حركية ، لكن الطاقة الكامنة هي صفر ، مثل هذه الأشياء.

تظهر التجربة اليومية أنه يمكن تحريك الأجسام الثابتة ، ويمكن إيقاف الأجسام المتحركة. نحن نفعل شيئًا باستمرار ، والعالم ينبض بالحياة ، والشمس مشرقة ... ولكن من أين يحصل البشر والحيوانات والطبيعة ككل على القوة للقيام بهذا العمل؟ هل تختفي بدون أثر؟ هل سيبدأ أحد الجسد في التحرك دون تغيير حركة الآخر؟ سنتحدث عن كل هذا في مقالتنا.

مفهوم الطاقة

لتشغيل المحركات التي تعطي الحركة للسيارات والجرارات وقاطرات الديزل والطائرات ، هناك حاجة إلى الوقود ، وهو مصدر للطاقة. تعطي المحركات الكهربائية الحركة للآلات بمساعدة الكهرباء. نظرًا لطاقة المياه المتساقطة من ارتفاع ، يتم تشغيل التوربينات الهيدروليكية ، وتوصيلها بالآلات الكهربائية التي تنتج التيار الكهربائي. يحتاج الإنسان أيضًا إلى الطاقة من أجل الوجود والعمل. يقولون أنه من أجل القيام بأي عمل ، هناك حاجة إلى الطاقة. ما هي الطاقة؟

• الملاحظة 1. ارفع الكرة فوق الأرض. أثناء وجوده في حالة من الهدوء ، لا يتم تنفيذ العمل الميكانيكي. دعونا ندعوه يذهب. تحت تأثير الجاذبية ، تسقط الكرة على الأرض من ارتفاع معين. أثناء سقوط الكرة ، يتم تنفيذ عمل ميكانيكي.
• الملاحظة 2. لنغلق الزنبرك ونصلحه بخيط ونضع ثقلًا على الزنبرك. دعونا نشعل النار في الخيط ، سوف يتم تقويم الزنبرك ورفع الوزن إلى ارتفاع معين. لقد قام الربيع بعمل ميكانيكي.
• الملاحظة 3. دعونا نربط قضيبًا بكتلة في نهاية العربة. سنرمي خيطًا خلال الكتلة ، يتم لف أحد طرفيه على محور العربة ، ويتدلى وزن على الطرف الآخر. دعونا نترك الحمل. تحت الإجراء ، سوف ينزل ويعطي حركة العربة. لقد أنجز الوزن العمل الميكانيكي.

بعد تحليل جميع الملاحظات المذكورة أعلاه ، يمكننا أن نستنتج أنه إذا قام جسم أو عدة أجسام بعمل ميكانيكي أثناء التفاعل ، فإنهم يقولون إن لديهم طاقة أو طاقة ميكانيكية.

مفهوم الطاقة

الطاقة (من الكلمات اليونانية طاقة- النشاط) هو كمية مادية تميز قدرة الجسم على أداء العمل. وحدة الطاقة ، بالإضافة إلى العمل في نظام SI ، هي جول واحد (1 J). في الكتابة ، يتم الإشارة إلى الطاقة بالحرف ه. من التجارب المذكورة أعلاه يمكن ملاحظة أن الجسم يعمل عندما ينتقل من حالة إلى أخرى. في هذه الحالة ، تتغير (تقل) طاقة الجسم ، والعمل الميكانيكي الذي يؤديه الجسم يساوي نتيجة التغيير في طاقته الميكانيكية.

أنواع الطاقة الميكانيكية. مفهوم الطاقة الكامنة

هناك نوعان من الطاقة الميكانيكية: المحتملة والحركية. الآن دعونا نلقي نظرة فاحصة على الطاقة الكامنة.

الطاقة الكامنة (PE) - يتم تحديدها من خلال الوضع المتبادل للأجسام التي تتفاعل ، أو أجزاء من نفس الجسم. نظرًا لأن أي جسم والأرض يجذبان بعضهما البعض ، أي أنهما يتفاعلان ، فإن PE للجسم المرتفع فوق الأرض سيعتمد على ارتفاع الارتفاع ح. كلما ارتفع الجسم ، زادت درجة قوته. لقد ثبت تجريبياً أن PE لا يعتمد فقط على الارتفاع الذي تم رفعه إليه ، ولكن أيضًا على وزن الجسم. إذا تم رفع الجثث إلى نفس الارتفاع ، فإن الجسم ذي الكتلة الكبيرة سيكون له أيضًا PE كبير. صيغة هذه الطاقة كما يلي: E p \ u003d mgh ،أين ه صهي الطاقة الكامنة م- وزن الجسم ، g = 9.81 N / kg ، h - الارتفاع.

