Potencialna energija. Potencialna in kinetična energija

Mišice, ki premikajo dele telesa, opravljajo mehansko delo.

delo v neko smer - to je produkt sile (F), ki deluje v smeri gibanja telesa, s potjo, ki jo je preteklo(S): A = F S.

Opravljanje dela zahteva energijo. Zato, ko se delo izvaja, se energija v sistemu zmanjšuje. Ker je za opravljanje dela nujen dovod energije, lahko slednjo definiramo na naslednji način: Energija – to je priložnost za opravljanje dela, to je določeno merilo "vira", ki je na voljo v mehanskem sistemu za njegovo izvedbo. Poleg tega je energija merilo prehoda iz ene vrste gibanja v drugo.

V biomehaniki se upoštevajo naslednja glavna načela: vrste energije:

Potencial, odvisno od relativnega položaja elementov mehanskega sistema človeškega telesa;

Kinetično translacijsko gibanje;

Kinetično rotacijsko gibanje;

Možna deformacija elementov sistema;

toplotna;

Menjalni procesi.

Celotna energija biomehanskega sistema je enaka vsoti vseh naštetih vrst energije.

Z dvigom telesa in stiskanjem vzmeti lahko kopičite energijo v potencialni obliki za kasnejšo uporabo. Potencialna energija je vedno povezana z eno ali drugo silo, ki deluje iz enega telesa na drugo. Zemlja na primer deluje s silo gravitacije na padajoči predmet, stisnjena vzmet deluje na kroglo, napeta tetiva pa na puščico.

Potencialna energija – to je energija, ki jo ima telo zaradi svoje lege glede na druga telesa ali zaradi relativne razporeditve delov enega telesa.

Zato sta gravitacijska sila in elastična sila potencialni.

Gravitacijska potencialna energija: En = m g h

Kjer je k togost vzmeti; x je njegova deformacija.

Iz zgornjih primerov je razvidno, da lahko energijo shranimo v obliki potencialne energije (dvig telesa, stiskanje vzmeti) za kasnejšo uporabo.

V biomehaniki se obravnavata in upoštevata dve vrsti potencialne energije: zaradi relativne lege telesnih povezav z zemeljsko površino (gravitacijska potencialna energija); povezana z elastično deformacijo elementov biomehanskega sistema (kosti, mišic, ligamentov) ali kakršnih koli zunanjih predmetov (športna oprema, oprema).

Kinetična energija shranjene v telesu med gibanjem. Gibljivo telo opravlja delo zaradi svoje izgube. Ker deli telesa in človeško telo izvajajo translacijsko in rotacijsko gibanje, bo skupna kinetična energija (Ek) enaka: , kjer je m masa, V linearna hitrost, J vztrajnostni moment sistema, ω je kotna hitrost.

Energija vstopi v biomehanski sistem zaradi presnovnih presnovnih procesov, ki se odvijajo v mišicah. Sprememba energije, ki ima za posledico opravljeno delo, ni zelo učinkovit proces v biomehanskem sistemu, kar pomeni, da se vsa energija ne pretvori v koristno delo. Del energije se nepovratno izgubi in se spremeni v toploto: le 25 % se porabi za opravljanje dela, preostalih 75 % se pretvori in razprši v telesu.

Za biomehanski sistem velja zakon o ohranitvi energije mehanskega gibanja v obliki:

Epol = Ek + Epot + U,

kjer je Epol skupna mehanska energija sistema; Ek – kinetična energija sistema; Epot – potencialna energija sistema; U je notranja energija sistema, ki predstavlja predvsem toplotno energijo.

Celotna energija mehanskega gibanja biomehanskega sistema temelji na naslednjih dveh virih energije: presnovnih reakcijah v človeškem telesu in mehanski energiji zunanjega okolja (deformabilni elementi športne opreme, opreme, podpornih površin; nasprotniki med kontaktnimi interakcijami). Ta energija se prenaša preko zunanjih sil.

Značilnost proizvodnje energije v biomehanskem sistemu je, da se en del energije med gibanjem porabi za izvajanje potrebnega motoričnega dejanja, drugi gre za nepovratno razpršitev shranjene energije, tretji pa se shrani in uporabi pri nadaljnjem gibanju. Pri izračunu energije, porabljene med gibanjem, in mehanskega dela, opravljenega med tem procesom, je človeško telo predstavljeno v obliki modela veččlenskega biomehanskega sistema, podobnega anatomski strukturi. Gibanje posameznega člena in gibanje telesa kot celote obravnavamo v obliki dveh enostavnejših vrst gibanja: translacijskega in rotacijskega.

Celotno mehansko energijo neke i-te povezave (Epol) lahko izračunamo kot vsoto potencialne (Epot) in kinetične energije (Ek). Ek pa lahko predstavimo kot vsoto kinetične energije središča mase člena (Ec.c.m.), v katerem je skoncentrirana celotna masa člena, in kinetične energije vrtenja povezave glede na središče mase (Ec.Vr.).

