Potencijalna energija. Potencijalna i kinetička energija

Mišići koji pokreću karike tijela obavljaju mehanički rad.

Posao u nekom pravcu je proizvod sile (F) koja djeluje u smjeru kretanja tijela na putu koji je prešao(S): A = F S.

Za obavljanje posla potrebna je energija. Stoga, kada se rad završi, energija u sistemu se smanjuje. Budući da je za obavljanje posla potrebna opskrba energijom, potonji se može definirati na sljedeći način: Energija – ovo je prilika da se radi, ovo je neka mera "resursa" dostupnog u mehaničkom sistemu za njegove performanse. Osim toga, energija je mjera prijelaza s jedne vrste kretanja na drugu.

U biomehanici, sljedeće glavne vrste energije:

Potencijal, u zavisnosti od relativnog položaja elemenata mehaničkog sistema ljudskog tela;

Kinetičko translacijsko kretanje;

Kinetičko rotaciono kretanje;

Potencijalna deformacija elemenata sistema;

Thermal;

procesi razmene.

Ukupna energija biomehaničkog sistema jednaka je zbiru svih navedenih vrsta energije.

Podizanjem tijela, sabijanjem opruge, moguće je akumulirati energiju u obliku potencijala za njeno naknadno korištenje. Potencijalna energija je uvijek povezana s jednom ili drugom silom koja djeluje s jednog tijela na drugo. Na primjer, Zemlja djeluje gravitacijom na objekt koji pada, komprimirana opruga djeluje na loptu, istegnuta tetiva djeluje na strijelu.

Potencijalna energija – to je energija koju tijelo posjeduje zbog svog položaja u odnosu na druga tijela, ili zbog međusobnog rasporeda dijelova jednog tijela.

Dakle, gravitaciona sila i sila elastičnosti su potencijalne.

Gravitaciona potencijalna energija: En = m g h

gdje je k krutost opruge; x je njegova deformacija.

Iz gornjih primjera se može vidjeti da se energija može pohraniti u obliku potencijalne energije (podići tijelo, stisnuti oprugu) za kasniju upotrebu.

U biomehanici se razmatraju i uzimaju u obzir dvije vrste potencijalne energije: zbog međusobnog rasporeda veza tijela sa površinom Zemlje (gravitacijska potencijalna energija); povezana s elastičnom deformacijom elemenata biomehaničkog sistema (kosti, mišići, ligamenti) ili bilo kojih vanjskih predmeta (sportska oprema, inventar).

Kinetička energija pohranjene u tijelu tokom kretanja. Tijelo koje se kreće radi na račun svog gubitka. Pošto veze tela i ljudskog tela vrše translaciona i rotirajuća kretanja, ukupna kinetička energija (Ek) će biti jednaka: , gde je m masa, V je linearna brzina, J je moment inercije sistema , ω je ugaona brzina.

Energija ulazi u biomehanički sistem zbog protoka metaboličkih metaboličkih procesa u mišićima. Promjena energije, uslijed koje se obavlja rad, nije visoko efikasan proces u biomehaničkom sistemu, odnosno ne pretvara se sva energija u koristan rad. Dio energije se nepovratno gubi, pretvarajući se u toplinu: samo 25% se koristi za rad, preostalih 75% se pretvara i raspršuje u tijelu.

Za biomehanički sistem primenjuje se zakon održanja energije mehaničkog kretanja u obliku:

Epol \u003d Ek + Epot + U,

gdje je Epol ukupna mehanička energija sistema; Ek je kinetička energija sistema; Epot je potencijalna energija sistema; U je unutrašnja energija sistema, koja predstavlja uglavnom toplotnu energiju.

Ukupna energija mehaničkog kretanja biomehaničkog sistema zasnovana je na sledeća dva izvora energije: metaboličke reakcije u ljudskom telu i mehanička energija spoljašnje sredine (deformišući elementi sportske opreme, opreme, potpornih površina; protivnici u kontaktu interakcije). Ova energija se prenosi vanjskim silama.

Karakteristika proizvodnje energije u biomehaničkom sistemu je da se jedan dio energije tokom kretanja troši na izvođenje potrebne motoričke radnje, drugi ide na nepovratno rasipanje uskladištene energije, treći se pohranjuje i koristi prilikom naknadnog kretanja. Prilikom izračunavanja energije utrošene tokom pokreta i mehaničkog rada koji se u ovom slučaju izvodi, ljudsko tijelo se predstavlja kao model viševeznog biomehaničkog sistema sličnog anatomskoj strukturi. Pokreti pojedine karike i kretanje tijela u cjelini razmatraju se u obliku dva jednostavnija tipa kretanja: translacijskog i rotacijskog.

Ukupna mehanička energija neke i-te karike (Epol) može se izračunati kao zbir potencijalne (Epot) i kinetičke energije (Ek). Zauzvrat, Ek se može predstaviti kao zbir kinetičke energije centra mase karike (Ek.ts.m.), u kojoj je koncentrisana cijela masa karike, i kinetičke energije rotacije veza u odnosu na centar mase (Ek. Vr.).