الطاقة الكامنة في الربيع

الطاقة الكامنة للجسم المشوه بشكل مرن هي الكمية المادية ه ص ،والتي ، عندما تتغير سرعة الحركة الانتقالية تحت الإجراء ، تنخفض تمامًا بقدر زيادة الطاقة الحركية. تحتوي الينابيع (بالإضافة إلى الأجسام الأخرى المشوهة بشكل مرن) على PE يساوي نصف ناتج صلابتها كلكل مربع الاعوجاج: س = كس 2: 2.

الطاقة الحركية: الصيغة والتعريف

في بعض الأحيان ، يمكن التفكير في معنى الشغل الميكانيكي دون استخدام مفاهيم القوة والإزاحة ، مع التركيز على حقيقة أن الشغل يميز تغييرًا في طاقة الجسم. كل ما نحتاجه هو كتلة الجسم وسرعته الأولية والنهائية ، والتي ستقودنا إلى الطاقة الحركية. الطاقة الحركية (KE) هي الطاقة التي ينتمي إليها الجسم بسبب حركته.

تمتلك الرياح طاقة حركية وتستخدم لتشغيل توربينات الرياح. يتحرك الضغط على الطائرات المائلة لأجنحة توربينات الرياح وتسببها في الدوران. تنتقل الحركة الدورانية عن طريق أنظمة النقل إلى الآليات التي تؤدي عملاً معينًا. تفقد المياه المنقولة التي تدير توربينات محطة توليد الكهرباء جزءًا من CE أثناء القيام بالعمل. طائرة تحلق عالياً في السماء ، بالإضافة إلى PE ، حاصلة على CE. إذا كان الجسم في حالة سكون ، أي سرعته بالنسبة إلى الأرض تساوي صفرًا ، فإن KE بالنسبة إلى الأرض تساوي صفرًا. لقد ثبت تجريبياً أنه كلما زادت كتلة الجسم والسرعة التي يتحرك بها ، زادت KE. صيغة الطاقة الحركية للحركة الانتقالية من الناحية الرياضية هي كما يلي:

أين إلى- الطاقة الحركية، م- كتلة الجسم، الخامس- سرعة.

تغير في الطاقة الحركية

نظرًا لأن سرعة الجسم هي الكمية التي تعتمد على اختيار النظام المرجعي ، فإن قيمة KE للجسم تعتمد أيضًا على اختياره. يحدث التغيير في الطاقة الحركية (IKE) للجسم بسبب تأثير قوة خارجية على الجسم F. الكمية المادية لكن، وهو ما يساوي IKE ΔE إلىبسبب عمل القوة F ، يسمى العمل: A = ΔE ك. إذا كان الجسم يتحرك بسرعة الخامس 1 ، تعمل القوة Fبالتزامن مع الاتجاه ، ستزداد سرعة الجسم على مدار فترة زمنية رلبعض القيمة الخامس 2 . في هذه الحالة ، يساوي IKE:

أين م- كتلة الجسم؛ د- المسافة التي يقطعها الجسم ؛ V f1 = (V 2 - V 1) ؛ V f2 = (V 2 + V 1) ؛ أ = F: م. وفقًا لهذه الصيغة ، يتم حساب الطاقة الحركية من خلال المقدار. يمكن أن تحتوي الصيغة أيضًا على التفسير التالي: ΔE ك \ u003d Flcos ά ، أين cosά هي الزاوية بين متجهات القوة Fوالسرعة الخامس.

متوسط ​​الطاقة الحركية

الطاقة الحركية هي الطاقة التي تحددها سرعة حركة النقاط المختلفة التي تنتمي إلى هذا النظام. ومع ذلك ، يجب أن نتذكر أنه من الضروري التمييز بين طاقتين تميزان مختلفتي الترجمة والتناوب. (SKE) في هذه الحالة هو متوسط ​​الفرق بين مجموع طاقات النظام بأكمله وطاقته الهادئة ، أي في الواقع ، قيمته هي متوسط ​​قيمة الطاقة الكامنة. صيغة متوسط ​​الطاقة الحركية هي كما يلي:

أين ك هو ثابت بولتزمان ؛ T هي درجة الحرارة. هذه المعادلة هي أساس النظرية الحركية الجزيئية.

متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز

أثبتت تجارب عديدة أن متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز في حركة انتقالية عند درجة حرارة معينة هو نفسه ولا يعتمد على نوع الغاز. بالإضافة إلى ذلك ، وجد أيضًا أنه عند تسخين الغاز بمقدار 1 درجة مئوية ، تزداد هيئة الأوراق المالية والبورصات بنفس القيمة. بتعبير أدق ، هذه القيمة تساوي: ΔE ك = 2.07 × 10 -23 جول / س.من أجل حساب متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز في الحركة الانتقالية ، من الضروري ، بالإضافة إلى هذه القيمة النسبية ، معرفة قيمة مطلقة واحدة على الأقل لطاقة الحركة الانتقالية. في الفيزياء ، يتم تحديد هذه القيم بدقة تامة لمجموعة واسعة من درجات الحرارة. على سبيل المثال ، عند درجة حرارة ر \ u003d 500 درجة مئويةالطاقة الحركية للحركة الانتقالية للجزيء إك = 1600 × 10 -23 ج. معرفة كميتين ( ΔE إلى و ه ك) ، يمكننا حساب طاقة الحركة الانتقالية للجزيئات عند درجة حرارة معينة ، وحل المسألة العكسية - لتحديد درجة الحرارة من قيم الطاقة المعطاة.

أخيرًا ، يمكننا أن نستنتج أن متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات ، التي وردت صيغتها أعلاه ، تعتمد فقط على درجة الحرارة المطلقة (ولأي حالة إجمالية للمواد).

قانون حفظ الطاقة الميكانيكية الكلية

أظهرت دراسة حركة الأجسام تحت تأثير قوى الجاذبية والمرونة أن هناك كمية فيزيائية معينة تسمى الطاقة الكامنة ه ص؛ يعتمد على إحداثيات الجسم ، وتغييره يساوي IKE ، الذي يؤخذ بعلامة معاكسة: Δ ه ص =-ΔE ك.لذا ، فإن مجموع التغييرات في KE و PE للجسم ، والتي تتفاعل مع قوى الجاذبية والقوى المرنة ، تساوي 0 : Δ E p +ΔE ك = 0.يتم استدعاء القوى التي تعتمد فقط على إحداثيات الجسم محافظ.القوى الجاذبة والمرنة هي قوى محافظة. مجموع الطاقات الحركية والإمكانات للجسم هو إجمالي الطاقة الميكانيكية: E p +E ك \ u003d E.

هذه الحقيقة التي تم إثباتها بأدق التجارب ،
اتصل قانون حفظ الطاقة الميكانيكية. إذا تفاعلت الأجسام مع قوى تعتمد على سرعة الحركة النسبية ، فلن يتم حفظ الطاقة الميكانيكية في نظام الأجسام المتفاعلة. مثال على قوى من هذا النوع تسمى غير متحفظ، هي قوى الاحتكاك. إذا كانت قوى الاحتكاك تؤثر على الجسم ، فعند التغلب عليها ، من الضروري إنفاق الطاقة ، أي أن جزءًا منها يستخدم لأداء عمل ضد قوى الاحتكاك. ومع ذلك ، فإن انتهاك قانون الحفاظ على الطاقة هنا هو مجرد وهمي ، لأنه حالة منفصلة عن القانون العام لحفظ الطاقة وتحويلها. طاقة الجسد لا تختفي ولا تظهر مرة أخرى:إنه يتحول فقط من شكل إلى آخر. قانون الطبيعة هذا مهم للغاية ، ويتم تنفيذه في كل مكان. كما يطلق عليه أحيانًا القانون العام لحفظ الطاقة وتحويلها.

العلاقة بين الطاقة الداخلية للجسم والطاقات الحركية والطاقات الكامنة

الطاقة الداخلية (U) للجسم هي الطاقة الكلية للجسم مطروحًا منها KE للجسم ككل و PE في مجال القوة الخارجية. من هذا يمكننا أن نستنتج أن الطاقة الداخلية تتكون من CE للحركة الفوضوية للجزيئات ، و PE للتفاعل بينها ، والطاقة داخل الجزيء. الطاقة الداخلية هي وظيفة لا لبس فيها لحالة النظام ، مما يعني ما يلي: إذا كان النظام في حالة معينة ، فإن طاقته الداخلية تأخذ قيمها المتأصلة ، بغض النظر عما حدث سابقًا.

