Potencijalna energija. Potencijalna i kinetička energija

Mišići koji pokreću karike tijela obavljaju mehanički rad.

Raditi u nekom smjeru je umnožak sile (F) koja djeluje u smjeru kretanja tijela na putu koji je prešlo(S): A = F S.

Obavljanje posla zahtijeva energiju. Stoga, kada je rad obavljen, energija u sustavu se smanjuje. Budući da je za obavljanje rada potrebna opskrba energijom, potonji se može definirati na sljedeći način: energija – ovo je prilika za obavljanje posla, ovo je neka mjera "resursa" dostupnog u mehaničkom sustavu za njegovu izvedbu. Osim toga, energija je mjera prijelaza iz jedne vrste gibanja u drugu.

U biomehanici, sljedeće glavne vrste energije:

Potencijal, ovisno o relativnom položaju elemenata mehaničkog sustava ljudskog tijela;

Kinetičko translatorno gibanje;

Kinetičko rotacijsko gibanje;

Moguća deformacija elemenata sustava;

Toplinski;

procesi razmjene.

Ukupna energija biomehaničkog sustava jednaka je zbroju svih navedenih vrsta energije.

Podizanjem tijela, kompresijom opruge, moguće je akumulirati energiju u obliku potencijala za njezino naknadno korištenje. Potencijalna energija uvijek je 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 kuglu, rastegnuta tetiva djeluje na strijelu.

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

Dakle, gravitacijska sila i elastična sila su potencijalne.

Gravitacijska potencijalna energija: En = m g h

Gdje je k krutost opruge; x je njegova deformacija.

Iz navedenih primjera vidljivo je 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 s površinom Zemlje (gravitacijska potencijalna energija); povezana s elastičnom deformacijom elemenata biomehaničkog sustava (kosti, mišići, ligamenti) ili bilo kakvih vanjskih predmeta (sportska oprema, inventar).

Kinetička energija pohranjuju se u tijelu tijekom kretanja. Tijelo koje se kreće vrši rad na račun njegovog gubitka. Budući da veze tijela i ljudskog tijela vrše translacijska i rotacijska kretanja, ukupna kinetička energija (Ek) bit će jednaka: , gdje je m masa, V linearna brzina, J moment tromosti sustava , ω je kutna brzina.

Energija ulazi u biomehanički sustav zbog tijeka metaboličkih metaboličkih procesa u mišićima. Promjena energije, uslijed koje se obavlja rad, nije visoko učinkovit proces u biomehaničkom sustavu, odnosno ne pretvara se sva energija u koristan rad. Dio energije se nepovratno gubi, pretvarajući se u toplinu: samo 25% se koristi za obavljanje rada, preostalih 75% se pretvara i rasipa u tijelu.

Za biomehanički sustav primjenjuje se zakon održanja energije mehaničkog gibanja u obliku:

Epol \u003d Ek + Epot + U,

gdje je Epol ukupna mehanička energija sustava; Ek je kinetička energija sustava; Epot je potencijalna energija sustava; U je unutarnja energija sustava, koja uglavnom predstavlja toplinsku energiju.

Ukupna energija mehaničkog kretanja biomehaničkog sustava temelji se na sljedeća dva izvora energije: metaboličke reakcije u ljudskom tijelu i mehanička energija okoline (deformirajući elementi sportske opreme, opreme, potpornih površina; protivnici u kontaktnim interakcijama). ). Ta se energija prenosi vanjskim silama.

Značajka proizvodnje energije u biomehaničkom sustavu je da se jedan dio energije tijekom kretanja troši na izvođenje potrebne motoričke radnje, drugi ide na nepovratnu disipaciju pohranjene energije, treći se pohranjuje i koristi tijekom naknadnog kretanja. Pri izračunavanju potrošene energije tijekom pokreta i mehaničkog rada koji se u ovom slučaju izvodi, ljudsko tijelo predstavlja se kao model višeslojnog biomehaničkog sustava sličnog anatomskoj strukturi. Kretanja pojedine karike i kretanje tijela u cjelini promatraju se u obliku dva jednostavnija tipa kretanja: translatornog i rotacijskog.

