Кинетическая энергия — это… Что такое Кинетическая энергия?

Кинети́ческая эне́ргия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения.

Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением.

История

Впервые понятие кинетической энергии было введено в трудах Г. Лейбница, посвященных понятию «живой силы»

Физический смысл

Рассмотрим систему, состоящую из одной частицы, и запишем второй закон Ньютона:

 — есть результирующая всех сил, действующих на тело. Скалярно умножим уравнение на перемещение частицы . Учитывая, что , Получим:

Если система замкнута, то есть , то , а величина

остаётся постоянной. Эта величина называется кинетической энергией частицы. Если система изолирована, то кинетическая энергия является интегралом движения.

Для абсолютно твёрдого тела полную кинетическую энергию можно записать в виде суммы кинетической энергии поступательного и вращательного движения:

где:

 — масса тела

 — скорость центра масс тела

 — момент инерции тела

 — угловая скорость тела.

Физический смысл работы

Работа всех сил, действующих на частицу, идёт на приращение кинетической энергии частицы:

Релятивизм

При скоростях, близких к скорости света, кинетическая энергия любого объекта равна

где:

 — масса объекта;

 — скорость движения объекта в инерциальной системе отсчета;

 — скорость света в вакууме ( — энергия покоя).

Данную формулу можно переписать в следующем виде:

При малых скоростях () последнее соотношение переходит в обычную формулу .

Соотношение кинетической и внутренней энергии

Кинетическая энергия зависит от того, с каких позиций рассматривается система.

Если рассматривать макроскопический объект (например, твёрдое тело видимых размеров), то тело неподвижно как единое целое, и можно говорить о такой форме энергии, как внутренняя энергия. Кинетическая энергия в этом случае появляется лишь тогда, когда тело движется как целое.

То же тело, рассматриваемое с микроскопической точки зрения, состоит из атомов и молекул, и внутренняя энергия обусловлена движением атомов и молекул и рассматривается как следствие теплового движения этих частиц, а абсолютная температура тела прямо пропорциональна средней кинетической энергии такого движения атомов и молекул. Коэффициент пропорциональности — Постоянная Больцмана.

См. также

What is Energy? | Protocol (Translated to Russian)

1.6: Что такое энергия?

»

Вселенная состоит из материи в различных формах, и все формы материи содержат энергию.  Различные формы энергии на Земле происходят от Солнца — конечного источника энергии.

Растения улавливают энергию света от Солнца, и через процесс фотосинтеза преобразуют её в химическую энергию. Эту накопленную энергию можно использовать различными способами. Например, употребление в пищу растительных продуктов обеспечивает наше тело энергией для функционирования, а сжигание древесины или угля (которые представляет собой окаменелые растения) генерирует тепло и электричество. Поэтому, поскольку все изменения материи связаны с изменениями энергии, важно понимать, как энергия переходит из одной формы в другую.  

Энергия определяется как способность выполнять работу. Работа выполняется, когда сила, приложенная к объекту, заставляет объект двигаться против противоположно направленной силы. Например, работа выполняется, когда стол перемещается по комнате, преодолевая сопротивление пола.  

Энергия может быть сгруппирована в два основных типа－потенциальная энергия и кинетическая энергия. Потенциальная энергия — это энергия, связанная с относительным положением, составом или состоянием объекта. Кинетическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта. Например, вода, удерживаемая плотиной, обладает потенциальной энергией из-за ее положения над землей. Когда она течет вниз через генераторы, она приобретает кинетическую энергию, которую можно использовать для производства электроэнергии на гидроэлектростанции.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия также называется энергией в состоянии покоя или накопленной энергией. К общим типам потенциальной энергии относятся гравитационная потенциальная энергия, имеющаяся у яблока, висящего на дереве, энергия электрического потенциала, хранящаяся в объекте из-за притяжения или отталкивания электрических зарядов, или энергия химического потенциала, хранящаяся в связях между атомами и молекулами. Кроме того, ядерная энергия, хранящаяся в атомном ядре, и упругая энергия, хранящаяся в растянутой пружине из-за его конфигурации, являются типами потенциальной энергии.

