Що означає «дія». Можна назвати енергійною людину, яка рухається, створює певну роботу, може творити, діяти. Також енергією володіють машини, створені людьми, жива та природа. Але це у звичайному житті. Крім цього, є строга, яка визначила і позначила багато видів енергії – електричну, магнітну, атомну та ін. Однак зараз йтиметься про потенційну енергію, яку не можна розглядати у відриві від кінетичної.
Кінетична енергія
Цю енергію, згідно з уявленнями механіки, мають всі тіла, які взаємодіють один з одним. І в цьому випадку йдеться про рух тіл.
Потенціальна енергія
У цей вид енергії створюється, коли відбувається взаємодія тіл або частин одного тіла, але при цьому немає руху як такого. У цьому вся головна відмінність від кінетичної енергії. Наприклад, якщо підняти камінь над землею і утримати в цьому положенні, він матиме потенційну енергію, яка може перейти в кінетичну, якщо відпустити камінь.
Зазвичай енергію пов'язують із роботою. Тобто в цьому прикладі відпущений камінь може зробити деяку роботу під час падіння. А можлива величина роботи дорівнюватиме потенційної енергії тіла при певній висоті h. Для обчислення цієї енергії застосовується така формула:
A=Fs=Fт*h=mgh, або Eп=mgh, де:
Eп - потенційна енергія тіла,
m - маса тіла,
h - висота тіла над поверхнею землі
g – прискорення вільного падіння.
Два види потенційної енергії
У потенційної енергії відрізняється два види:
1. Енергія при взаємному розташуванні тел. Таку енергію має підвішений камінь. Цікаво, але потенційну енергію мають і звичайні дрова або вугілля. Вони міститься не окислений вуглець, який може окислитися. Якщо сказати простіше, дрова, що згоріли, потенційно можуть нагріти воду.
2. Енергія пружної деформації. Для прикладу тут можна навести еластичний джгут, стиснуту пружину або система «кістки-м'язи-зв'язки».
Потенційна та кінетична енергія взаємопов'язані. Вони можуть переходити один в одного. Наприклад, якщо підкинути камінь вгору, при русі спочатку він має кінетичну енергію. Коли він досягне певної точки, то на мить замре і отримає потенційну енергію, а потім гравітація потягне його вниз і знову кінетична енергія.
Енергія – скалярна величина. У системі СІ одиницею виміру енергії є Джоуль.
Кінетична та потенційна енергія
Розрізняють два види енергії – кінетичну та потенційну.
ВИЗНАЧЕННЯ
Кінетична енергія– це енергія, яку тіло має внаслідок свого руху:
ВИЗНАЧЕННЯ
Потенціальна енергія– це енергія, що визначається взаємним розташуванням тіл, і навіть характером сил взаємодії між цими тілами.
Потенційна енергія у полі тяжіння Землі – це енергія, зумовлена гравітаційним взаємодією тіла із Землею. Вона визначається положенням тіла щодо Землі і дорівнює роботі з переміщення тіла з цього положення на нульовий рівень:
Потенційна енергія – енергія, зумовлена взаємодією частин тіла друг з одним. Вона дорівнює роботі зовнішніх сил з розтягування (стиснення) недеформованої пружини на величину:
Тіло може одночасно мати і кінетичну, і потенційну енергію.
Повна механічна енергія тіла або системи тіл дорівнює сумі кінетичної та потенційної енергії тіла (системи тіл):
Закон збереження енергії
Для замкнутої системи тіл справедливий закон збереження енергії:
У разі коли на тіло (або систему тіл) діють зовнішні сили, наприклад, закон збереження механічної енергії не виконується. У цьому випадку зміна повної механічної енергії тіла (системи тіл) дорівнює зовнішнім силам:
Закон збереження енергії дозволяє встановити кількісний зв'язок між різними формами руху матерії. Так само, як і , він справедливий не тільки для , але і для всіх явищ природи. Закон збереження енергії говорить про те, що в енергію в природі не можна знищити так само, як створити нічого.