Če je znana kinematika gibanja člena, bo ta splošni izraz za celotno energijo člena imel obliko: , kjer je mi masa i-te povezave; ĝ – pospešek prostega pada; hi je višina središča mase nad neko ničelno raven (na primer nad zemeljsko površino na danem mestu); - hitrost translacijskega gibanja središča mase; Ji je vztrajnostni moment i-tega člena glede na trenutno vrtilno os, ki poteka skozi središče mase; ω – trenutna kotna hitrost vrtenja glede na trenutno os.

Delo za spremembo skupne mehanske energije povezave (Ai) med delovanjem od trenutka t1 do trenutka t2 je enako razliki vrednosti energije v končnem (Ep(t2)) in začetnem (Ep(t1)) trenutku gibanja:

Seveda se v tem primeru delo porabi za spreminjanje potencialne in kinetične energije povezave.

Če je količina dela Ai > 0, to pomeni, da se je energija povečala, potem pravijo, da je bilo na povezavi opravljeno pozitivno delo. Če AI< 0, то есть энергия звена уменьшилась, - отрицательная работа.

Način dela za spremembo energije danega člena se imenuje premagovanje, če mišice opravljajo pozitivno delo na členu; slabše, če mišice opravljajo negativno delo na členu.

Pozitivno delo je opravljeno, ko se mišica krči proti zunanji obremenitvi, gre za pospeševanje delov telesa, telesa kot celote, športne opreme itd. Negativno delo je opravljeno, če se mišice upirajo raztezanju zaradi delovanja zunanjih sil. To se zgodi pri spuščanju bremena, spuščanju po stopnicah ali pri upiranju sili, ki presega moč mišic (na primer pri rokoborbi).

Opazili so zanimiva dejstva o razmerju med pozitivnim in negativnim mišičnim delom: negativno mišično delo je bolj ekonomično kot pozitivno; predhodna izvedba negativnega dela poveča obseg in učinkovitost pozitivnega dela, ki mu sledi.

Večja kot je hitrost gibanja človeškega telesa (med atletskim tekom, drsanjem, smučanjem itd.), Večji del dela ne porabi za koristen rezultat - premikanje telesa v prostoru, temveč za premikanje vezi glede na GCM. Zato se pri visokih hitrostih glavno delo porabi za pospeševanje in zaviranje delov telesa, saj se s povečanjem hitrosti pospešek gibanja delov telesa močno poveča.

Kinetična energija je energija gibanja telesa. V skladu s tem, če imamo nek predmet, ki ima vsaj nekaj mase in vsaj nekaj hitrosti, potem ima kinetično energijo. Vendar je glede na različne referenčne sisteme ta kinetična energija za isti predmet lahko različna.

Primer. Obstaja babica, ki glede na Zemljo našega planeta miruje, torej se ne premika in recimo sedi na avtobusni postaji in čaka na svoj avtobus. Potem je glede na naš planet njegova kinetična energija enaka nič. Če pa pogledate isto babico z Lune ali Sonca, glede na katero lahko opazujete gibanje planeta in s tem to babico, ki se nahaja na našem planetu, potem bo babica že imela relativno kinetično energijo do omenjenih nebesnih teles. In potem pride avtobus. Ta ista babica hitro vstane in steče, da bi zavzela svoje pravo mesto. Zdaj glede na planet ne miruje več, ampak se precej premika. To pomeni, da ima kinetično energijo. In debelejša in hitrejša ko je babica, večja je njena kinetična energija.

Obstaja več temeljnih vrst energije – glavne. Povedal vam bom na primer o mehanskih. Ti vključujejo kinetično energijo, ki je odvisna od hitrosti in mase predmeta, in potencialno energijo, ki je odvisna od tega, kje vzamete ničelno raven potencialne energije, in od položaja, kjer je predmet glede na ničelno potencialno energijsko raven. To pomeni, da je potencialna energija energija, ki je odvisna od položaja predmeta. Ta energija označuje delo, ki ga polje, v katerem se predmet nahaja, opravi s premikanjem.

Primer. V rokah nosiš ogromno škatlo in padeš. Škatla je na tleh. Izkazalo se je, da bo vaša ničelna raven potencialne energije v skladu s tem nameščena na ravni tal. Potem bo vrh škatle imel večjo potencialno energijo, saj je višji od tal in nad ničelno raven potencialne energije.

Neumno je govoriti o energiji, ne da bi omenili zakon o njenem ohranjanju. Tako po zakonu o ohranitvi energije ti dve vrsti energije, ki opisujeta stanje predmeta, ne prideta od nikoder in nikamor ne izgineta, ampak se le preobrazita druga v drugo.