النسبية

عندما تكون سرعة الجسم قريبة من سرعة الضوء ، يتم حساب الطاقة الحركية بالصيغة التالية:

يمكن أيضًا حساب الطاقة الحركية للجسم ، التي كتبت صيغتها أعلاه ، وفقًا لهذا المبدأ:

أمثلة على مهام إيجاد الطاقة الحركية

1. قارن بين الطاقة الحركية لكرة وزنها 9 جرام تطير بسرعة 300 م / ث وشخص يزن 60 كجم يعمل بسرعة 18 كم / ساعة.

فماذا يعطينا: م 1 \ u003d 0.009 كجم ؛ V 1 \ u003d 300 م / ث ؛ م 2 \ u003d 60 كجم ، V 2 = 5 م / ث.

المحلول:

• الطاقة الحركية (الصيغة): E k \ u003d mv 2: 2.
• لدينا جميع البيانات الخاصة بالحساب ، وبالتالي سنجدها من E إلىلكل من الشخص والكرة.
• E k1 \ u003d (0.009 كجم × (300 م / ث) 2): 2 \ u003d 405 J ؛
• E k2 \ u003d (60 كجم × (5 م / ث) 2): 2 \ u003d 750 ج.
• ه ك 1< ه ك 2.

الجواب: الطاقة الحركية للكرة أقل من طاقة الإنسان.

2. رُفع جسم كتلته 10 كجم إلى ارتفاع 10 أمتار ، وبعد ذلك تم إطلاقه. ما هو FE سيكون على ارتفاع 5 أمتار؟ يمكن إهمال مقاومة الهواء.

فماذا يعطينا: م = 10 كجم ؛ ح = 10 م ؛ ح 1 = 5 م ؛ ز = 9.81 نيوتن / كجم. E k1 -؟

المحلول:

• جسم كتلة معينة ، مرفوعًا إلى ارتفاع معين ، لديه طاقة كامنة: E p \ u003d mgh. إذا سقط الجسم ، فعند ارتفاع معين h 1 سوف يتعرق. الطاقة E p \ u003d mgh 1 والأقارب. الطاقة E k1. من أجل العثور على الطاقة الحركية بشكل صحيح ، فإن الصيغة التي تم تقديمها أعلاه لن تساعد ، وبالتالي سنحل المشكلة باستخدام الخوارزمية التالية.
• في هذه الخطوة ، نستخدم قانون الحفاظ على الطاقة ونكتب: ه ص 1 +ه ك 1 \ u003d هص.
• ثم ه ك 1 = هف - ه ص 1 = ملغ- mgh 1 = ملغ (ح ح 1).
• بالتعويض عن قيمنا في الصيغة ، نحصل على: E k1 = 10 × 9.81 (10-5) = 490.5 ج.

الجواب: E k1 \ u003d 490.5 J.

3. حذافة مع الكتلة مونصف القطر R ،يلتف حول محور يمر عبر مركزه. سرعة التفاف دولاب الموازنة - ω . من أجل إيقاف دولاب الموازنة ، يتم ضغط حذاء المكابح على حافته ، ويعمل عليه بقوة احتكاك F. كم عدد الثورات التي تقوم بها دولاب الموازنة قبل أن تتوقف تمامًا؟ لاحظ أن كتلة دولاب الموازنة تتركز على الحافة.

فماذا يعطينا: م ؛ ص ؛ ω; احتكاك F. ن-؟

المحلول:

• عند حل المشكلة ، سنعتبر أن ثورات دولاب الموازنة تشبه ثورات حلقة متجانسة رفيعة بنصف قطر ص والوزن م الذي يدور بسرعة زاوية ω.
• الطاقة الحركية لمثل هذا الجسم هي: E ك \ u003d (J ω 2): 2 ، أين J = م ص 2 .
• ستتوقف دولاب الموازنة شريطة أن يتم إنفاق FE بالكامل على العمل للتغلب على قوة الاحتكاك احتكاك F ينشأ بين حذاء الفرامل والحافة: ه ك \ u003d احتكاك F ، أين س- 2 πRN = (م ص 2 ω 2): 2 ومن أين N = ( م ω 2 ص): (4 π F tr).

الجواب: N = (mω 2 R): (4πF tr).