У найбільш загальному вигляді закон збереження енергії можна сформулювати так:
- енергія в природі не зникає і не створюється знову, а лише перетворюється з одного виду на інший.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | Куля, що летить зі швидкістю 400 м/с, потрапляє в земляний вал і проходить до зупинки 0,5 м. Визначити опір валу руху кулі, якщо її маса 24 г. |
| Рішення | Сила опору валу – це зовнішня сила, тому робота цієї сили дорівнює зміні кінетичної енергії кулі: Оскільки сила опору валу протилежна напрямку руху кулі, робота цієї сили: Зміна кінетичної енергії кулі: Таким чином, можна записати: звідки сила опору земляного валу: Переведемо одиниці до системи СІ: г кг. Обчислимо силу опору: |
| Відповідь | Сила опору валу 3,8 кН. |
ПРИКЛАД 2
| Завдання | Вантаж масою 0,5 кг падає з деякої висоти плиту масою 1 кг, укріплену на пружині з коефіцієнтом жорсткості 980 Н/м. Визначити величину найбільшого стиснення пружини, якщо в момент удару вантаж мав швидкість 5 м/с. Удар непружний. |
| Рішення | Запишемо для замкнутої системи груз+плита. Оскільки удар непружний, маємо: звідки швидкість плити з вантажем після удару:
За законом збереження енергії повна механічна енергія вантажу разом із плитою після удару дорівнює потенційній енергії стиснутої пружини: |
Будь-яке тіло завжди має енергію. За наявності руху це очевидно: є швидкість чи прискорення, що, помножене на масу, дає результат. Однак у випадку, коли тіло нерухоме, воно, як не парадоксально, також може бути охарактеризовано як енергією, що володіє.
Отже, виникає під час руху, потенційна - при взаємодії кількох тіл. Якщо з першою все більш-менш очевидно, то нерідко сила, що виникає між двома нерухомими об'єктами, залишається за межею розуміння.
Загальновідомо, що планета Земля впливає на всі тіла, що знаходяться на її поверхні за рахунок. Тобто вона притягує будь-який предмет із певною силою. При переміщенні предмета, зміні його висоти відбувається також зміна показників енергії. Безпосередньо в момент підняття тіло має прискорення. Однак у вищій своїй точці, коли предмет (нехай навіть на частку секунди) нерухомий, він має потенційну енергію. Вся справа в тому, що його, як і раніше, тягне до себе поле Землі, з яким тіло взаємодіє.
Інакше кажучи, потенційна енергія виникає завжди з допомогою взаємодії кількох предметів, що утворюють систему, незалежно від розмірів самих предметів. При цьому за умовчанням один із них представлений нашою планетою.
Потенційна енергія - величина, що залежить від маси предмета та висоти, на яку він піднятий. Міжнародне позначення – латинські літери Ep. виглядає наступним чином:
Де m – маса, g – прискорення h – висота.
Важливо докладніше розглянути параметр висоти, оскільки він нерідко стає причиною труднощів при вирішенні завдань і розумінні значення аналізованої величини. Справа в тому, що будь-яке вертикальне пересування тіла має свою початкову та кінцеву точку. Для коректного знаходження потенційної енергії взаємодії тіл важливо знати початкову висоту. Якщо вона не вказана, її значення дорівнює нулю, тобто збігається з поверхнею Землі. У випадку, якщо відома як початкова точка відліку, так і кінцева висота, необхідно знайти різницю між ними. Число, що вийшло, і стане шуканим h.
Важливо також відзначити, що потенційна енергія системи може мати негативне значення. Припустимо, ми вже підняли тіло над рівнем Землі, отже, воно має висоту, яку назвемо початковою. При його опусканні формула виглядатиме таким чином:
Очевидно, що h1 більше за h2, отже, значення буде негативним, що й надасть всій формулі знак мінус.