Ako je kinematika kretanja karike poznata, ovaj opšti izraz za ukupnu energiju karike imat će oblik: , gdje je mi masa i-te karike; ĝ – ubrzanje slobodnog pada; hi je visina centra mase iznad neke nulte razine (na primjer, iznad površine Zemlje na datoj lokaciji); - brzina translatornog kretanja centra mase; Ji je moment inercije i-te karike u odnosu na trenutnu os rotacije koja prolazi kroz centar mase; ω je trenutna ugaona brzina rotacije u odnosu na trenutnu osu.

Rad na promjeni ukupne mehaničke energije veze (Ai) u toku rada od trenutka t1 do trenutka t2 jednak je razlici vrijednosti energije na konačnoj (Ep(t2)) i početnoj (Ep( t1)) momenti kretanja:

Naravno, u ovom slučaju, rad se troši na promjenu potencijalne i kinetičke energije veze.

Ako je količina rada Ai > 0, odnosno energija povećana, onda kažu da je na vezi izvršen pozitivan rad. Ako AI< 0, то есть энергия звена уменьшилась, - отрицательная работа.

Način rada za promjenu energije date karike naziva se prevladavanje, ako mišići vrše pozitivan rad na vezi; inferiorni ako mišići rade negativan rad na vezi.

Pozitivan rad se obavlja kada se mišić kontrahuje protiv vanjskog opterećenja, ide na ubrzanje karika tijela, tijela u cjelini, sportske opreme itd. Negativan rad se vrši ako se mišići odupiru istezanju uslijed djelovanja vanjskih sila. To se događa prilikom spuštanja tereta, spuštanja niz stepenice, suprotstavljanja sili koja premašuje snagu mišića (na primjer, u hrvanju ruku).

Uočene su zanimljive činjenice o odnosu pozitivnog i negativnog mišićnog rada: negativan rad mišića je ekonomičniji nego pozitivan; Preliminarno izvođenje negativnog rada povećava vrijednost i efikasnost pozitivnog rada koji ga prati.

Što je veća brzina kretanja ljudskog tijela (tokom atletike, klizanja, skijanja itd.), veći dio posla se troši ne na koristan rezultat - kretanje tijela u prostoru, već na pomicanje karika. u odnosu na GMC. Stoga se u režimima velike brzine glavni rad troši na ubrzavanje i usporavanje karika tijela, jer se s povećanjem brzine ubrzanje kretanja karika tijela naglo povećava.

Kinetička energija je energija kretanja tijela. Prema tome, ako imamo neki predmet koji ima barem neku masu i barem neku brzinu, onda on ima i kinetičku energiju. Međutim, s obzirom na različite referentne sisteme, ova kinetička energija za isti objekat može biti različita.

Primjer. Ima jedna baka koja u odnosu na zemlju naše planete miruje, odnosno ne miče se i recimo sjedi na autobuskoj stanici i čeka svoj autobus. Tada, u odnosu na našu planetu, njena kinetička energija je nula. Ali ako pogledate istu baku sa Mjeseca ili sa Sunca, u odnosu na koju možete promatrati kretanje planete i, shodno tome, ovu baku, koja je na našoj planeti, tada će baka već imati kinetičku energiju u odnosu na pomenuta nebeska tela. A onda dolazi autobus. Ova ista baka brzo ustaje i trči da zauzme svoje mjesto. Sada, u odnosu na planetu, više ne miruje, već se kreće sasvim prema sebi. To znači da ima kinetičku energiju. I što je baka deblja i brža, to je veća njena kinetička energija.

Postoji nekoliko osnovnih vrsta energije - one glavne. Dozvolite mi da vam kažem, na primjer, o mehaničkom. To uključuje kinetičku energiju, koja ovisi o brzini i masi objekta, potencijalnu energiju, koja ovisi o tome gdje se uzima nulti nivo potencijalne energije, i o poziciji gdje se ovaj objekt nalazi u odnosu na nulti nivo potencijalne energije. To jest, potencijalna energija je energija koja zavisi od položaja objekta. Ova energija karakteriše rad koji vrši polje u kojem se objekat nalazi dok se kreće.

Primjer. Nosiš ogromnu kutiju u rukama i padaš. Kutija je na podu. Ispada da ćete imati nulti nivo potencijalne energije, odnosno na nivou poda. Tada će gornji dio kutije imati više potencijalne energije, jer je iznad poda i iznad nulte razine potencijalne energije.

Glupo je govoriti o energiji bez pominjanja zakona njenog održanja. Dakle, prema zakonu održanja energije, ove dvije vrste energije, koje opisuju stanje objekta, ne dolaze niotkuda i nigdje ne nestaju, već samo prelaze jedna u drugu.