Ukupna mehanička energija neke i-te veze (Epol) može se izračunati kao zbroj potencijalne (Epot) i kinetičke energije (Ek). S druge strane, Ek se može prikazati kao zbroj kinetičke energije središta mase karike (Ek.c.m.), u kojem je koncentrirana cjelokupna masa karike, i kinetičke energije rotacije karike u odnosu na u središte mase (Ek. Vr.).

Ako je poznata kinematika kretanja karike, ovaj opći izraz za ukupnu energiju karike će imati oblik: , gdje je mi masa i-te karike; ĝ – ubrzanje slobodnog pada; hi je visina središta mase iznad neke nulte razine (na primjer, iznad Zemljine površine na određenoj lokaciji); - brzina translatornog gibanja centra mase; Ji je moment tromosti i-te karike u odnosu na trenutnu os rotacije koja prolazi kroz središte mase; ω je trenutna kutna brzina rotacije u odnosu na trenutnu os.

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

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

Ako je količina rada Ai > 0, odnosno energija se povećala, onda se kaže da je na karici obavljen pozitivan rad. Ako AI< 0, то есть энергия звена уменьшилась, - отрицательная работа.

Način rada za promjenu energije dane karike naziva se svladavanje, ako mišići vrše pozitivan rad na karici; inferioran ako mišići rade negativan rad na poveznici.

Pozitivan rad se vrši kada se mišić kontrahira protiv vanjskog opterećenja, ide na ubrzavanje karika tijela, tijela u cjelini, sportske opreme itd. Negativan rad se vrši ako se mišići opiru istezanju zbog djelovanja vanjskih sila. To se događa pri spuštanju tereta, spuštanju niz stepenice, suprotstavljanju sili koja premašuje snagu mišića (na primjer, u obaranju ruku).

Uočene su zanimljive činjenice o omjeru pozitivnog i negativnog rada mišića: negativan rad mišića je ekonomičniji od pozitivnog; Prethodno izvršenje negativnog rada povećava vrijednost i učinkovitost pozitivnog rada koji slijedi.

Što je veća brzina kretanja ljudskog tijela (tijekom atletike, klizanja, skijanja itd.), To se veći dio rada troši ne na koristan rezultat - pomicanje 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 s povećanjem brzine ubrzanje kretanja karika tijela naglo raste.

Kinetička energija je energija gibanja tijela. Prema tome, ako imamo neki objekt koji ima barem neku masu i barem neku brzinu, onda on ima i kinetičku energiju. Međutim, s obzirom na različite referentne sustave, ta kinetička energija za isti objekt može biti različita.

Primjer. Postoji jedna baka koja u odnosu na Zemlju našeg planeta miruje, odnosno ne miče se i, recimo, sjedi na autobusnoj stanici i čeka svoj autobus. Tada je u odnosu na naš planet njegova kinetička energija jednaka nuli. Ali ako pogledate istu baku s Mjeseca ili Sunca, u odnosu na koju možete promatrati kretanje planeta i, prema tome, ovu baku, koja je na našem planetu, tada će baka već imati kinetičku energiju u odnosu na spomenuta nebeska tijela. A onda dolazi autobus. Ova ista baka brzo ustaje i trči da zauzme svoje mjesto. Sada, u odnosu na planet, više ne miruje, već se kreće sasvim prema sebi. To znači da ima kinetičku energiju. I što je baka deblja i brža, to je njena kinetička energija veća.

Postoji nekoliko temeljnih vrsta energije – one glavne. Reći ću vam, na primjer, o mehaničkom. To uključuje kinetičku energiju, koja ovisi o brzini i masi objekta, potencijalnu energiju, koja ovisi o tome gdje se nalazi nulta razina potencijalne energije i o položaju u kojem se taj objekt nalazi u odnosu na nultu razinu potencijalne energije. Odnosno, potencijalna energija je energija koja ovisi o položaju objekta. Ova energija karakterizira rad polja u kojem se nalazi predmet dok se kreće.