Цікаво, що потенційна енергія тим вища, що далі від Землі розташоване тіло. Для того, щоб краще зрозуміти цей факт, замислимося: чим вище потрібно підняти тіло над Землею, тим досконаліша робота. Що значення роботи будь-якої сили, тим, умовно кажучи, більше вкладено енергії. Потенційна енергія, інакше кажучи, це енергія можливості.
Подібним чином можна виміряти енергію взаємодії тіл під час розтягування предмета.
В рамках цієї теми необхідно окремо обговорити взаємодію зарядженої частинки та електричного поля. У подібній системі буде наявна потенційна енергія заряду. Розглянемо цей факт докладніше. На будь-який заряд, що знаходиться в межах електричного поля, діє однойменна сила. Переміщення частки відбувається за рахунок роботи, що провадиться цією силою. Враховуючи, що власне заряд і (точніше кажучи, тіло, що його створило) - це система, ми також отримуємо потенційну енергію переміщення заряду в межах заданого поля. Оскільки даний вид енергії – особливий випадок, йому було присвоєно назву електростатичного.
Потенційну енергіюназивають енергією взаємодії фізичних тіл чи його частин між собою. Вона визначається їх взаємним розташуванням, тобто, відстанню з-поміж них, і дорівнює роботі, яку треба зробити, щоб перемістити тіло з точки відліку до іншої точки в полі дії консервативних сил.
Потенційну енергію має будь-яке нерухоме фізичне тіло, підняте на якусь висоту, тому що на нього діє сила тяжіння, що є консервативною силою. Таку енергію має вода на краю водоспаду, санки на вершині гори.
Звідки ця енергія з'явилася? Поки фізичне тіло піднімали на висоту, зробили роботу та витратили енергію. Ось ця енергія і запаслася у піднятому тілі. І тепер ця енергія готова до роботи.
Величина потенційної енергії тіла визначається висотою, де знаходиться тіло щодо якогось початкового рівня. За точку відліку ми можемо прийняти будь-яку обрану нами точку.
Якщо розглядати положення тіла щодо Землі, то потенційна енергія тіла лежить на поверхні Землі дорівнює нулю. А на висоті h вона обчислюється за такою формулою:
Е п = mɡh,
де m - маса тіла
ɡ - прискорення вільного падіння
h- Висота центру мас тіла щодо Землі
ɡ = 9,8 м/с 2
При падінні тіла з висоти h 1 до висоти h 2 сила тяжіння здійснює роботу. Ця робота дорівнює зміні потенційної енергії та має негативне значення, оскільки величина потенційної енергії при падінні тіла зменшується.
A = - (E п2 – E п1) = - ∆ E п ,
де E п1 - Потенційна енергія тіла на висоті h 1 ,
E п2 -потенційна енергія тіла на висоті h 2 .
Якщо ж тіло піднімають на якусь висоту, то виконують роботу проти тяжкості. І тут вона має позитивне значення. А величина потенційної енергії тіла зростає.
Потенційною енергією володіє і пружно деформоване тіло (стиснена або розтягнута пружина). Її величина залежить від жорсткості пружини і від того, на яку довжину її стиснули або розтягнули, і визначається за такою формулою:
Е п = k · (∆x) 2 / 2,
де k - Коефіцієнт жорсткості,
∆x- Подовження або стиснення тіла.
Потенційна енергія пружини може виконувати роботу.
Кінетична енергія
У перекладі з грецької «кінема» означає «рух». Енергія, яку фізичне тіло отримує внаслідок свого руху, називається кінетичної. Її величина залежить від швидкості руху.
Футбольний м'яч, що котиться полем, скотилися з гори і продовжують рухатися санки, випущена з лука стріла - всі вони мають кінетичну енергію.