Обычно объекты или системы с высокой потенциальной энергией имеют тенденцию быть менее стабильными и, таким образом, двигаться к более низким уровням энергии для достижения стабильности. Например, радиоактивный элемент уран-235 (U235^{) имеет нестабильное ядро. Чтобы добиться стабильности, оно разделяется на более мелкие, но стабильные элементы и высвобождает накопленную ядерную энергию. Затем эта выделенная энергия может быть использована для производства электроэнергии на атомных электростанциях.}  

Кинетическая энергия

Уровень кинетической энергии объекта зависит от его массы и скорости. Рассмотрим два шарика разных масс, скатывающихся вниз по наклонной плоскости с одинаковой скоростью. Более тяжелый шарик будет обладать большей кинетической энергией. Точно так же, когда два шарика одной и той же массы скатятся вниз по наклонной плоскости на разных скоростях, мяч, который движется быстрее, обладает большей кинетической энергией.  

Существуют также различные формы кинетической энергии, включая механическую, электрическую, лучистую, звуковую, и тепловую энергию. Механическая энергия связана с движением объекта. Чем быстрее перемещается объект, тем больше механическая энергия.  Например, пуля, выстреливаемая из пушки, или вода, стекающая по плотине, являются примерами объектов с механической энергией. Электрическая энергия связана с потоком электрических зарядов, как в случае удара молнии во время грозы или обычных электрических цепях и устройствах. Лучистая энергия — это форма кинетической энергии, которая перемещается в виде электромагнитных волн и может быть ощущаться в виде света и тепла. Солнечный свет является примером лучистой энергии.

Тепловая энергия связана со случайным движением атомов и молекул. Когда атомы и молекулы объекта быстро перемещаются или колеблются, они обладают более высокой средней кинетической энергией (KЭ), и объект, как говорят, “горячий.” Когда атомы и молекулы движутся медленно, они имеют более низкую средний KЭ, а объект обозначается как “холодный.” Таким образом, тепловую энергию можно наблюдать через изменениея температуры объекта. Если предположить, что не происходит химической реакции или изменения фазы (например, таяние или испарение), увеличение количества тепловой энергии в образце вещества приведет к повышению температуры. Аналогичным образом, если предположить, что химическая реакция или изменение фазы (например, конденсация или замерзание) не происходит, уменьшение тепловой энергии в образце вещества приведет к снижению температуры.

Закон сохранения энергии

Энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но общая энергия, которая присутствует до изменения, всегда существует в какой-то форме даже после изменения. Это наблюдение выражено в Законе сохранения энергии. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не создается и не уничтожается, хотя можно изменить её по типу. Таким образом, общая энергия системы остается постоянной. Например, химическая энергия (тип потенциальной энергии) хранится в молекулах, из которых состоит бензин. Когда бензин сгорает в цилиндрах автомобильного’ двигателя, быстро расширяющиеся газообразные продукты этой химической реакции генерируют механическую энергию (тип кинетической энергии), перемещая поршни цилиндра.

Этот текст адаптирован к Openstax, Химия 2e, раздел 5.

1: Основы энергии.

Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии

Понятие энергии

Энергия – скалярная величина. В системе СИ единицей измерения энергии является Джоуль.

Кинетическая и потенциальная энергия

Различают два вида энергии – кинетическую и потенциальную.

Потенциальная энергия в поле тяготения Земли – это энергия, обусловленная гравитационным взаимодействием тела с Землей. Она определяется положением тела относительно Земли и равна работе силы тяжести по перемещению тела из данного положения на нулевой уровень:

   

Потенциальная энергия упруго деформированного тела – энергия, обусловленная взаимодействием частей тела друг с другом. Она равна работе внешних сил по растяжению (сжатию) недеформированной пружины на величину :

   

Тело может одновременно обладать и кинетической, и потенциальной энергией.

Полная механическая энергия тела или системы тел равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела (системы тел):

   

Закон сохранения энергии

Для замкнутой системы тел справедлив закон сохранения энергии:

• полная механическая энергия замкнутой системы тел есть величина постоянная:

     

В случае, когда на тело (или систему тел) действуют внешние силы, например, сила трения, закон сохранения механической энергии не выполняется. В этом случае изменение полной механической энергии тела (системы тел) равно работе внешних сил:

   

Закон сохранения энергии позволяет установить количественную связь между различными формами движения материи. Так же, как и закон сохранения импульса, он справедлив не только для механических движений, но и для всех явлений природы. Закон сохранения энергии говорит о том, что в энергию в природе нельзя уничтожить так же, как и создать из ничего.