Primjer. Nosite ogromnu kutiju u rukama i padate. Kutija je na podu. Ispada da ćete imati nultu razinu potencijalne energije, odnosno na razini poda. Tada će gornji dio kutije imati veću potencijalnu energiju, jer je iznad poda i iznad nulte razine potencijalne energije.

Glupo je govoriti o energiji, a ne spomenuti zakon njezina 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.

A evo i primjera. Padam s visine kuće, u početku imam potencijalnu energiju u odnosu na tlo u trenutku prije skoka, a moja kinetička energija je zanemariva, pa je možemo izjednačiti s nulom. Pa otkidam noge od karniše i moja potencijalna energija se počinje smanjivati, jer je visina na kojoj se nalazim sve manja i manja. Istog trenutka, pri padu, postupno dobivam kinetičku energiju, jer 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 pokretna zaustaviti. Stalno nešto radimo, svijet se vrvi, sunce sja... Ali odakle ljudima, životinjama i prirodi u cjelini snaga za taj posao? Nestaje li bez traga? Hoće li se jedno tijelo početi gibati bez promjene gibanja drugog? O svemu tome ćemo govoriti u našem članku.

Pojam energije

Za rad motora koji pokreću automobile, traktore, dizel lokomotive, zrakoplove potrebno je gorivo koje je izvor energije. Električni motori omogućuju kretanje strojevima uz pomoć električne energije. Energijom vode koja pada s visine vrte se hidrauličke turbine povezane s električnim strojevima koji proizvode električnu struju. Čovjeku je potrebna i energija da bi postojao i radio. Kažu da je za obavljanje bilo kakvog posla potrebna energija. Što je energija?

• Promatranje 1. Podignite loptu iznad tla. Dok je u stanju smirenosti, ne obavlja se mehanički rad. Pustimo ga. Pod utjecajem sile teže lopta pada na tlo s određene visine. Prilikom pada lopte vrši se mehanički rad.
• Opažanje 2. Zatvorimo oprugu, učvrstimo je koncem i stavimo uteg na oprugu. Zapalimo nit, opruga će se ispraviti i podići uteg na određenu visinu. Opruga je izvršila mehanički rad.
• Zapažanje 3. Pričvrstimo šipku s blokom na kraju za kolica. Kroz blok ćemo baciti konac čiji je jedan kraj namotan na osovinu kolica, a na drugom visi uteg. Bacimo teret. Pod djelovanjem će se spustiti i pokrenuti kolica. Uteg je izvršio mehanički rad.

Nakon analize svih navedenih zapažanja, možemo zaključiti da ako tijelo ili više tijela tijekom međudjelovanja obavljaju mehanički rad, onda govore da imaju mehaničku energiju ili energiju.

Pojam energije

Energija (od grčkih riječi energije- aktivnost) je fizikalna veličina koja karakterizira sposobnost tijela da obavljaju rad. Jedinica energije, kao i rada u SI sustavu, je jedan Joule (1 J). U pisanju se energija označava slovom E. Iz gornjih pokusa može se vidjeti da tijelo obavlja rad kada prelazi iz jednog stanja u drugo. Pri tome se mijenja (smanjuje) energija tijela, a mehanički rad koji tijelo izvrši jednak je rezultatu promjene njegove mehaničke energije.

Vrste mehaničke energije. Pojam potencijalne energije

Postoje 2 vrste mehaničke energije: potencijalna i kinetička. Sada pogledajmo pobliže potencijalnu energiju.