Evo primjera. Padam sa visine kuće, u početku imam potencijalnu energiju u odnosu na tlo u trenutku prije skoka, a moja kinetička energija je zanemarljiva, pa je možemo izjednačiti sa nulom. Tako otkinem noge od vijenca i moja potencijalna energija počinje da opada, kako je visina na kojoj se nalazim sve manja i manja. U istom trenutku, prilikom pada, postepeno dobijam kinetičku energiju, kako padam sve većom brzinom. U trenutku pada već imam maksimalnu kinetičku energiju, ali potencijalna energija je nula, takve stvari.

Svakodnevno iskustvo pokazuje da se nepokretna tijela mogu pokrenuti, a pomaknuta zaustaviti. Stalno nešto radimo, svijet vrvi okolo, sunce sija... Ali odakle ljudima, životinjama i prirodi u cjelini snage za ovaj posao? Da li nestaje bez traga? Hoće li jedno tijelo početi da se kreće bez promjene kretanja drugog? O svemu tome ćemo govoriti u našem članku.

Koncept energije

Za rad motora koji daju kretanje automobilima, traktorima, dizel lokomotivama, avionima potrebno je gorivo koje je izvor energije. Električni motori daju kretanje mašinama uz pomoć električne energije. Zbog energije vode koja pada sa visine, hidraulične turbine se okreću, povezane sa električnim mašinama koje proizvode električnu struju. Čovjeku je potrebna i energija da bi postojao i radio. Kažu da je za obavljanje bilo kakvog posla potrebna energija. Šta je energija?

• Zapažanje 1. Podignite loptu iznad tla. Dok je u mirnom stanju, mehanički rad se ne obavlja. Pustimo ga. Pod uticajem gravitacije, lopta pada na tlo sa određene visine. Prilikom pada lopte vrši se mehanički rad.
• Zapažanje 2. Zatvorimo oprugu, pričvrstimo je koncem i stavimo uteg na oprugu. Zapalimo konac, opruga će se ispraviti i podići težinu na određenu visinu. Opruga je izvršila mehanički rad.
• Zapažanje 3. Pričvrstimo štap sa blokom na kraju za kolica. Kroz blok ćemo baciti konac čiji je jedan kraj namotan na osovinu kolica, a na drugom visi uteg. Pustimo teret. Pod akcijom će se spustiti i dati pokretu kolica. Težina je izvršila mehanički posao.

Nakon analize svih gore navedenih zapažanja, možemo zaključiti da ako tijelo ili više tijela vrše mehanički rad tokom interakcije, onda kažu da imaju mehaničku energiju ili energiju.

Koncept energije

Energija (od grčkih reči energije- aktivnost) je fizička veličina koja karakteriše sposobnost tela da obavlja rad. Jedinica za energiju, kao i rad u SI sistemu, je jedan džul (1 J). U pisanom obliku, energija se označava slovom E. Iz gornjih eksperimenata može se vidjeti da tijelo radi kada prelazi iz jednog stanja u drugo. U tom slučaju se energija tijela mijenja (smanjuje), a mehanički rad tijela jednak je rezultatu promjene njegove mehaničke energije.

Vrste mehaničke energije. Koncept potencijalne energije

Postoje 2 vrste mehaničke energije: potencijalna i kinetička. Pogledajmo sada pobliže potencijalnu energiju.

Potencijalna energija (PE) - određena je međusobnim položajem tijela koja međusobno djeluju, ili dijelova istog tijela. Budući da se svako tijelo i zemlja međusobno privlače, odnosno međusobno djeluju, PE tijela podignutog iznad tla ovisit će o visini uspona h. Što je tijelo više podignuto, veći je njegov PE. Eksperimentalno je utvrđeno da PE zavisi ne samo od visine na koju je podignuta, već i od telesne težine. Ako su tijela podignuta na istu visinu, onda će tijelo velike mase imati i veliki PE. Formula za ovu energiju je sljedeća: E p \u003d mgh, gdje E str je potencijalna energija m- tjelesna težina, g = 9,81 N/kg, h - visina.

Potencijalna energija opruge

Potencijalna energija elastično deformiranog tijela je fizička veličina E p, koja, kada se brzina translatornog kretanja promijeni pod djelovanjem, opada točno onoliko koliko se povećava kinetička energija. Opruge (kao i druga elastično deformirana tijela) imaju PE koji je jednak polovini proizvoda njihove krutosti k po warp kvadratu: x = kx 2: 2.

Kinetička energija: formula i definicija

Ponekad se značenje mehaničkog rada može razmatrati bez korištenja pojmova sile i pomaka, fokusirajući se na činjenicu da rad karakterizira promjenu energije tijela. Sve što nam treba je masa tijela i njegove početne i konačne brzine koje će nas dovesti do kinetičke energije. Kinetička energija (KE) je energija koja pripada tijelu zbog njegovog vlastitog kretanja.