أخيراً

الطاقة هي أهم عنصر في جميع مناحي الحياة ، لأنه بدونها لا يمكن لأجساد القيام بأي عمل بما في ذلك البشر. نعتقد أن المقالة أوضحت لك ماهية الطاقة ، وسيساعدك العرض التفصيلي لجميع جوانب أحد مكوناتها - الطاقة الحركية - على فهم العديد من العمليات التي تجري على كوكبنا. وكيفية العثور على الطاقة الحركية ، يمكنك التعلم من الصيغ أعلاه وأمثلة لحل المشكلات.

الطاقة هي ما يجعل الحياة ممكنة ليس فقط على كوكبنا ، ولكن أيضًا في الكون. ومع ذلك ، يمكن أن يكون مختلفًا جدًا. لذا ، فإن الحرارة ، والصوت ، والضوء ، والكهرباء ، وأجهزة الميكروويف ، والسعرات الحرارية هي أنواع مختلفة من الطاقة. لجميع العمليات التي تحدث من حولنا ، هذه المادة ضرورية. تستقبل الشمس معظم الطاقة الموجودة على الأرض ، ولكن هناك مصادر أخرى لها. تنقلها الشمس إلى كوكبنا ما يصل إلى 100 مليون من أقوى محطات الطاقة التي يمكن أن تنتجها في نفس الوقت.

ما هي الطاقة؟

تدرس النظرية التي طرحها ألبرت أينشتاين العلاقة بين المادة والطاقة. استطاع هذا العالم العظيم إثبات قدرة مادة ما على التحول إلى مادة أخرى. في الوقت نفسه ، اتضح أن الطاقة هي أهم عامل في وجود الأجسام ، وأن المادة ثانوية.

الطاقة ، إلى حد كبير ، هي القدرة على القيام ببعض الأعمال. هي التي تقف وراء مفهوم القوة القادرة على تحريك الجسم أو إعطائه خصائص جديدة. ماذا يعني مصطلح "الطاقة"؟ الفيزياء هي علم أساسي كرس العديد من العلماء من مختلف العصور والبلدان حياتهم. حتى أرسطو استخدم كلمة "طاقة" للإشارة إلى النشاط البشري. ترجمت "الطاقة" من اللغة اليونانية ، "النشاط" ، "القوة" ، "الفعل" ، "القوة". ظهرت هذه الكلمة لأول مرة في أطروحة لعالم يوناني تسمى "الفيزياء".

بالمعنى المقبول عمومًا الآن ، تم تقديم هذا المصطلح قيد الاستخدام من قبل فيزيائي إنجليزي ، وحدث هذا الحدث المهم في عام 1807. في الخمسينيات من القرن التاسع عشر. كان الميكانيكي الإنجليزي ويليام طومسون أول من استخدم مفهوم "الطاقة الحركية" ، وفي عام 1853 قدم الفيزيائي الاسكتلندي ويليام رانكين مصطلح "الطاقة الكامنة".

اليوم ، هذه الكمية العددية موجودة في جميع فروع الفيزياء. إنه مقياس واحد لأشكال مختلفة من الحركة وتفاعل المادة. بمعنى آخر ، إنه مقياس لتحويل شكل إلى آخر.

وحدات القياس والتسميات

يتم قياس مقدار الطاقة ، وقد يكون لهذه الوحدة الخاصة ، اعتمادًا على نوع الطاقة ، تسميات مختلفة ، على سبيل المثال:

• W هي الطاقة الكلية للنظام.
• س - حراري.
• ش - الإمكانيات.

أنواع الطاقة

هناك أنواع مختلفة من الطاقة في الطبيعة. أهمها:

• ميكانيكي؛
• الكهرومغناطيسي؛
• كهربائي؛
• المواد الكيميائية؛
• الحرارية.
• نووي (ذري).

هناك أنواع أخرى من الطاقة: ضوء ، صوت ، مغناطيسي. في السنوات الأخيرة ، يميل عدد متزايد من الفيزيائيين إلى فرضية وجود ما يسمى بالطاقة "المظلمة". كل نوع من الأنواع المذكورة سابقًا من هذه المادة له خصائصه الخاصة. على سبيل المثال ، يمكن أن تنتقل الطاقة الصوتية باستخدام الموجات. إنها تساهم في اهتزاز طبلة الأذن في أذن الناس والحيوانات ، وبفضل ذلك يمكن سماع الأصوات. في سياق التفاعلات الكيميائية المختلفة ، يتم إطلاق الطاقة اللازمة لحياة جميع الكائنات الحية. أي وقود ، طعام ، بطاريات ، بطاريات هي تخزين هذه الطاقة.