Potencijalna energija (PE) – određena je međusobnim položajem tijela koja međusobno djeluju, odnosno dijelova istog tijela. Budući da svako tijelo i zemlja privlače jedno drugo, odnosno međusobno djeluju, PE tijela podignutog iznad tla ovisit će o visini uzdizanja h. Što je tijelo više podignuto, to je njegov PE veći. Eksperimentalno je utvrđeno da PE ne ovisi samo o visini na koju se podiže, već i o tjelesnoj težini. Ako su tijela podignuta na istu visinu, tada će i tijelo velike mase imati 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 fizikalna veličina E p, koja se pri promjeni brzine translatornog gibanja pod djelovanjem smanjuje točno onoliko koliko se povećava kinetička energija. Opruge (kao i druga elastično deformirana tijela) imaju PE jednak polovici umnoška njihove krutosti k po osnovnom 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 te njegove početne i krajnje brzine, koje će nas dovesti do kinetičke energije. Kinetička energija (KE) je energija koja pripada tijelu zbog vlastitog gibanja.

Vjetar ima kinetičku energiju i koristi se za pogon vjetroturbina. Pomaknuti vrše pritisak na nagnute ravnine krila vjetroturbina i uzrokuju njihovo okretanje. Rotacijsko gibanje prenosi se putem prijenosnih sustava na mehanizme koji obavljaju određeni rad. Pokretna voda koja pokreće turbine elektrane gubi dio svojeg CE tijekom rada. Zrakoplov koji leti visoko na nebu, osim PE, ima i CE. Ako tijelo miruje, odnosno njegova brzina u odnosu na Zemlju je nula, onda je njegov CE u odnosu na Zemlju jednak nuli. Eksperimentalno je utvrđeno da što je veća masa tijela i brzina kojom se ono giba, to je njegov KE veći. Formula za kinetičku energiju translatornog gibanja u matematičkom smislu je sljedeća:

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

Promjena kinetičke energije

Kako je brzina tijela veličina koja ovisi o izboru referentnog sustava, o njegovom izboru ovisi i vrijednost KE tijela. Promjena kinetičke energije (IKE) tijela nastaje djelovanjem vanjske sile na tijelo F. fizička količina I, što je jednako IKE ΔE do tijelo uslijed djelovanja sile F, nazvan rad: A = ΔE k. Ako se tijelo giba brzinom v 1 , sila djeluje F, podudarajući se sa smjerom, tada će se brzina tijela povećavati tijekom određenog vremenskog razdoblja t na neku vrijednost v 2 . U ovom slučaju, IKE je jednak:

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

Prosječna kinetička energija

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

gdje je k Boltzmannova konstanta; T je temperatura. Upravo je ova jednadžba temelj molekularne kinetičke teorije.

Prosječna kinetička energija molekula plina

Brojnim pokusima utvrđeno je da je prosječna kinetička energija molekula plina u translatornom gibanju pri određenoj 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. Preciznije, ova vrijednost je jednaka: ΔE k \u003d 2,07 x 10 -23 J/o C. Da bi se izračunala prosječna kinetička energija molekula plina u translatornom gibanju, potrebno je, osim ove relativne vrijednosti, znati barem još jednu apsolutnu vrijednost energije translatornog gibanja. U fizici su te vrijednosti određene prilično točno za širok raspon temperatura. Na primjer, na temperaturi t \u003d 500 ° C kinetička energija translatornog gibanja molekule Ek \u003d 1600 x 10 -23 J. Poznavanje 2 količine ( ΔE prema i E k), možemo i izračunati energiju translatornog gibanja molekula pri zadanoj temperaturi, i riješiti obrnuti problem - odrediti temperaturu iz zadanih vrijednosti energije.

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

Zakon održanja ukupne mehaničke energije

Proučavanje gibanja tijela pod utjecajem gravitacije i elastičnih sila pokazalo je da postoji određena fizikalna veličina, koja se naziva potencijalna energija E str; ovisi o koordinatama tijela, a njegova promjena jednaka je IKE, koji se uzima sa suprotnim predznakom: Δ E p =-ΔE k. Dakle, zbroj promjena KE i PE tijela, koji uzajamno djeluju s gravitacijskim silama i elastičnim silama, jednak je 0 : Δ E p +ΔE k \u003d 0. Sile koje ovise samo o koordinatama tijela nazivaju se konzervativan. Privlačne i elastične sile su konzervativne sile. Zbroj kinetičke i potencijalne energije tijela je ukupna mehanička energija: E p +E k \u003d E.