Vjetar ima kinetičku energiju i koristi se za pogon vjetroturbina. Pomicanje vrši pritisak na nagnute ravnine krila vjetroturbina i uzrokuje njihovo okretanje. Rotaciono kretanje se prenosi preko sistema prenosa na mehanizme koji obavljaju određeni rad. Pokretna voda koja okreće turbine elektrane gubi dio svog CE dok radi. Avion koji leti visoko na nebu, pored PE, ima i CE. Ako tijelo miruje, odnosno njegova brzina u odnosu na Zemlju je nula, tada je njegovo CE u odnosu na Zemlju nula. Eksperimentalno je utvrđeno da što je veća masa tijela i brzina kojom se kreće, to je veći njegov KE. Formula za kinetičku energiju translacionog kretanja u matematičkom smislu je sljedeća:

Gdje To- kinetička energija, m- tjelesna masa, v- brzina.

Promjena kinetičke energije

Pošto je brzina tela veličina koja zavisi od izbora referentnog sistema, od njegovog izbora zavisi i vrednost KE tela. Promjena kinetičke energije (IKE) tijela nastaje zbog djelovanja vanjske sile na tijelo F. fizička količina ALI, što je jednako IKE ΔE to telo usled dejstva sile F, nazvan rad: A = ΔE k. Ako se tijelo kreće brzinom v 1 , sila djeluje F, što se poklapa sa smjerom, tada će se brzina tijela povećavati tokom određenog vremenskog perioda t na neku vrednost v 2 . U ovom slučaju, IKE je jednak:

Gdje m- tjelesna masa; d- udaljenost koju pređe tijelo; V f1 = (V 2 - V 1); V f2 = (V 2 + V 1); a=F:m. Prema ovoj formuli se kinetička energija izračunava koliko. Formula može imati i sljedeću interpretaciju: ΔE k \u003d Flcos ά , gdje je cosά je ugao između vektora sila F i brzinu V.

Prosječna kinetička energija

Kinetička energija je energija određena brzinom kretanja različitih tačaka koje pripadaju ovom sistemu. Međutim, treba imati na umu da je potrebno razlikovati 2 energije koje karakteriziraju različite translacijske i rotacijske. (SKE) u ovom slučaju je prosječna razlika između ukupnosti energija cijelog sistema i njegove mirne energije, odnosno njegova vrijednost je u stvari prosječna vrijednost potencijalne energije. Formula za prosječnu kinetičku energiju je sljedeća:

gdje je k Boltzmanova konstanta; T je temperatura. Upravo je ova jednadžba osnova molekularne kinetičke teorije.

Prosječna kinetička energija molekula plina

Brojni eksperimenti su utvrdili da je prosječna kinetička energija molekula plina u translacijskom kretanju na datoj temperaturi ista i ne ovisi o vrsti plina. Osim toga, također je utvrđeno da kada se plin zagrije za 1 °C, SEC se povećava za istu vrijednost. Tačnije, ova vrijednost je jednaka: ΔE k \u003d 2,07 x 10 -23 J / o C. Da bismo izračunali koliko je jednaka prosječna kinetička energija molekula plina u translacijskom kretanju, potrebno je, pored ove relativne vrijednosti, znati još barem jednu apsolutnu vrijednost energije translacijskog kretanja. U fizici se ove vrijednosti određuju prilično precizno za širok raspon temperatura. Na primjer, na temperaturi t \u003d 500 ° C kinetička energija translacionog kretanja molekula Ek \u003d 1600 x 10 -23 J. Poznavanje 2 količine ( ΔE do i E k), možemo i izračunati energiju translacionog kretanja molekula na datoj temperaturi, i riješiti inverzni problem - odrediti temperaturu iz datih vrijednosti energije.

Konačno, možemo zaključiti da prosječna kinetička energija molekula, čija je formula gore navedena, ovisi samo o apsolutnoj temperaturi (i za bilo koje agregatno stanje tvari).

Zakon održanja ukupne mehaničke energije

Proučavanje kretanja tijela pod utjecajem gravitacije i elastičnih sila pokazalo je da postoji određena fizička veličina koja se naziva potencijalna energija E str; ovisi o koordinatama tijela, a njegova promjena jednaka je IKE-u, koji se uzima sa suprotnim predznakom: Δ E p =-ΔE k. Dakle, zbir promjena u KE i PE tijela, koje djeluju s gravitacijskim silama i silama elastičnosti, jednak je 0 : Δ E p +ΔE k \u003d 0. Zovu se sile koje zavise samo od koordinata tijela konzervativan. Privlačne i elastične sile su konzervativne sile. Zbir kinetičke i potencijalne energije tijela je ukupna mehanička energija: E p +E k \u003d E.