يعطي النجم الخاص بنا طاقة الأرض على شكل موجات كهرومغناطيسية. بهذه الطريقة فقط يمكنها التغلب على مساحات الكون. بفضل التكنولوجيا الحديثة ، مثل الألواح الشمسية ، يمكننا استخدامها بأكبر قدر من التأثير. تتراكم الطاقة الزائدة غير المستخدمة في مرافق تخزين الطاقة الخاصة. إلى جانب أنواع الطاقة المذكورة أعلاه ، غالبًا ما تستخدم الينابيع الحرارية والأنهار والمحيطات والوقود الحيوي.

الطاقة الميكانيكية

يتم دراسة هذا النوع من الطاقة في فرع الفيزياء المسمى "الميكانيكا". يُشار إليه بالحرف E. ويقاس بالجول (J). ما هذه الطاقة؟ تدرس فيزياء الميكانيكا حركة الأجسام وتفاعلها مع بعضها البعض أو مع المجالات الخارجية. في هذه الحالة ، تسمى الطاقة الناتجة عن حركة الأجسام الحركية (يُرمز إليها بـ Ek) ، وتسمى الطاقة الناتجة عن الحقول الخارجية المحتملة (Ep). مجموع الحركة والتفاعل هو إجمالي الطاقة الميكانيكية للنظام.

هناك قاعدة عامة لحساب كلا النوعين. لتحديد مقدار الطاقة ، من الضروري حساب الشغل المطلوب لنقل الجسم من الحالة الصفرية إلى هذه الحالة. علاوة على ذلك ، كلما زاد العمل ، زادت الطاقة التي يتمتع بها الجسم في هذه الحالة.

فصل الأنواع حسب الخصائص المختلفة

هناك عدة أنواع من تقاسم الطاقة. وفقًا لمعايير مختلفة ، يتم تقسيمها إلى: خارجي (حركي ومحتمل) وداخلي (ميكانيكي ، حراري ، كهرومغناطيسي ، نووي ، جاذبية). تنقسم الطاقة الكهرومغناطيسية بدورها إلى طاقة مغناطيسية وكهربائية ، ونووية - إلى طاقة تفاعلات ضعيفة وقوية.

حركية

يتميز أي جسم متحرك بوجود الطاقة الحركية. كثيرا ما يطلق عليه ذلك - القيادة. تُفقد طاقة الجسم المتحرك عندما تتباطأ. وبالتالي ، كلما زادت السرعة ، زادت الطاقة الحركية.

عندما يتلامس جسم متحرك مع جسم ثابت ، يتم نقل جزء من الجسم الحركي إلى الأخير ، مما يجعله يتحرك. صيغة الطاقة الحركية هي كما يلي:

• E ك \ u003d mv 2: 2 ،
  حيث م هي كتلة الجسم ، و هي سرعة الجسم.

بالكلمات ، يمكن التعبير عن هذه الصيغة على النحو التالي: الطاقة الحركية لجسم ما تساوي نصف حاصل ضرب كتلته ومربع سرعته.

القدره

هذا النوع من الطاقة تمتلكه الأجسام الموجودة في أي مجال قوة. لذلك ، يحدث المغناطيس عندما يكون الجسم تحت تأثير مجال مغناطيسي. تمتلك جميع الأجسام على الأرض طاقة جاذبية محتملة.

اعتمادًا على خصائص كائنات الدراسة ، يمكن أن يكون لديهم أنواع مختلفة من الطاقة الكامنة. لذلك ، فإن الأجسام المرنة والمرنة القادرة على التمدد لديها طاقة محتملة من المرونة أو التوتر. أي جسم ساقط كان بلا حراك سابقًا يفقد إمكاناته ويكتسب الحركية. في هذه الحالة ، ستكون قيمة هذين النوعين متساوية. في مجال الجاذبية لكوكبنا ، سيكون لمعادلة الطاقة الكامنة الشكل التالي:

• ه ص = mhg ،
  أين م هو وزن الجسم ؛ ح هو ارتفاع مركز كتلة الجسم فوق مستوى الصفر ؛ g هي تسارع السقوط الحر.

بالكلمات ، يمكن التعبير عن هذه الصيغة على النحو التالي: الطاقة الكامنة لجسم يتفاعل مع الأرض تساوي ناتج كتلته ، وتسارع السقوط الحر والارتفاع الذي يقع عنده.