Tukaj je primer. Padam z višine hiše, sprva imam v trenutku pred skokom potencialno energijo glede na tla, moja kinetična energija pa je zanemarljiva, zato jo lahko enačimo z nič. Tako odtrgam noge od karnise in moja potencialna energija začne upadati, saj je višina, na kateri sem, vedno manjša. V istem trenutku ob padcu postopoma pridobivam kinetično energijo, saj padam z vedno večjo hitrostjo. V trenutku padca imam že maksimalno kinetično energijo, potencialna energija pa je nič, take stvari.

Vsakdanje izkušnje kažejo, da je mogoče nepremična telesa spraviti v gibanje, gibljiva pa ustaviti. Ti in jaz nenehno nekaj počneva, svet se vrvi okoli naju, sonce sije ... Toda od kod človeku, živalim in naravi nasploh moč za to delo? Ali izgine brez sledu? Se bo eno telo začelo premikati, ne da bi spremenilo gibanje drugega? O vsem tem bomo govorili v našem članku.

Energetski koncept

Za delovanje motorjev, ki poganjajo avtomobile, traktorje, dizelske lokomotive in letala, je potrebno gorivo, ki je vir energije. Elektromotorji poganjajo strojna orodja z električno energijo. Zaradi energije vode, ki pada z višine, se vrtijo hidravlične turbine, povezane z električnimi stroji, ki proizvajajo električni tok. Za obstoj in delo človek potrebuje tudi energijo. Pravijo, da je za opravljanje kakršnega koli dela potrebna energija. Kaj je energija?

• Opazovanje 1. Dvignimo žogo nad tlemi. Medtem ko je v mirnem stanju, se ne izvaja nobeno mehansko delo. Pustimo ga. Žogica pod vplivom gravitacije pade na tla z določene višine. Ko žogica pada, se izvaja mehansko delo.
• Opazovanje 2. Zaprite vzmet, jo pritrdite z nitjo in nanjo položite utež. Zažgimo nit, vzmet se bo zravnala in dvignila utež na določeno višino. Vzmet je opravila mehansko delo.
• Opazovanje 3. Na voziček pritrdimo palico s klado na koncu. Skozi kocko bomo vrgli nit, katere en konec je navit okoli osi vozička, na drugem pa visi utež. Sprostimo težo. Pod delovanjem se bo premaknilo navzdol in omogočilo premikanje vozička. Teža je opravila mehansko delo.

Po analizi vseh zgornjih opažanj lahko sklepamo, da če telo ali več teles med interakcijo opravlja mehansko delo, potem pravimo, da imajo mehansko energijo ali energijo.

Energetski koncept

Energija (iz grške besede energija- aktivnost) je fizikalna količina, ki označuje sposobnost teles za opravljanje dela. Enota SI za energijo in delo je en Joule (1 J). Na črki je energija označena s črko E. Iz zgornjih poskusov je razvidno, da telo opravlja delo, ko prehaja iz enega stanja v drugo. V tem primeru se energija telesa spremeni (zmanjša), mehansko delo, ki ga opravi telo, pa je enako rezultatu spremembe njegove mehanske energije.

Vrste mehanske energije. Koncept potencialne energije

Obstajata dve vrsti mehanske energije: potencialna in kinetična. Zdaj pa si podrobneje oglejmo potencialno energijo.

Potencialna energija (PE) - določena z medsebojnim položajem teles, ki medsebojno delujejo, ali z deli tega istega telesa. Ker se vsako telo in zemlja privlačita, to pomeni, da delujeta med seboj, bo PE telesa, dvignjenega nad tlemi, odvisen od višine dviga h. Višje kot je telo dvignjeno, večji je njegov PE. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da PE ni odvisna le od višine, na katero je dvignjena, ampak tudi od telesne teže. Če bi telesi dvignili na enako višino, bo imelo telo z večjo maso večji PE. Formula za to energijo je naslednja: E p = mgh, Kje E str- to je potencialna energija, m- telesna teža, g = 9,81 N/kg, h - višina.

Potencialna energija vzmeti

Potencialna energija elastično deformiranega telesa je fizikalna količina E p, ki se ob spremembi hitrosti translacijskega gibanja pod delovanjem zmanjša točno toliko, kolikor se poveča kinetična energija. Vzmeti imajo (tako kot druga elastično deformirana telesa) PE, ki je enaka polovici produkta njihove togosti. k na kvadrat deformacije: x = kx 2: 2.

Kinetična energija: formula in definicija

Včasih je pomen mehanskega dela mogoče obravnavati brez uporabe pojmov sile in premika, s poudarkom na dejstvu, da delo označuje spremembo energije telesa. Vse, kar potrebujemo, je masa določenega telesa ter njegova začetna in končna hitrost, ki nas bo pripeljala do kinetične energije. Kinetična energija (KE) je energija, ki pripada telesu zaradi lastnega gibanja.