Ova činjenica, dokazana najpreciznijim eksperimentima,
pozvao zakon održanja mehaničke energije. Ako tijela stupaju u interakciju sa silama koje zavise od brzine relativnog kretanja, mehanička energija u sistemu tijela u interakciji se ne održava. Primjer sila ovog tipa, koje su tzv nekonzervativan, su sile trenja. Ako na tijelo djeluju sile trenja, tada je za njihovo savladavanje potrebno potrošiti energiju, odnosno dio se koristi za obavljanje rada protiv sila trenja. Međutim, kršenje zakona održanja energije ovdje je samo zamišljeno, jer se radi o posebnom slučaju općeg zakona održanja i transformacije energije. Energija tijela nikada ne nestaje i ne pojavljuje se ponovo: samo se transformiše iz jednog oblika u drugi. Ovaj zakon prirode je veoma važan, sprovodi se svuda. Ponekad se naziva i općim zakonom održanja i transformacije energije.

Odnos unutrašnje energije tijela, kinetičke i potencijalne energije

Unutrašnja energija (U) tijela je njegova ukupna energija tijela minus KE tijela kao cjeline i njegov PE u vanjskom polju sila. Iz ovoga možemo zaključiti da se unutrašnja energija sastoji od CE haotičnog kretanja molekula, PE interakcije između njih i intramolekularne energije. Unutrašnja energija je nedvosmislena funkcija stanja sistema, što znači sledeće: ako je sistem u datom stanju, njegova unutrašnja energija poprima svoje inherentne vrednosti, bez obzira na to šta se ranije dešavalo.

Relativizam

Kada je brzina tijela bliska brzini svjetlosti, kinetička energija se nalazi po sljedećoj formuli:

Kinetička energija tijela, čija je formula gore napisana, također se može izračunati prema ovom principu:

Primjeri zadataka za pronalaženje kinetičke energije

1. Uporedite kinetičku energiju lopte mase 9 g koja leti brzinom od 300 m/s i osobe teške 60 kg koja trči brzinom od 18 km/h.

Dakle, šta nam je dato: m 1 \u003d 0,009 kg; V 1 \u003d 300 m / s; m 2 = 60 kg, V 2 = 5 m / s.

Rješenje:

• Kinetička energija (formula): E k \u003d mv 2: 2.
• Imamo sve podatke za kalkulaciju i zato ćemo ih pronaći E to i za osobu i za loptu.
• E k1 = (0,009 kg x (300 m / s) 2): 2 = 405 J;
• E k2 = (60 kg x (5 m / s) 2): 2 = 750 J.
• E k1< E k2.

Odgovor: kinetička energija lopte je manja od one osobe.

2. Tijelo mase 10 kg podignuto je na visinu od 10 m, nakon čega je pušteno. Koji FE će imati na visini od 5 m? Otpor zraka se može zanemariti.

Dakle, šta nam je dato: m = 10 kg; h = 10 m; h 1 = 5 m; g = 9,81 N/kg. E k1 - ?

Rješenje:

• Tijelo određene mase, podignuto na određenu visinu, ima potencijalnu energiju: E p \u003d mgh. Ako tijelo padne, tada će se na određenoj visini h 1 znojiti. energija E p \u003d mgh 1 i kin. energija E k1. Da bi se kinetička energija pravilno pronašla, formula koja je gore navedena neće pomoći, pa ćemo problem riješiti koristeći sljedeći algoritam.
• U ovom koraku koristimo zakon održanja energije i pišemo: E p1 +E k1 \u003d E P.
• Onda E k1 = E P - E p1 = mg- mgh 1 = mg(h-h 1).
• Zamjenom naših vrijednosti u formulu, dobijamo: E k1 = 10 x 9,81 (10-5) = 490,5 J.

Odgovor: E k1 = 490,5 J.

3. Zamašnjak sa masom m i radijus R, obavija oko ose koja prolazi kroz njegov centar. Brzina omatanja zamašnjaka - ω . Da bi se zamašnjak zaustavio, kočiona papučica se pritisne na njegov rub, djelujući na njega silom F trenje. Koliko okretaja zamašnjak napravi prije nego što se potpuno zaustavi? Imajte na umu da je masa zamašnjaka koncentrisana na naplatku.

Dakle, šta nam je dato: m; R; ω; F trenje. N-?

Rješenje:

• Prilikom rješavanja problema smatrat ćemo da su okretaji zamašnjaka slični okretajima tankog homogenog obruča polumjera R i težinu m, koji se okreće ugaonom brzinom ω.
• Kinetička energija takvog tijela je: E k \u003d (J ω 2): 2, gdje J= m R 2 .
• Zamašnjak će se zaustaviti pod uvjetom da se cijeli njegov FE potroši na rad na savladavanju sile trenja F trenje, nastaje između kočione papuče i felne: E k \u003d F trenje *s , gdje s- 2 πRN = (m R 2 ω 2): 2, odakle N = ( m ω 2 R) : (4 π F tr).

Odgovor: N = (mω 2 R) : (4πF tr).