Ova činjenica, koja je dokazana najpreciznijim pokusima,
nazvao zakon održanja mehaničke energije. Ako tijela međusobno djeluju silama koje ovise o brzini relativnog gibanja, mehanička energija u sustavu međusobno djelujućih tijela nije očuvana. Primjer sila ove vrste, koje su tzv nekonzervativan, su sile trenja. Ako na tijelo djeluju sile trenja, onda je za njihovo savladavanje potrebno utrošiti energiju, odnosno dio se koristi za obavljanje rada protiv sila trenja. Međutim, kršenje zakona održanja energije ovdje je samo imaginarno, jer se radi o zasebnom slučaju općeg zakona održanja i transformacije energije. Energija tijela nikada ne nestaje i ne pojavljuje se ponovno: samo prelazi iz jednog oblika u drugi. Ovaj zakon prirode je vrlo važan, provodi se posvuda. Ponekad se naziva i općim zakonom očuvanja i transformacije energije.

Odnos unutarnje energije tijela, kinetičke i potencijalne energije

Unutarnja energija (U) tijela je njegova ukupna energija tijela umanjena za KE tijela kao cjeline i njegov PE u vanjskom polju sila. Iz ovoga možemo zaključiti da se unutarnja energija sastoji od CE kaotičnog gibanja molekula, PE međudjelovanja među njima i unutarmolekularne energije. Unutarnja energija je jednoznačna funkcija stanja sustava, što znači sljedeće: ako je sustav u danom stanju, njegova unutarnja energija poprima svoje inherentne vrijednosti, bez obzira što se ranije dogodilo.

Relativizam

Kada je brzina tijela bliska brzini svjetlosti, kinetička energija se izračunava prema sljedećoj formuli:

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

Primjeri zadataka za određivanje kinetičke energije

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

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

Odluka:

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

Odgovor: kinetička energija lopte manja je od energije osobe.

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

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

Odluka:

• 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 točno pronašla, gore navedena formula neće pomoći, pa ćemo problem riješiti pomoću sljedećeg algoritma.
• U ovom koraku koristimo zakon održanja energije i pišemo: E p1 +E k1 \u003d E P.
• Zatim E k1 = E P - E p1 = mg- mgh 1 = mg(h-h 1).
• Zamjenom naših vrijednosti u formulu, dobivamo: E k1 \u003d 10 x 9,81 (10-5) \u003d 490,5 J.

Odgovor: E k1 \u003d 490,5 J.

3. Zamašnjak s masom m i radijus R, omotava oko osi koja prolazi kroz njegovo središte. Brzina omatanja zamašnjaka - ω . Kako bi se zaustavio zamašnjak, kočiona papuča se pritisne na njegov obod, djelujući na njega silom F trenje. Koliko okretaja napravi zamašnjak prije nego što se potpuno zaustavi? Imajte na umu da je masa zamašnjaka koncentrirana na rubu.

Dakle, što nam je dano: m; R; ω; F trenje. N-?

Odluka:

• Pri rješavanju zadatka smatrat ćemo da su okretaji zamašnjaka slični okretajima tankog homogenog obruča polumjera R i težinu m, koji se okreće kutnom 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 za svladavanje sile trenja F trenje, koja nastaje između kočne papuče i naplatka: 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, pa tako ni čovjek. Mislimo da vam je članak razjasnio što je energija, a detaljan prikaz svih aspekata jedne od njezinih sastavnica - kinetičke energije - pomoći će vam da razumijete mnoge procese koji se odvijaju na našem planetu. A kako pronaći kinetičku energiju, možete naučiti iz gornjih formula i primjera rješavanja problema.