В наиболее общем виде закон сохранения энергии можно сформулировать так:

• энергия в природе не исчезает и не создается вновь, а только превращается из одного вида в другой.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Кинетическая энергия

Энергия является мерой движения и взаимодействия любых объектов в природе. Имеются различные формы энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная. . .

Опыт показывает, что энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, она лишь переходит из одной формы в другую. Это самая общая формулировка закона сохранения энергии.
Каждый вид энергии представляет собой некоторое математическое выражение. Закон сохранения энергии означает, что в каждом явлении природы определённая сумма таких выражений остаётся постоянной с течением времени.

Измеряется энергия в джоулях, как и работа. Механическая энергия является мерой движения и взаимодействия механических объектов(материальных точек, твёрдых тел).

Мерой движения тела является кинетическая энергия. Она зависит от скорости тела. Мерой взаимодействия тел является потенциальная энергия. Она зависит от взаимного расположениятел.
Механическая энергия системы тел равна сумме кинетической энергии тел и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Кинетическая энергия

Кинетической энергией тела (принимаемого за материальную точку) называется величина

   

где — масса тела, — его скорость.
Кинетической энергией системы из тел называется сумма кинетических энергий каждого тела:

   

Если тело движется под действием силы , то кинетическая энергия тела, вообще говоря, меняется со временем. Оказывается, именение кинетической энергии тела за некоторый промежуток времени равно работе силы . Покажем это для случая прямолинейного равноускоренного движения.
Пусть — начальная скорость, — конечная скорость тела. Выберем ось X вдоль траектории тела (и, соответственно, вдоль вектора силы ). Для работы силы получаем:

   

(мы воспользовались формулой для , взятой из темы «Равноускоренное движение»).
Заметим теперь, что в данном случае проекция скорости отличается от модуля скорости разве что знаком; поэтому
и В результате имеем:

   

что и требовалось.

На самом деле соотношение справедливо и в самом общем случае криволинейного движения под действием переменной силы.

Теорема о кинетической энергии. Изменение кинетической энергии тела равно работе, совершённой приложенными к телу внешними силами за рассматриваемый промежуток времени.

Если работа внешних сил положительна, то кинетическая энергия увеличивается ( > 0, тело разгоняется).
Если работа внешних сил отрицательна, то кинетическая энергия уменьшается (Задача. Автомобиль едет по горизонтальной дороге со скоростью и начинает резко тормозить. Найти путь , пройденный автомобилем до полной остановки, если коэффициент трения шин о дорогу равен .

Решение. Начальная кинетическая энергия автомобиля , конечная кинетическая энергия . Изменение кинетической энергии .
На автомобиль действуют сила тяжести , реакция опоры и сила трения . Сила тяжести и реакция опоры, будучи перпендикулярны перемещению автомобиля, работы не совершают. Работа силы трения:

   

Из теоремы о кинетической энергии теперь получаем:
⇒ ⇒

Репетитор-онлайн — подготовка к ЦТ

Пример 24. Координата тела, движущегося вдоль оси Ox, зависит от времени по закону x(t) = 8,0 − 2,0t + t², где координата задана в метрах, время — в секундах. Определить изменение кинетической энергии тела с начала третьей до конца четвертой секунды движения. Масса тела составляет 3,0 кг.

Решение. Кинетическая энергия тела определяется формулами:

• в начале третьей секунды движения (t₁ = 2 c)

Wk1=mv2(t1)2;

• в конце четвертой секунды движения (t₂ = 4 c)

Wk2=mv2(t2)2,

где v(t₁) — модуль скорости тела в начале третьей секунды; v(t₂) — модуль скорости тела в конце четвертой секунды.

Уравнение движения тела

x(t)=8,0−2,0t+t2

позволяет установить закон изменения проекции скорости на ось Ox с течением времени в виде:

vx(t)=v0x+axt,

где v_0x = −2,0  м/с — проекция начальной скорости на ось Ox; a_x = = 2,0 м/с² — проекция ускорения на указанную ось.