Veter ima kinetično energijo in se uporablja za pogon vetrnih turbin. Gibala pritiskajo na nagnjene ravnine kril vetrnih turbin in jih prisilijo, da se obrnejo. Rotacijsko gibanje se preko zobnikov prenaša na mehanizme, ki opravljajo določeno delo. Gibajoča se voda, ki kroži okoli turbin elektrarne, med opravljanjem dela izgubi nekaj svoje CE. Letalo, ki leti visoko v nebo, ima poleg PE še CE. Če telo miruje, to pomeni, da je njegova hitrost glede na Zemljo enaka nič, potem je njegova CE glede na Zemljo enaka nič. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da večja kot je masa telesa in hitrost, s katero se giblje, večja je njegova CE. Formula za kinetično energijo translacijskega gibanja v matematičnem izrazu je naslednja:

Kje TO- kinetična energija, m- telesna masa, v- hitrost.

Sprememba kinetične energije

Ker je hitrost gibanja telesa količina, ki je odvisna od izbire referenčnega sistema, je od njegove izbire odvisna tudi vrednost FE telesa. Sprememba kinetične energije (IKE) telesa nastane zaradi delovanja zunanje sile na telo F. Fizična količina A, kar je enako IKE ΔE k telo zaradi delovanja sile nanj F se imenuje delo: A = ΔE k. Če na telesu, ki se giblje s hitrostjo v 1 , sila deluje F, ki sovpada s smerjo, se bo hitrost telesa v določenem časovnem obdobju povečala t na neko vrednost v 2 . V tem primeru je IKE enak:

Kje m- telesna masa; d- razdaljo, ki jo prepotuje telo; V f1 = (V 2 - V 1); V f2 = (V 2 + V 1); a = F: m. Ta formula izračuna, koliko se spremeni kinetična energija. Formula ima lahko tudi naslednjo razlago: ΔE k = Flcos ά , kjer je cosά je kot med vektorjema sil F in hitrost V.

Povprečna kinetična energija

Kinetična energija je energija, ki jo določa hitrost gibanja različnih točk, ki pripadajo temu sistemu. Vendar je treba zapomniti, da je treba razlikovati med dvema energijama, ki sta značilni za različne translacijske in rotacijske. (SKE) je v tem primeru povprečna razlika med celotno energijo celotnega sistema in njegovo energijo umirjenosti, torej je pravzaprav njegova vrednost povprečna vrednost potencialne energije. Formula za povprečno kinetično energijo je:

kjer je k Boltzmannova konstanta; T - temperatura. Prav ta enačba je osnova molekularne kinetične teorije.

Povprečna kinetična energija molekul plina

S številnimi poskusi je bilo ugotovljeno, da je povprečna kinetična energija molekul plina pri translacijskem gibanju pri določeni temperaturi enaka in ni odvisna od vrste plina. Poleg tega je bilo tudi ugotovljeno, da ko se plin segreje za 1 o C, se SCE poveča za isto vrednost. Če smo natančnejši, je ta vrednost enaka: ΔE k = 2,07 x 10 -23 J/o C. Da bi izračunali, kakšna je povprečna kinetična energija molekul plina pri translacijskem gibanju, je treba poleg te relativne vrednosti poznati še vsaj eno absolutno vrednost energije translacijskega gibanja. V fiziki so te vrednosti precej natančno določene za širok razpon temperatur. Na primer pri temperaturi t = 500 o C kinetična energija translacijskega gibanja molekule Ek = 1600 x 10 -23 J. Poznavanje 2 količin ( ΔE k in E k), lahko tako izračunamo energijo translacijskega gibanja molekul pri dani temperaturi, kot rešimo inverzni problem - določimo temperaturo iz danih vrednosti energije.

Končno lahko sklepamo, da je povprečna kinetična energija molekul, katere formula je navedena zgoraj, odvisna samo od absolutne temperature (in za katero koli stanje agregacije snovi).

Zakon o ohranitvi celotne mehanske energije

Preučevanje gibanja teles pod vplivom gravitacije in elastičnih sil je pokazalo, da obstaja določena fizična količina, imenovana potencialna energija E str; odvisna je od koordinat telesa, njena sprememba pa je enaka IEC, ki se vzame z nasprotnim predznakom: Δ E p =-ΔE k. Torej je vsota sprememb FE in PE telesa, ki delujejo z gravitacijskimi silami in elastičnimi silami, enaka 0 : Δ E p +ΔE k = 0. Imenujemo sile, ki so odvisne samo od koordinat telesa konzervativen. Sile privlačnosti in elastičnosti so konservativne sile. Vsota kinetične in potencialne energije telesa je skupna mehanska energija: E p +E k = E.