Energija je ono što čini život mogućim ne samo na našem planetu, već iu svemiru. Međutim, može biti vrlo različito. Dakle, toplina, zvuk, svjetlost, električna energija, mikrovalovi, kalorije različite su vrste energije. Za sve procese koji se odvijaju oko nas ova tvar je neophodna. Većina energije koja postoji na Zemlji dobiva se od Sunca, ali postoje i drugi izvori. Sunce ga prenosi našem planetu onoliko koliko bi u isto vrijeme proizvelo 100 milijuna najjačih elektrana.

Što je energija?

Teorija koju je iznio Albert Einstein proučava odnos između materije i energije. Ovaj veliki znanstvenik uspio je dokazati sposobnost jedne tvari da se pretvori u drugu. Pritom se pokazalo da je energija najvažniji čimbenik postojanja tijela, a materija sekundarna.

Energija je, uglavnom, sposobnost obavljanja nekog posla. Ona je ta koja stoji iza koncepta sile koja može pokrenuti tijelo ili mu dati nova svojstva. Što znači pojam "energija"? Fizika je temeljna znanost kojoj su živote posvetili mnogi znanstvenici iz različitih razdoblja i zemalja. Čak je i Aristotel koristio riječ "energija" za označavanje ljudske aktivnosti. Prevedeno s grčkog jezika, "energija" je "aktivnost", "snaga", "akcija", "moć". Prvi put se ova riječ pojavila u raspravi grčkog znanstvenika pod nazivom "Fizika".

U sada već općeprihvaćenom smislu ovaj pojam u upotrebu je uveo engleski fizičar.Ovaj značajan događaj zbio se davne 1807. godine. U 50-im godinama XIX stoljeća. engleski mehaničar William Thomson prvi je upotrijebio pojam "kinetičke energije", a 1853. škotski fizičar William Rankin uveo je pojam "potencijalna energija".

Danas je ova skalarna veličina prisutna u svim granama fizike. To je jedinstvena mjera različitih oblika gibanja i međudjelovanja 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, npr.

• W je ukupna energija sustava.
• Q - toplinski.
• U - potencijal.

Vrste energije

U prirodi postoji mnogo različitih vrsta energije. Glavni su:

• mehanički;
• elektromagnetski;
• električni;
• kemijski;
• toplinski;
• nuklearni (atomski).

Postoje i druge vrste energije: svjetlosna, zvučna, magnetska. Posljednjih godina sve je veći broj fizičara sklon hipotezi o postojanju takozvane "tamne" energije. Svaka od prethodno navedenih vrsta ove tvari ima svoje karakteristike. Na primjer, zvučna energija može se prenositi pomoću valova. Oni doprinose vibraciji bubnjića u uhu ljudi i životinja, zahvaljujući čemu se zvukovi mogu čuti. Tijekom raznih kemijskih reakcija oslobađa se energija potrebna za život svih organizama. Svako gorivo, hrana, akumulatori, baterije su skladište ove energije.

Naše svjetiljke daje Zemlji energiju u obliku elektromagnetskih valova. Samo tako može prevladati prostranstva Kozmosa. Zahvaljujući suvremenoj tehnologiji, kao što su solarni paneli, možemo ga iskoristiti s najvećim učinkom. Višak neiskorištene energije akumulira se u posebnim skladištima energije. Uz navedene vrste energije često se koriste termalni izvori, rijeke, oceani 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). Kakva je to energija? Fizika mehanike proučava gibanje tijela i njihovu interakciju međusobno ili s vanjskim poljima. U tom slučaju energija uslijed gibanja tijela naziva se kinetička (označava se s Ek), a energija uslijed vanjskih polja naziva se potencijalna (Ep). Zbroj gibanja i međudjelovanja je ukupna mehanička energija sustava.

Postoji opće pravilo za izračun obje vrste. Za određivanje količine energije potrebno je izračunati rad potreban da se tijelo prebaci iz nultog stanja u ovo stanje. Štoviše, što više rada, to će tijelo imati više energije u ovom stanju.