Konačno

Energija je najvažnija komponenta u svim aspektima života, jer bez nje nijedno tijelo ne bi moglo obavljati posao, uključujući i ljude. Mislimo da vam je članak jasno stavio do znanja šta je energija, a detaljan prikaz svih aspekata jedne od njenih komponenti - kinetičke energije - pomoći će vam da shvatite mnoge procese koji se odvijaju na našoj planeti. A kako pronaći kinetičku energiju, možete naučiti iz gornjih formula i primjera rješavanja problema.

Energija je ono što čini život mogućim ne samo na našoj planeti, već iu Univerzumu. Međutim, može biti veoma različito. Dakle, toplota, zvuk, svjetlost, struja, mikrovalne pećnice, kalorije su različite vrste energije. Za sve procese koji se odvijaju oko nas ova supstanca je neophodna. Većinu energije koja postoji na Zemlji prima od Sunca, ali postoje i drugi izvori. Sunce ga prenosi na našu planetu čak 100 miliona najmoćnijih elektrana koje bi proizvele u isto vrijeme.

Šta je energija?

Teorija koju je iznio Albert Einstein proučava odnos između materije i energije. Ovaj veliki naučnik je bio u stanju da dokaže sposobnost jedne supstance da se pretvori u drugu. Istovremeno se pokazalo da je energija najvažniji faktor u postojanju tijela, a materija sekundarna.

Energija je, uglavnom, sposobnost za obavljanje nekog posla. Ona je ta koja stoji iza koncepta sile koja može pomjeriti tijelo ili mu dati nova svojstva. Šta znači pojam "energija"? Fizika je fundamentalna nauka kojoj su živote posvetili mnogi naučnici iz različitih epoha i zemalja. Čak je i Aristotel koristio riječ "energija" za ljudsku aktivnost. U prevodu sa grčkog jezika, "energija" je "aktivnost", "snaga", "akcija", "moć". Prvi put se ova riječ pojavila u raspravi grčkog naučnika pod nazivom "Fizika".

U sada opšteprihvaćenom smislu, ovaj termin je u upotrebu uveo engleski fizičar, a ovaj značajan događaj zbio se daleke 1807. godine. U 50-im godinama XIX vijeka. engleski mehaničar William Thomson je prvi koristio koncept "kinetičke energije", a 1853. godine škotski fizičar William Rankin uveo je termin "potencijalna energija".

Danas je ova skalarna veličina prisutna u svim granama fizike. To je jedinstvena mjera raznih oblika kretanja i interakcije materije. Drugim riječima, to je mjera transformacije jednog oblika u drugi.

Mjerne jedinice i oznake

Mjeri se količina energije Ova posebna jedinica, ovisno o vrsti energije, može imati različite oznake, na primjer:

• W je ukupna energija sistema.
• Q - termalni.
• U - potencijal.

Vrste energije

U prirodi postoji mnogo različitih vrsta energije. Glavni su:

• mehanički;
• elektromagnetski;
• električni;
• hemijski;
• termalni;
• nuklearna (atomska).

Postoje i druge vrste energije: svjetlosna, zvučna, magnetska. Poslednjih godina sve je veći broj fizičara sklon hipotezi o postojanju takozvane "tamne" energije. Svaka od prethodno navedenih vrsta ove supstance ima svoje karakteristike. Na primjer, zvučna energija se može prenijeti pomoću valova. Oni doprinose vibracijama bubnih opna u uhu ljudi i životinja, zahvaljujući kojima se mogu čuti zvukovi. U toku raznih hemijskih reakcija oslobađa se energija neophodna za život svih organizama. Svako gorivo, hrana, akumulatori, baterije su skladište ove energije.

Naša svjetiljka daje Zemlji energiju u obliku elektromagnetnih valova. Samo na taj način može savladati prostranstva Kosmosa. Zahvaljujući modernoj tehnologiji, kao što su solarni paneli, možemo je iskoristiti na najbolji mogući način. Višak neiskorištene energije akumulira se u posebnim skladištima energije. Uz gore navedene vrste energije, često se koriste termalni izvori, rijeke, okeani i biogoriva.

mehanička energija

Ova vrsta energije se proučava u grani fizike koja se zove "Mehanika". Označava se slovom E. Mjeri se u džulima (J). Šta je ovo energija? Fizika mehanike proučava kretanje tijela i njihovu interakciju jedno s drugim ili sa vanjskim poljima. U ovom slučaju, energija zbog kretanja tijela naziva se kinetička (označena sa Ek), a energija zbog ili vanjskih polja naziva se potencijalna (Ep). Zbir kretanja i interakcije je ukupna mehanička energija sistema.

Postoji opće pravilo za izračunavanje oba tipa. Da bi se odredila količina energije, potrebno je izračunati rad potreban za prelazak tijela iz nultog stanja u ovo stanje. Štaviše, što više rada, to će tijelo imati više energije u ovom stanju.