To dejstvo, ki je bilo dokazano z najbolj natančnimi poskusi,
klical zakon o ohranitvi mehanske energije. Če telesa medsebojno delujejo s silami, ki so odvisne od hitrosti relativnega gibanja, se mehanska energija v sistemu medsebojno delujočih teles ne ohrani. Primer sil te vrste, ki se imenujejo nekonservativni, so sile trenja. Če na telo delujejo sile trenja, je za njihovo premagovanje potrebna energija, to je, da se del porabi za opravljanje dela proti silam trenja. Vendar pa je kršitev zakona o ohranitvi energije tukaj le namišljena, ker gre za ločen primer splošnega zakona o ohranitvi in ​​transformaciji energije. Energija teles nikoli več ne izgine in se ne pojavi: le preoblikuje se iz ene vrste v drugo. Ta naravni zakon je zelo pomemben; velja povsod. Včasih se imenuje tudi splošni zakon o ohranjanju in transformaciji energije.

Povezava med notranjo energijo telesa, kinetično in potencialno energijo

Notranja energija (U) telesa je njegova celotna telesna energija, zmanjšana za CE telesa kot celote in njegov PE v zunanjem polju sil. Iz tega lahko sklepamo, da je notranja energija sestavljena iz CE kaotičnega gibanja molekul, PE interakcije med njimi in intramolekularne energije. Notranja energija je nedvoumna funkcija stanja sistema, kar pomeni naslednje: če je sistem v danem stanju, njegova notranja energija prevzame svoje inherentne vrednosti, ne glede na to, kaj se je prej zgodilo.

Relativizem

Ko je hitrost telesa blizu hitrosti svetlobe, se kinetična energija izračuna po naslednji formuli:

Kinetično energijo telesa, katere formula je bila napisana zgoraj, je mogoče izračunati tudi po naslednjem principu:

Primeri nalog pri iskanju kinetične energije

1. Primerjaj kinetično energijo žoge z maso 9 g, ki leti s hitrostjo 300 m/s, in osebe s težo 60 kg, ki teče s hitrostjo 18 km/h.

Torej, kaj nam je dano: m 1 = 0,009 kg; V 1 = 300 m/s; m 2 = 60 kg, V 2 = 5 m/s.

rešitev:

• Kinetična energija (formula): E k = mv 2: 2.
• Imamo vse podatke za izračun, zato bomo našli E k tako za osebo kot za žogo.
• 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: kinetična energija žoge je manjša od človekove.

2. Telo z maso 10 kg so dvignili na višino 10 m, nakar so ga izpustili. Kakšen FE bo imel na višini 5 m? Zračni upor lahko zanemarimo.

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

rešitev:

• Telo določene mase, dvignjeno na določeno višino, ima potencialno energijo: E p = mgh. Če telo pade, se bo na določeni višini h 1 znojilo. energija E p = mgh 1 in kin. energija E k1. Da bi pravilno našli kinetično energijo, zgornja formula ne bo pomagala, zato bomo problem rešili z naslednjim algoritmom.
• V tem koraku uporabimo zakon o ohranitvi energije in zapišemo: E p1 +E k1 = E p.
• Potem E k1 = E P - E p1 = mgh- mgh 1 = mg(h-h 1).
• Če nadomestimo svoje vrednosti v formulo, dobimo: E k1 = 10 x 9,81(10-5) = 490,5 J.

Odgovor: E k1 = 490,5 J.

3. Vztrajnik z maso m in polmer R, vrti okoli osi, ki poteka skozi njegovo središče. Kotna hitrost vrtenja vztrajnika - ω . Za zaustavitev vztrajnika se na njegov rob pritisne zavorna ploščica, ki nanj deluje s silo. F trenje. Koliko vrtljajev bo naredil vztrajnik, preden se bo popolnoma ustavil? Upoštevajte, da je masa vztrajnika skoncentrirana vzdolž roba.

Torej, kaj nam je dano: m; R; ω; F trenje. N - ?

rešitev:

• Pri reševanju naloge bomo smatrali, da so vrtljaji vztrajnika podobni vrtljajem tankega homogenega obroča s polmerom R in masa m, ki se vrti s kotno hitrostjo ω.
• Kinetična energija takega telesa je enaka: E k = (J ω 2) : 2, kjer J= m R 2 .
• Vztrajnik se bo ustavil, če bo ves njegov FE porabljen za premagovanje sile trenja F trenje, med zavorno ploščico in platiščem: E k = Trenje F *s , kjer s- 2 πRN = (m R 2 ω 2) : 2, od koder N = ( m ω 2 R): (4 π F tr).

Odgovor: N = (mω 2 R) : (4πF tr).