هذه القيمة العددية هي سمة من سمات احتياطي الطاقة لنقطة مادية (جسم) تقع في مجال قوة محتملة وتستخدم لاكتساب الطاقة الحركية بسبب عمل قوى المجال. يطلق عليها أحيانًا وظيفة الإحداثيات ، وهي مصطلح في لانغرانج (وظيفة لاغرانج للنظام الديناميكي). يصف هذا النظام تفاعلهم.

تعادل الطاقة الكامنة صفرًا لتكوين معين للأجسام الموجودة في الفضاء. يتم تحديد اختيار التكوين من خلال ملاءمة المزيد من الحسابات ويسمى "تطبيع الطاقة الكامنة".

قانون الحفاظ على الطاقة

يعد قانون الحفاظ على الطاقة أحد أكثر الافتراضات الأساسية للفيزياء. حسب قوله ، لا تظهر الطاقة من أي مكان ولا تختفي في أي مكان. يتغير باستمرار من شكل إلى آخر. بعبارة أخرى ، لا يوجد سوى تغيير في الطاقة. لذلك ، على سبيل المثال ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية لبطارية مصباح يدوي إلى طاقة كهربائية ، ومنها إلى ضوء وحرارة. تقوم الأجهزة المنزلية المختلفة بتحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء أو حرارة أو صوت. في أغلب الأحيان ، تكون النتيجة النهائية للتغيير هي الحرارة والضوء. بعد ذلك ، تذهب الطاقة إلى الفضاء المحيط.

قانون الطاقة قادر على تفسير جادل العديد من العلماء أن الحجم الكلي في الكون لا يزال دون تغيير. لا أحد يستطيع توليد الطاقة من جديد أو تدميرها. في تطوير أحد أنواعه ، يستخدم الناس طاقة الوقود ، والمياه المتساقطة ، والذرة. في الوقت نفسه ، يتحول أحد أشكاله إلى شكل آخر.

في عام 1918 ، تمكن العلماء من إثبات أن قانون حفظ الطاقة هو نتيجة رياضية للتناظر الانتقالي للوقت - مقدار الطاقة المترافقة. بمعنى آخر ، يتم الحفاظ على الطاقة بسبب حقيقة أن قوانين الفيزياء لا تختلف في أوقات مختلفة.

ميزات الطاقة

الطاقة هي قدرة الجسم على القيام بعمل. في الأنظمة الفيزيائية المغلقة ، يتم الحفاظ عليها طوال الوقت (طالما كان النظام مغلقًا) وهي واحدة من ثلاثة تكاملات مضافة للحركة تحافظ على القيمة أثناء الحركة. وهي تشمل: الطاقة ، اللحظة إن إدخال مفهوم "الطاقة" يكون مفيدًا عندما يكون النظام المادي متجانسًا في الوقت المناسب.

الطاقة الداخلية للهيئات

إنه مجموع طاقات التفاعلات الجزيئية والحركات الحرارية للجزيئات التي تتكون منها. لا يمكن قياسها مباشرة لأنها دالة ذات قيمة واحدة لحالة النظام. عندما يجد النظام نفسه في حالة معينة ، يكون لطاقته الداخلية قيمة متأصلة ، بغض النظر عن تاريخ وجود النظام. دائمًا ما يكون التغيير في الطاقة الداخلية في عملية الانتقال من حالة فيزيائية إلى أخرى مساويًا للفرق بين قيمها في الحالتين النهائية والأولية.

الطاقة الداخلية للغاز

بالإضافة إلى المواد الصلبة ، تحتوي الغازات أيضًا على طاقة. يمثل الطاقة الحركية للحركة الحرارية (الفوضوية) لجزيئات النظام ، والتي تشمل الذرات والجزيئات والإلكترونات والنوى. الطاقة الداخلية للغاز المثالي (نموذج رياضي للغاز) هي مجموع الطاقات الحركية لجزيئاته. يأخذ هذا في الاعتبار عدد درجات الحرية ، وهو عدد المتغيرات المستقلة التي تحدد موضع الجزيء في الفضاء.

في كل عام ، تستهلك البشرية كمية متزايدة من موارد الطاقة. غالبًا ما تستخدم الهيدروكربونات الأحفورية مثل الفحم والنفط والغاز لتوليد الطاقة اللازمة لإضاءة منازلنا وتدفئتها وتشغيل المركبات والآليات المختلفة. إنها موارد غير متجددة.