Razdvajanje vrsta prema različitim karakteristikama

Postoji nekoliko vrsta dijeljenja energije. Prema različitim kriterijima dijeli se na: eksternu (kinetičku i potencijalnu) i unutrašnju (mehaničku, termičku, elektromagnetnu, nuklearnu, gravitacionu). Elektromagnetna energija se, pak, dijeli na magnetsku i električnu, a nuklearna - na energiju slabih i jakih interakcija.

Kinetic

Svako tijelo u pokretu odlikuje se prisustvom kinetičke energije. Često se tako zove - vožnja. Energija tijela koje se kreće gubi se kada usporava. Dakle, što je brzina veća, veća je kinetička energija.

Kada tijelo u pokretu dođe u dodir sa stacionarnim objektom, dio kinetičkog se prenosi na potonji i pokreće ga. Formula kinetičke energije je sljedeća:

• E k \u003d mv 2: 2,
  gdje je m masa tijela, v je brzina tijela.

Riječima se ova formula može izraziti na sljedeći način: kinetička energija objekta jednaka je polovini umnoška njegove mase i kvadrata njegove brzine.

Potencijal

Ovu vrstu energije posjeduju tijela koja se nalaze u bilo kojem polju sile. Dakle, magnet se javlja kada je predmet pod uticajem magnetnog polja. Sva tijela na Zemlji imaju potencijalnu gravitacijsku energiju.

Ovisno o svojstvima predmeta proučavanja, oni mogu imati različite vrste potencijalne energije. Dakle, elastična i elastična tijela koja se mogu istezati imaju potencijalnu energiju elastičnosti ili napetosti. Svako padajuće tijelo koje je prethodno bilo nepomično gubi potencijal i postaje kinetičko. U ovom slučaju, vrijednost ova dva tipa će biti ekvivalentna. U gravitacionom polju naše planete formula potencijalne energije imaće sledeći oblik:

• E str = mhg,
  gdje je m tjelesna težina; h je visina centra mase tijela iznad nultog nivoa; g je ubrzanje slobodnog pada.

Riječima, ova formula se može izraziti na sljedeći način: potencijalna energija objekta koji je u interakciji sa Zemljom jednaka je proizvodu njegove mase, ubrzanja slobodnog pada i visine na kojoj se nalazi.

Ova skalarna vrijednost je karakteristika rezerve energije materijalne tačke (tijela) koja se nalazi u polju potencijalne sile i koja se koristi za stjecanje kinetičke energije uslijed rada sila polja. Ponekad se naziva koordinatna funkcija, što je pojam u Langranžianu sistema (Lagrangeova funkcija dinamičkog sistema). Ovaj sistem opisuje njihovu interakciju.

Potencijalna energija je jednaka nuli za određenu konfiguraciju tijela koja se nalaze u prostoru. Izbor konfiguracije određen je pogodnošću daljih proračuna i naziva se “normalizacija potencijalne energije”.

Zakon o očuvanju energije

Jedan od najosnovnijih postulata fizike je zakon održanja energije. Prema njegovim riječima, energija se ne pojavljuje niotkuda i nigdje ne nestaje. Stalno se mijenja iz jednog oblika u drugi. Drugim riječima, postoji samo promjena u energiji. Tako se, na primjer, kemijska energija baterije baterijske lampe pretvara u električnu energiju, a iz nje u svjetlost i toplinu. Razni kućanski aparati pretvaraju električnu energiju u svjetlo, toplinu ili zvuk. Najčešće, krajnji rezultat promjene su toplina i svjetlost. Nakon toga energija odlazi u okolni prostor.

Zakon energije je u stanju da objasni mnogi naučnici tvrde da njen ukupni volumen u svemiru stalno ostaje nepromenjen. Niko ne može iznova stvoriti energiju ili je uništiti. Razvijajući jednu od njegovih vrsta, ljudi koriste energiju goriva, padajuće vode, atoma. Istovremeno, jedan njegov oblik prelazi u drugi.

Godine 1918. naučnici su uspjeli dokazati da je zakon održanja energije matematička posljedica translacijske simetrije vremena - veličine konjugirane energije. Drugim riječima, energija se čuva zbog činjenice da se zakoni fizike ne razlikuju u različitim vremenima.

Energetske karakteristike

Energija je sposobnost tijela da obavlja rad. U zatvorenim fizičkim sistemima, on se čuva tokom čitavog vremena (sve dok je sistem zatvoren) i jedan je od tri aditivna integrala kretanja koji čuvaju vrednost tokom kretanja. To uključuje: energiju, moment. Uvođenje koncepta "energije" je svrsishodno kada je fizički sistem homogen u vremenu.

Unutrašnja energija tela

To je zbir energija molekularnih interakcija i toplinskih kretanja molekula koji ga čine. Ne može se direktno izmjeriti jer je jednovrijedna funkcija stanja sistema. Kad god se sistem nađe u datom stanju, njegova unutrašnja energija ima svoju inherentnu vrijednost, bez obzira na historiju postojanja sistema. Promjena unutrašnje energije u procesu prijelaza iz jednog fizičkog stanja u drugo uvijek je jednaka razlici njenih vrijednosti u konačnom i početnom stanju.