Razdvajanje vrsta prema različitim karakteristikama

Postoji nekoliko vrsta dijeljenja energije. Prema raznim kriterijima dijeli se na: vanjske (kinetičke i potencijalne) i unutarnje (mehaničke, toplinske, elektromagnetske, nuklearne, gravitacijske). Elektromagnetska energija se pak dijeli na magnetsku i električnu, a nuklearna - na energiju slabih i jakih interakcija.

Kinetička

Svako tijelo koje se kreće odlikuje se prisutnošću kinetičke energije. Često se to i zove – vožnja. Energija tijela koje se kreće gubi se usporavanjem. Dakle, što je veća brzina, to je veća kinetička energija.

Kada tijelo u kretanju dođe u dodir s nepokretnim objektom, dio kinetičkog tijela prenosi se na potonji, stavljajući ga u pokret. 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 tijela jednaka je polovici umnoška njegove mase i kvadrata njegove brzine.

Potencijal

Ovu vrstu energije imaju tijela koja se nalaze u bilo kojem polju sila. Dakle, magnetizam se javlja kada je predmet pod utjecajem magnetskog 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 rastezati imaju potencijalnu energiju elastičnosti ili napetosti. Svako padajuće tijelo koje je prethodno bilo nepomično gubi potencijal i poprima kinetiku. U ovom slučaju, vrijednost ove dvije vrste bit će ekvivalentna. U gravitacijskom polju našeg planeta formula potencijalne energije imat će sljedeći oblik:

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

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

Ova skalarna vrijednost je karakteristika rezerve energije materijalne točke (tijela) koja se nalazi u potencijalnom polju sila i koristi se za stjecanje kinetičke energije radom sila polja. Ponekad se naziva koordinatna funkcija, što je pojam u Langrangianu sustava (Lagrangeova funkcija dinamičkog sustava). Ovaj sustav opisuje njihovu interakciju.

Potencijalna energija izjednačena je s nulom za određenu konfiguraciju tijela koja se nalaze u prostoru. Izbor konfiguracije određen je pogodnošću daljnjih izračuna i naziva se "normalizacija potencijalne energije".

Zakon održanja energije

Jedan od najosnovnijih postavki fizike je zakon održanja energije. Prema njegovim riječima, energija se niotkud ne pojavljuje i nigdje ne nestaje. Stalno se mijenja iz jednog oblika u drugi. Drugim riječima, postoji samo promjena energije. Tako se, primjerice, kemijska energija baterije svjetiljke pretvara u električnu energiju, a iz nje u svjetlost i toplinu. Razni kućanski uređaji električnu energiju pretvaraju u svjetlost, toplinu ili zvuk. Najčešće je krajnji rezultat promjene toplina i svjetlost. Nakon toga energija odlazi u okolni prostor.

Zakon energije može objasniti mnoge Znanstvenici tvrde da njezin ukupni volumen u svemiru stalno ostaje nepromijenjen. Nitko ne može iznova stvoriti energiju niti je uništiti. Razvijajući jednu od njegovih vrsta, ljudi koriste energiju goriva, padajuće vode, atoma. Pritom se jedan njegov oblik pretvara u drugi.

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

Energetske značajke

Energija je sposobnost tijela da izvrši rad. U zatvorenim fizikalnim sustavima on se održava kroz cijelo vrijeme (sve dok je sustav zatvoren) i jedan je od tri aditivna integrala gibanja koji čuvaju vrijednost tijekom gibanja. Tu spadaju: energija, moment Uvođenje pojma "energija" svrsishodno je kada je fizički sustav vremenski homogen.