Якщо тіло перебуває у стані спокою, його кінетична енергія дорівнює нулю. Як тільки на тіло діє сила або кілька сил, воно почне рухатися. А якщо тіло рухається, то сила, що діє на нього, здійснює роботу. Робота сили, під впливом якої тіло зі стану спокою перейде у рух і змінить свою швидкість від нуля до ν , називається кінетичною енергією тіла масою m .
Якщо ж у початковий момент часу тіло вже перебувало у русі, та його швидкість мала значення ν 1 , а в кінцевий момент вона дорівнювала ν 2 , то робота, виконана силою або силами, що діють на тіло, дорівнюватиме прирощенню кінетичної енергії тіла.
∆E k = E k2 - E k1
Якщо напрямок сили збігається з напрямком руху, то відбувається позитивна робота, і кінетична енергія тіла зростає. А якщо сила спрямована у бік, протилежний до напрямку руху, то відбувається негативна робота, і тіло віддає кінетичну енергію.
І отримайте два безкоштовні урокиу школі англійської мови SkyEng!
Займаюся там сам – дуже круто. Прогрес очевидний.
У додатку можна вивчати слова, тренувати аудіювання та вимову.
Спробуйте. Два уроки безкоштовно за моїм посиланням!
Тисніть
Щоб збільшити відстань тіла від центру Землі (підняти тіло), над ним слід здійснити роботу. Ця робота проти сили тяжіння запасається як потенційної енергії тіла.
Для того, щоб зрозуміти що ж таке потенціальна енергіятіла знайдемо роботу, яку чинить сила тяжіння при переміщенні тіла масою m вертикально вниз з висоти над поверхнею Землі до висоти .
Якщо різниця зневажливо мала в порівнянні з відстанню до центру Землі, силу тяжіння під час руху тіла можна вважати постійною і рівною mg.
Так як переміщення збігається у напрямку з вектором сили тяжіння, то виходить, що робота сили тяжіння дорівнює
З останньої формули видно, що робота сили тяжіння при перенесенні матеріальної точки масою m у полі тяжіння Землі дорівнює різниці двох значень деякої величини mgh. Оскільки робота є міра зміни енергії, то у правій частині формули стоїть різниця двох значень енергії цього тіла. Це означає, що величина mgh є енергією, обумовлену положенням тіла в полі тяжіння Землі.
Енергію, обумовлену взаємним розташуванням тіл, що взаємодіють між собою (або частин одного тіла), називають потенційноюта позначають Wp. Отже, для тіла, що у полі тяжіння Землі,
Робота сили тяжіння дорівнює зміні потенційної енергії тіла, узятий з протилежним знаком.
Робота сили тяжіння не залежить від траєкторії руху тіла і завжди дорівнює добутку модуля сили тяжіння на різницю висот у початковому та кінцевому положеннях
Значення потенційної енергіїтіла, піднятого над Землею, залежить від вибору нульового рівня, тобто висоти, де потенційна енергія приймається рівної нулю. Зазвичай приймають, що потенційна енергія тіла лежить на поверхні Землі дорівнює нулю.
За такого вибору нульового рівня потенційна енергія тіла, що знаходиться на висоті h над поверхнею Землі, дорівнює добутку маси тіла на Модуль прискорення вільного падіння та відстань його від поверхні Землі:
З усього вище сказаного, можемо зробити висновок: потенційна енергія тіла залежить від двох величин, А саме: від маси самого тіла та висоти, на яку піднято це тіло. Траєкторія руху тіла ніяк не впливає на потенційну енергію.
Фізична величина, що дорівнює половині добутку жорсткості тіла на квадрат його деформації, називається потенційною енергією пружно деформованого тіла:
Потенційна енергія пружно деформованого тіла дорівнює роботі, яку здійснює сила пружності під час переходу тіла у стан, у якому деформація дорівнює нулю.
Також є:
Кінетична енергія
У формулі ми використали:
Потенціальна енергія