Таким образом, зависимость проекции скорости от времени, записанная в явном виде

vx(t)=−2,0+2,0t,

позволяет получить соответствующие проекции скоростей:

• в начале третьей секунды движения (t₁ = 2 c)

vx(t1)=−2,0+2,0t1=−2,0+2,0⋅2=2,0 м/с;

• в конце четвертой секунды движения (t₂ = 4 c)

vx(t2)=−2,0+2,0t2=−2,0+2,0⋅4=6,0 м/с.

Значения кинетической энергии тела в указанные моменты времени:

• в начале третьей секунды движения (t₁ = 2 c)

Wk1=3,0⋅(2,0)22=6,0 Дж,

• в конце четвертой секунды движения (t₂ = 4 c)

Wk2=3,0⋅(6,0)22=54 Дж.

Искомая разность кинетических энергий составляет

ΔWk=Wk2−Wk1=54−6,0=48 Дж.

Таким образом, кинетическая энергия тела за указанный интервал времени возросла на 48 Дж.

Работа, мощность, энергия — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Механическая работа

К оглавлению. ..

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы. Работой, совершаемой постоянной силой F, называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла между векторами силы F и перемещения S:

Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 ньютон на перемещении 1 метр в направлении действия силы.

Если же сила изменяется с течением времени, то для нахождения работы строят график зависимости силы от перемещения и находят площадь фигуры под графиком – это и есть работа:

Примером силы, модуль которой зависит от координаты (перемещения), может служить сила упругости пружины, подчиняющаяся закону Гука (F_упр = kx).

 

Мощность

К оглавлению…

Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью. Мощность P (иногда обозначают буквой N) – физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа:

По этой формуле рассчитывается средняя мощность, т.е. мощность обобщенно характеризующая процесс. Итак, работу можно выражать и через мощность: A = Pt (если конечно известна мощность и время совершения работы). Единица мощности называется ватт (Вт) или 1 джоуль за 1 секунду. Если движение равномерное, то:

По этой формуле мы можем рассчитать мгновенную мощность (мощность в данный момент времени), если вместо скорости подставим в формулу значение мгновенной скорости. Как узнать, какую мощность считать? Если в задаче спрашивают мощность в момент времени или в какой-то точке пространства, то считается мгновенная. Если спрашивают про мощность за какой-то промежуток времени или участок пути, то ищите среднюю мощность.

КПД – коэффициент полезного действия, равен отношению полезной работы к затраченной, либо же полезной мощности к затраченной:

Какая работа полезная, а какая затраченная определяется из условия конкретной задачи путем логического рассуждения. К примеру, если подъемный кран совершает работу по подъему груза на некоторую высоту, то полезной будет работа по поднятию груза (так как именно ради нее создан кран), а затраченной – работа, совершенная электродвигателем крана.

Итак, полезная и затраченная мощность не имеют строгого определения, и находятся логическим рассуждением. В каждой задаче мы сами должны определить, что в этой задаче было целью совершения работы (полезная работа или мощность), а что было механизмом или способом совершения всей работы (затраченная мощность или работа).

В общем случае КПД показывает, как эффективно механизм преобразует один вид энергии в другой. Если мощность со временем изменяется, то работу находят как площадь фигуры под графиком зависимости мощности от времени:

 

Кинетическая энергия

К оглавлению…

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела (энергией движения):

То есть если автомобиль массой 2000 кг движется со скоростью 10 м/с, то он обладает кинетической энергией равной Е_к = 100 кДж и способен совершить работу в 100 кДж. Эта энергия может превратиться в тепловую (при торможении автомобиля нагревается резина колес, дорога и тормозные диски) или может быть потрачена на деформацию автомобиля и тела, с которым автомобиль столкнулся (при аварии). При вычислении кинетической энергии не имеет значения куда движется автомобиль, так как энергия, как и работа, величина скалярная.

Тело обладает энергией, если способно совершить работу. Например, движущееся тело обладает кинетической энергией, т. е. энергией движения, и способно совершать работу по деформации тел или придания ускорения телам, с которыми произойдёт столкновение.

Физический смысл кинетической энергии: для того чтобы покоящееся тело массой m стало двигаться со скоростью v необходимо совершить работу равную полученному значению кинетической энергии. Если тело массой m движется со скоростью v, то для его остановки необходимо совершить работу равную его первоначальной кинетической энергии. При торможении кинетическая энергия в основном (кроме случаев соударения, когда энергия идет на деформации) «забирается» силой трения.