لسوء الحظ ، يأتي جزء ضئيل فقط من الطاقة على كوكبنا من مصادر متجددة مثل المياه والرياح والشمس. حتى الآن ، تبلغ حصتهم في قطاع الطاقة 5٪ فقط. 3٪ أخرى من الناس يتلقون في شكل طاقة نووية منتجة في محطات الطاقة النووية.

لديهم الاحتياطيات التالية (بالجول):

• الطاقة النووية - 2 × 10 24 ؛
• طاقة الغاز والنفط - 2 × 10 23 ؛
• الحرارة الداخلية للكوكب - 5 × 10 20.

القيمة السنوية لموارد الأرض المتجددة:

• الطاقة الشمسية - 2 × 10 24 ؛
• ريح - 6 × 10 21 ؛
• الأنهار - 6.5 × 10 19 ؛
• المد البحري - 2.5 × 10 23.

فقط مع الانتقال في الوقت المناسب من استخدام احتياطيات الطاقة غير المتجددة للأرض إلى احتياطيات الطاقة المتجددة ، يكون لدى البشرية فرصة لوجود طويل وسعيد على كوكبنا. لتنفيذ التطورات المتقدمة ، يواصل العلماء في جميع أنحاء العالم دراسة الخصائص المختلفة للطاقة بعناية.

طاقة تفاعل الهيئات. لا يمكن أن يمتلك الجسم نفسه طاقة كامنة. تتحدد بالقوة المؤثرة على الجسم من جانب جسم آخر. بما أن الأجسام المتفاعلة متساوية إذن الطاقة الكامنةتمتلك أجسادًا متفاعلة فقط.

أ = خ = ملغ (h1 - h2).

فكر الآن في حركة جسم على مستوى مائل. عندما يتحرك الجسم على مستوى مائل ، تعمل الجاذبية

أ = mgscosα.

يتضح من الشكل أن سكوسلفا = ح، بالتالي

لكن = ملغح.

اتضح أن عمل الجاذبية لا يعتمد على مسار الجسم.

المساواة أ = ملغ (h1 - h2) يمكن كتابتها كـ أ = - (ملغح 2 - ملغ ح 1 ).

أي ، عمل الجاذبية عند تحريك جسم بكتلة ممن نقطة h1بالضبط h2على طول أي مسار يساوي التغيير في بعض الكمية المادية mghمع الإشارة المعاكسة.

تسمى الكمية المادية التي تساوي ناتج كتلة الجسم بوحدة تسارع السقوط الحر والارتفاع الذي يرتفع عليه الجسم فوق سطح الأرض بالطاقة الكامنة للجسم.

يتم الإشارة إلى الطاقة الكامنة بواسطة إي ص. إي ص = mgh، بالتالي:

أ = - (هص 2 - هص 1 ).

يمكن أن يمتلك الجسم طاقة كامنة إيجابية وسلبية. كتلة الجسم مفي العمق حمن سطح الأرض لديه طاقة كامنة سلبية: إي ص = - mgh.

ضع في اعتبارك الطاقة الكامنة للجسم المشوه بشكل مرن.

نعلق على الربيع مع الصلابة كقم بتمديد الزنبرك وتحرير الشريط. تحت تأثير القوة المرنة ، فإن الزنبرك الممتد سيحفز القضيب ويحركه مسافة معينة. احسب عمل القوة المرنة للربيع من قيمة ابتدائية ما × 1الى النهائي x2.

تتغير القوة المرنة في عملية تشوه الزنبرك. لإيجاد عمل القوة المرنة ، يمكنك أخذ حاصل ضرب متوسط ​​قيمة معامل القوة ومعامل الإزاحة:

لكن = F(× 1 - x2).

نظرًا لأن القوة المرنة تتناسب مع تشوه الزنبرك ، فإن متوسط ​​قيمة معاملها هو

بالتعويض عن هذا التعبير في صيغة عمل القوة ، نحصل على:

الكمية المادية التي تساوي نصف ناتج صلابة الجسم وتسمى مربع تشوهه الطاقة الكامنةجسم مشوه مرن:

من أين يتبع ذلك أ = - (ه ص 2 - ه ص 1).

مثل الحجم mgh, الطاقة الكامنةيعتمد الجسم المشوه مرنًا على الإحداثيات ، منذ ذلك الحين x 1 و x 2 هي امتدادات الربيع وفي نفس الوقت إحداثيات نهاية الربيع. لذلك يمكننا القول أن الطاقة الكامنة في جميع الحالات تعتمد على الإحداثيات.