Končno

Energija je najpomembnejša sestavina v vseh vidikih življenja, saj brez nje nobeno telo ne bi moglo opravljati dela, tudi človek. Menimo, da vam je članek jasno pojasnil, kaj je energija, podrobna predstavitev vseh vidikov ene od njenih komponent - kinetične energije - pa vam bo pomagala razumeti številne procese, ki se dogajajo na našem planetu. Iz zgornjih formul in primerov reševanja problemov se lahko naučite, kako najti kinetično energijo.

Energija je tista, ki omogoča življenje ne le na našem planetu, ampak tudi v vesolju. Lahko pa je zelo različno. Torej, toplota, zvok, svetloba, elektrika, mikrovalovi, kalorije so različne vrste energije. Ta snov je potrebna za vse procese, ki se dogajajo okoli nas. Vse na Zemlji prejme večino energije od Sonca, obstajajo pa tudi drugi viri. Sonce ga na naš planet prenaša toliko, kot bi ga hkrati proizvedlo 100 milijonov najmočnejših elektrarn.

Kaj je energija?

Teorija, ki jo je predstavil Albert Einstein, preučuje odnos med snovjo in energijo. Ta veliki znanstvenik je uspel dokazati sposobnost ene snovi, da se spremeni v drugo. Izkazalo se je, da je energija najpomembnejši dejavnik obstoja teles, snov pa drugotnega pomena.

Energija je na splošno zmožnost opravljanja določenega dela. Prav ona stoji za konceptom sile, ki je sposobna premakniti telo ali mu dati nove lastnosti. Kaj pomeni izraz "energija"? Fizika je temeljna veda, ki so ji svoja življenja posvetili številni znanstveniki iz različnih obdobij in držav. Tudi Aristotel je besedo »energija« uporabljal za označevanje človekove dejavnosti. Prevedeno iz grščine je "energija" "dejavnost", "moč", "dejanje", "moč". Ta beseda se je prvič pojavila v razpravi grškega znanstvenika z naslovom "Fizika".

V zdaj splošno sprejetem pomenu je ta izraz v uporabo uvedel angleški fizik.Ta pomemben dogodek se je zgodil leta 1807. V 50-ih letih XIX stoletja. Angleški mehanik William Thomson je prvi uporabil koncept "kinetične energije", leta 1853 pa je škotski fizik William Rankine uvedel izraz "potencialna energija".

Danes je ta skalarna količina prisotna v vseh vejah fizike. Je enotna mera različnih oblik gibanja in interakcije snovi. Z drugimi besedami, predstavlja merilo preobrazbe ene oblike v drugo.

Merske enote in simboli

Meri se količina energije.Ta posebna enota ima lahko glede na vrsto energije različne oznake, npr.

• W je skupna energija sistema.
• Q - termični.
• U - potencial.

Vrste energije

V naravi je veliko različnih vrst energije. Glavni so:

• mehanski;
• elektromagnetni;
• električni;
• kemična;
• termični;
• jedrska (atomska).

Obstajajo še druge vrste energije: svetlobna, zvočna, magnetna. V zadnjih letih se vse več fizikov nagiba k hipotezi o obstoju tako imenovane "temne" energije. Vsaka od prej naštetih vrst te snovi ima svoje značilnosti. Na primer, zvočna energija se lahko prenaša z valovi. Prispevajo k vibriranju bobničev v ušesih ljudi in živali, zaradi česar se slišijo zvoki. Med različnimi kemičnimi reakcijami se sprošča energija, ki je potrebna za življenje vseh organizmov. Vsako gorivo, hrana, baterije, baterije so skladišče te energije.

Naša zvezda daje Zemlji energijo v obliki elektromagnetnega valovanja. Le tako lahko premaga prostranstva vesolja. Zahvaljujoč sodobnim tehnologijam, kot so sončni kolektorji, ga lahko izkoristimo z največjim učinkom. Odvečna neporabljena energija se kopiči v posebnih hranilnikih energije. Poleg zgoraj navedenih vrst energije se pogosto uporabljajo termalni vrelci, reke, oceani in biogoriva.

Mehanska energija

To vrsto energije preučuje veja fizike, imenovana "mehanika". Označujemo ga s črko E. Merimo ga v joulih (J). Kaj je ta energija? Mehanska fizika proučuje gibanje teles in njihovo interakcijo med seboj ali z zunanjimi polji. V tem primeru se energija zaradi gibanja teles imenuje kinetična (označena z Ek), energija zaradi ali zunanjih polj pa potencialna (Ep). Vsota gibanja in interakcije predstavlja celotno mehansko energijo sistema.

Obstaja splošno pravilo za izračun obeh vrst. Za določitev količine energije je treba izračunati delo, potrebno za prenos telesa iz ničelnega stanja v dano stanje. Še več, več kot je dela, več energije bo imelo telo v danem stanju.