Unutrašnja energija gasa

Pored čvrstih materija, energiju imaju i gasovi. Predstavlja kinetičku energiju toplotnog (haotičnog) kretanja čestica sistema, koje uključuju atome, molekule, elektrone, jezgra. Unutrašnja energija idealnog gasa (matematički model gasa) je zbir kinetičkih energija njegovih čestica. Ovo uzima u obzir broj stupnjeva slobode, što je broj nezavisnih varijabli koje određuju položaj molekula u prostoru.

Svake godine čovječanstvo troši sve veću količinu energetskih resursa. Najčešće se fosilni ugljovodonici kao što su ugalj, nafta i plin koriste za stvaranje energije potrebne za osvjetljavanje i grijanje naših domova, upravljanje vozilima i raznim mehanizmima. Oni su neobnovljivi resursi.

Nažalost, samo mali dio energije na našoj planeti dolazi iz obnovljivih izvora kao što su voda, vjetar i sunce. Do danas njihov udio u energetskom sektoru iznosi samo 5%. Još 3% ljudi prima u obliku nuklearne energije proizvedene u nuklearnim elektranama.

Imaju sljedeće rezerve (u džulima):

• nuklearna energija - 2 x 10 24;
• energija gasa i nafte - 2 x 10 23;
• unutrašnja toplota planete - 5 x 10 20 .

Godišnja vrijednost Zemljinih obnovljivih resursa:

• solarna energija - 2 x 10 24;
• vjetar - 6 x 10 21;
• rijeke - 6,5 x 10 19;
• morske oseke - 2,5 x 10 23.

Samo blagovremenim prelaskom sa korišćenja neobnovljivih energetskih rezervi Zemlje na obnovljive, čovečanstvo ima šansu za dugo i srećno postojanje na našoj planeti. Kako bi implementirali napredni razvoj, naučnici širom svijeta nastavljaju pažljivo proučavati različita svojstva energije.

Energija interakcije tijela. Samo tijelo ne može posjedovati potencijalnu energiju. određena je silom koja djeluje na tijelo sa strane drugog tijela. Pošto su tijela u interakciji jednaka, onda potencijalna energija poseduju samo tela u interakciji.

A = fs = mg (h1 - h2).

Sada razmotrite kretanje tijela po nagnutoj ravni. Kada se tijelo kreće niz nagnutu ravan, gravitacija radi

A = mgscosα.

Iz slike se vidi da scosα = h, Shodno tome

ALI = mgh.

Ispostavilo se da rad gravitacije ne zavisi od putanje tijela.

Jednakost A = mg (h1 - h2) može se napisati kao A = - (mgh 2 - mg h 1 ).

To jest, rad gravitacije pri kretanju tijela s masom m iz tačke h1 upravo h2 duž bilo koje putanje jednako je promjeni neke fizičke veličine mgh sa suprotnim predznakom.

Fizička veličina jednaka proizvodu mase tijela modulom ubrzanja slobodnog pada i visine na koju je tijelo podignuto iznad površine Zemlje naziva se potencijalna energija tijela.

Potencijalna energija se označava sa E r. E r = mgh, Shodno tome:

A = - (E R 2 - E R 1 ).

Tijelo može imati i pozitivnu i negativnu potencijalnu energiju. tjelesne mase m na dubini h sa Zemljine površine ima negativnu potencijalnu energiju: E r = - mgh.

Razmotrimo potencijalnu energiju elastično deformiranog tijela.

Čvrsto pričvrstiti na oprugu kšipku, istegnite oprugu i otpustite šipku. Pod dejstvom elastične sile, rastegnuta opruga će pokrenuti šipku i pomeriti je na određeno rastojanje. Izračunajte rad elastične sile opruge iz neke početne vrijednosti x 1 do finala x2.

Sila elastičnosti u procesu deformacije opruge se mijenja. Da biste pronašli rad elastične sile, možete uzeti proizvod prosječne vrijednosti modula sile i modula pomaka:

ALI = F(x 1 - x2).

Budući da je elastična sila proporcionalna deformaciji opruge, prosječna vrijednost njenog modula je

Zamjenom ovog izraza u formulu za rad sile dobijamo:

Fizička veličina jednaka polovini proizvoda krutosti tijela i kvadrata njegove deformacije naziva se potencijalna energija elastično deformisano telo:

Otkud to sledi A = - (E p2 - E p1).

Kao i veličina mgh, potencijalna energija elastično deformirano tijelo ovisi o koordinatama, budući da x 1 i x 2 su produžeci opruge i istovremeno koordinate kraja opruge. Stoga možemo reći da potencijalna energija u svim slučajevima zavisi od koordinata.