Unutarnja energija tijela

To je zbroj energija molekularnih interakcija i toplinskih gibanja molekula koje ga čine. Ne može se izravno mjeriti jer je jednovrijedna funkcija stanja sustava. Kad god se sustav nađe u određenom stanju, njegova unutarnja energija ima svoju inherentnu vrijednost, bez obzira na povijest postojanja sustava. Promjena unutarnje energije u procesu prijelaza iz jednog fizikalnog stanja u drugo uvijek je jednaka razlici između njezinih vrijednosti u konačnom i početnom stanju.

Unutarnja energija plina

Osim čvrstih tvari, energiju imaju i plinovi. Predstavlja kinetičku energiju toplinskog (kaotičnog) gibanja čestica sustava, koje uključuju atome, molekule, elektrone, jezgre. Unutarnja energija idealnog plina (matematički model plina) je zbroj kinetičkih energija njegovih čestica. Ovo uzima u obzir broj stupnjeva slobode, što je broj neovisnih varijabli koje određuju položaj molekule u prostoru.

Svake godine čovječanstvo troši sve veću količinu energetskih resursa. Fosilni ugljikovodici poput ugljena, nafte i plina najčešće se koriste za proizvodnju energije potrebne za osvjetljavanje i grijanje naših domova, upravljanje vozilima i raznim mehanizmima. Oni su neobnovljivi izvori.

Nažalost, samo mali dio energije na našem planetu dolazi iz obnovljivih izvora kao što su voda, vjetar i sunce. Do danas je njihov udio u energetskom sektoru samo 5%. Drugih 3% ljudi dobivaju u obliku nuklearne energije proizvedene u nuklearnim elektranama.

Imaju sljedeće rezerve (u džulima):

• nuklearna energija - 2 x 10 24;
• energija plina i nafte - 2 x 10 23;
• unutarnja toplina planeta - 5 x 10 20 .

Godišnja vrijednost Zemljinih obnovljivih izvora:

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

Samo pravovremenim prijelazom s korištenja neobnovljivih rezervi energije Zemlje na obnovljive čovječanstvo ima šansu za dug i sretan život na našem planetu. Za implementaciju naprednog razvoja, znanstvenici širom svijeta nastavljaju pažljivo proučavati različita svojstva energije.

Energija međudjelovanja tijela. Samo tijelo ne može posjedovati potencijalnu energiju. određen je silom koja djeluje na tijelo sa strane drugog tijela. Budući da su tijela koja međusobno djeluju jednaka, onda potencijalna energija posjeduju samo međusobno djelujuća tijela.

A = fs = mg (h1 - h2).

Sada razmotrimo gibanje tijela po kosoj ravnini. Kada se tijelo kreće niz nagnutu ravninu, gravitacija djeluje

A = mgscosα.

Sa slike se vidi da scosα = h, Posljedično

I = mgh.

Pokazuje se da rad sile teže ne ovisi o putanji tijela.

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

Odnosno, rad sile teže pri kretanju tijela s masom m iz točke h1 točno h2 duž bilo koje putanje jednaka je promjeni neke fizičke veličine mgh sa suprotnim predznakom.

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

Potencijalna energija je označena sa E r. E r = mgh, Posljedično:

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

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

Promotrimo potencijalnu energiju elastično deformiranog tijela.

Pričvrstite na oprugu s krutošću kšipku, rastegnite oprugu i otpustite šipku. Pod djelovanjem elastične sile rastegnuta opruga će pokrenuti šipku i pomaknuti je na određeni put. Izračunajte rad elastične sile opruge iz neke početne vrijednosti x 1 do finala x2.

Elastična sila u procesu deformacije opruge se mijenja. Da biste pronašli rad elastične sile, možete uzeti umnožak prosječne vrijednosti modula sile i modula pomaka:

I = F(x 1 - x2).

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

Zamjenom ovog izraza u formulu za rad sile dobivamo:

Fizička veličina jednaka polovici umnoška krutosti tijela i kvadrata njegove deformacije naziva se potencijalna energija elastično deformirano tijelo:

Odakle slijedi da 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 ujedno koordinate kraja opruge. Stoga možemo reći da potencijalna energija u svim slučajevima ovisi o koordinatama.