Ločevanje vrst glede na različne značilnosti

Obstaja več vrst delitve energije. Po različnih kriterijih jo delimo na: zunanjo (kinetično in potencialno) in notranjo (mehansko, toplotno, elektromagnetno, jedrsko, gravitacijsko). Elektromagnetno energijo pa delimo na magnetno in električno, jedrsko energijo pa na energijo šibkih in močnih interakcij.

Kinetična

Za vsako gibljivo telo je značilna prisotnost kinetične energije. Pogosto se imenuje gonilna sila. Energija gibajočega telesa se izgubi, ko se upočasni. Torej, večja kot je hitrost, večja je kinetična energija.

Ko gibljivo telo pride v stik z mirujočim predmetom, se kinetični del prenese na slednjega, kar povzroči njegovo premikanje. Formula za kinetično energijo je naslednja:

• E k = mv 2: 2,
  kjer je m masa telesa, v hitrost gibanja telesa.

Z besedami lahko to formulo izrazimo na naslednji način: kinetična energija predmeta je enaka polovici zmnožka njegove mase s kvadratom njegove hitrosti.

potencial

To vrsto energije imajo telesa, ki so v nekem polju sil. Tako se magnetna pojavi, ko je predmet izpostavljen magnetnemu polju. Vsa telesa na zemlji imajo potencialno gravitacijsko energijo.

Glede na lastnosti predmetov študija imajo lahko različne vrste potencialne energije. Tako imajo elastična in prožna telesa, ki so se sposobna raztezati, potencialno energijo prožnosti ali napetosti. Vsako padajoče telo, ki je bilo prej negibno, izgubi potencial in pridobi kinetiko. V tem primeru bo velikost teh dveh vrst enakovredna. V gravitacijskem polju našega planeta bo formula za potencialno energijo imela naslednjo obliko:

• E str = mhg,
  kjer je m telesna teža; h je višina središča telesne mase nad ničelno gladino; g je pospešek prostega pada.

Z besedami lahko to formulo izrazimo na naslednji način: potencialna energija predmeta, ki deluje z Zemljo, je enaka zmnožku njegove mase, gravitacijskega pospeška in višine, na kateri se nahaja.

Ta skalarna količina je značilnost zaloge energije materialne točke (telesa), ki se nahaja v potencialnem polju sil in se uporablja za pridobivanje kinetične energije zaradi dela sil polja. Včasih se imenuje koordinatna funkcija, ki je izraz v Langrangianu sistema (Lagrangeeva funkcija dinamičnega sistema). Ta sistem opisuje njihovo interakcijo.

Potencialna energija je za določeno konfiguracijo teles v prostoru enaka nič. Izbira konfiguracije je določena s priročnostjo nadaljnjih izračunov in se imenuje "normalizacija potencialne energije".

Zakon o ohranjanju energije

Eden najosnovnejših postavk fizike je zakon o ohranitvi energije. Po njegovem mnenju se energija ne pojavi od nikoder in nikamor ne izgine. Nenehno se spreminja iz ene oblike v drugo. Z drugimi besedami, pride le do spremembe energije. Na primer, kemična energija baterije svetilke se pretvori v električno energijo, iz nje pa v svetlobo in toploto. Različni gospodinjski aparati pretvarjajo električno energijo v svetlobo, toploto ali zvok. Najpogosteje sta končni rezultat spremembe toplota in svetloba. Po tem gre energija v okoliški prostor.

Energijski zakon lahko pojasni veliko Znanstveniki trdijo, da celotna količina energije v vesolju nenehno ostaja nespremenjena. Nihče ne more znova ustvariti energije ali je uničiti. Pri proizvodnji ene od njegovih vrst ljudje uporabljajo energijo goriva, padajoče vode in atoma. V tem primeru se ena vrsta spremeni v drugo.

Leta 1918 je znanstvenikom uspelo dokazati, da je zakon o ohranitvi energije matematična posledica translacijske simetrije časa - vrednosti konjugirane energije. Z drugimi besedami, energija se ohranja, ker se fizikalni zakoni ob različnih časih ne razlikujejo.

Energetske lastnosti

Energija je sposobnost telesa za opravljanje dela. V zaprtih fizikalnih sistemih se ohranja ves čas (dokler je sistem zaprt) in predstavlja enega od treh aditivnih integralov gibanja, ki med gibanjem ohranjajo svojo vrednost. Sem sodijo: energija, moment Uvedba pojma »energija« je primerna, ko je fizični sistem časovno homogen.

Notranja energija teles

Je vsota energij molekularnih interakcij in toplotnih gibanj molekul, ki jo sestavljajo. Ni ga mogoče neposredno izmeriti, ker je edinstvena funkcija stanja sistema. Kadarkoli se sistem znajde v danem stanju, ima njegova notranja energija inherentno vrednost, ne glede na zgodovino obstoja sistema. Sprememba notranje energije pri prehodu iz enega fizičnega stanja v drugega je vedno enaka razliki med njenimi vrednostmi v končnem in začetnem stanju.

Notranja energija plina

Poleg trdnih snovi imajo energijo tudi plini. Predstavlja kinetično energijo toplotnega (kaotičnega) gibanja delcev sistema, ki vključuje atome, molekule, elektrone in jedra. Notranja energija idealnega plina (matematični model plina) je vsota kinetičnih energij njegovih delcev. Pri tem se upošteva število prostostnih stopinj, ki je število neodvisnih spremenljivk, ki določajo položaj molekule v prostoru.

Vsako leto človeštvo porabi vedno več virov energije. Najpogosteje se fosilni ogljikovodiki, kot so premog, nafta in plin, uporabljajo za pridobivanje energije, potrebne za razsvetljavo in ogrevanje naših domov, delovanje vozil in različnih mehanizmov. Spadajo med neobnovljive vire.

Na žalost le majhen del energije našega planeta prihaja iz obnovljivih virov, kot so voda, veter in sonce. Danes je njihov delež v energetiki le 5 %. Še 3 % ljudje prejmejo v obliki jedrske energije, proizvedene v jedrskih elektrarnah.

Imajo naslednje rezerve (v joulih):

• jedrska energija - 2 x 10 24;
• energija plina in nafte - 2 x 10 23;
• notranja toplota planeta je 5 x 10 20.

Letna vrednost zemeljskih obnovljivih virov:

• sončna energija - 2 x 10 24;
• veter - 6 x 10 21;
• reke - 6,5 x 10 19;
• plimovanje morja - 2,5 x 10 23.

Samo s pravočasnim prehodom iz uporabe neobnovljivih zalog energije Zemlje na obnovljive ima človeštvo možnost za dolgo in srečno obstoj na našem planetu. Za izvajanje naprednega razvoja znanstveniki po vsem svetu še naprej natančno preučujejo različne lastnosti energije.

Energija interakcije med telesi. Telo samo ne more imeti potencialne energije. ki ga določa sila, ki na telo deluje s strani drugega telesa. Ker so medsebojno delujoča telesa enakopravna, torej potencialna energija imajo samo medsebojno delujoča telesa.

A = Fs = mg (h 1 - h 2).

Zdaj razmislite o gibanju telesa vzdolž nagnjene ravnine. Ko se telo premika po nagnjeni ravnini, gravitacija deluje

A = mgscosα.

Iz slike je razvidno, da scosα = h, torej

A = mgh.

Izkazalo se je, da delo, ki ga opravi gravitacija, ni odvisno od poti telesa.

Enakopravnost A = mg (h 1 - h 2) lahko zapišemo v obliki A = - (mgh 2 - mg h 1 ).

To je delo gravitacije pri premikanju telesa z maso m od točke h 1 točno h 2 vzdolž katere koli trajektorije je enaka spremembi neke fizikalne količine mgh z nasprotnim predznakom.

Fizikalna količina, ki je enaka zmnožku mase telesa z modulom pospeška prostega pada in višine, na katero je telo dvignjeno nad površjem Zemlje, se imenuje potencialna energija telesa.

Potencialna energija je označena z E r. E r = mgh, torej:

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

Telo ima lahko tako pozitivno kot negativno potencialno energijo. Telesna masa m na globini h s površja Zemlje ima negativno potencialno energijo: E r = - mgh.

Razmislimo o potencialni energiji elastično deformiranega telesa.

Pritrdite ga na vzmet s togostjo k blok, raztegnite vzmet in sprostite blok. Pod delovanjem elastične sile bo raztegnjena vzmet aktivirala blok in ga premaknila za določeno razdaljo. Izračunajmo delo, ki ga opravi prožna sila vzmeti iz neke začetne vrednosti x 1 do konca x 2.

Prožnostna sila se spreminja, ko se vzmet deformira. Da bi našli delo, ki ga opravi elastična sila, lahko vzamete produkt povprečne vrednosti modula sile in modula premika:

A = F u.sr(x 1 - x 2).

Ker je elastična sila sorazmerna z deformacijo vzmeti, je povprečna vrednost njenega modula enaka

Če ta izraz nadomestimo s formulo za delo sile, dobimo:

Fizikalna količina, ki je enaka polovici produkta togosti telesa s kvadratom njegove deformacije, se imenuje potencialna energija elastično deformirano telo:

Od tod sledi A = - (E p2 - E p1).

Tako kot velikost mgh, potencialna energija elastično deformirano telo je odvisno od koordinat, saj x 1 in x 2 je podaljšek vzmeti in hkrati koordinate konca vzmeti. Zato lahko rečemo, da je potencialna energija v vseh primerih odvisna od koordinat.