Теорема о кинетической энергии: работа равнодействующей силы равна изменению кинетической энергии тела:

Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения. Применять данную теорему удобно в задачах на разгон и торможение тела.

 

Потенциальная энергия

К оглавлению…

Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями (так называемые консервативные силы). Работа таких сил на замкнутой траектории равна нулю. Таким свойством обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести Земли рассчитывается по формуле:

Физический смысл потенциальной энергии тела: потенциальная энергия равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень (h – расстояние от центра тяжести тела до нулевого уровня). Если тело обладает потенциальной энергией, значит оно способно совершить работу при падении этого тела с высоты h до нулевого уровня. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

Часто в задачах на энергию приходится находить работу по поднятию (переворачиванию, доставанию из ямы) тела. Во всех этих случаях нужно рассматривать перемещение не самого тела, а только его центра тяжести.

Потенциальная энергия Ep зависит от выбора нулевого уровня, то есть от выбора начала координат оси OY. В каждой задаче нулевой уровень выбирается из соображения удобства. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.

Потенциальная энергия растянутой пружины рассчитывается по формуле:

где: k – жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Растяжение или сжатие х надо рассчитывать от недеформированного состояния тела.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией. Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x₁, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x₂ сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком (так как сила упругости всегда направлена против деформации тела):

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

Работа силы трения зависит от пройденного пути (такой вид сил, чья работа зависит от траектории и пройденного пути называется: диссипативные силы). Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

 

Коэффициент полезного действия

К оглавлению…

Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой (формула уже приведена выше).

КПД можно рассчитывать как через работу, так и через мощность. Полезная и затраченная работа (мощность) всегда определяются путем простых логических рассуждений.

В электрических двигателях КПД – отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника. В тепловых двигателях – отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты. В электрических трансформаторах – отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из–за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т.п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД характеризует как эффективно работает машина или механизм. КПД тепловых электростанций достигает 35–40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением – 40–50%, динамомашин и генераторов большой мощности – 95%, трансформаторов – 98%.

Задачу, в которой нужно найти КПД или он известен, надо начать с логического рассуждения – какая работа является полезной, а какая затраченной.

 

Закон сохранения механической энергии

К оглавлению…

Полной механической энергией называется сумма кинетической энергии (т.е. энергии движения) и потенциальной (т.е. энергии взаимодействия тел силами тяготения и упругости):

Если механическая энергия не переходит в другие формы, например, во внутреннюю (тепловую) энергию, то сумма кинетической и потенциальной энергии остаётся неизменной. Если же механическая энергия переходит в тепловую, то изменение механической энергии равно работе силы трения или потерям энергии, или количеству выделившегося тепла и так далее, другими словами изменение полной механической энергии равно работе внешних сил:

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему (т.е. такую в которой не действует внешних сил, и их работа соответственно равна нолю) и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной:

Это утверждение выражает закон сохранения энергии (ЗСЭ) в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой силами упругости и тяготения. Во всех задачах на закон сохранения энергии всегда будет как минимум два состояния системы тел. Закон гласит, что суммарная энергия первого состояния будет равна суммарной энергии второго состояния.

Алгоритм решения задач на закон сохранения энергии:

1. Найти точки начального и конечного положения тела.
2. Записать какой или какими энергиями обладает тело в данных точках.
3. Приравнять начальную и конечную энергию тела.
4. Добавить другие необходимые уравнения из предыдущих тем по физике.
5. Решить полученное уравнение или систему уравнений математическими методами.

Важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими силами действуют силы трения или силы сопротивления среды. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание). Таким образом энергия в целом (т.е. не только механическая) в любом случае сохраняется.

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии.

 

Разные задачи на работу

К оглавлению…

Если в задаче требуется найти механическую работу, то сначала выберите способ её нахождения:

1. Работу можно найти по формуле: A = FS∙cosα. Найдите силу, совершающую работу, и величину перемещения тела под действием этой силы в выбранной системе отсчёта. Обратите внимание, что угол должен быть выбран между векторами силы и перемещения.
2. Работу внешней силы можно найти, как разность механической энергии в конечной и начальной ситуациях. Механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела.
3. Работу по подъёму тела с постоянной скоростью можно найти по формуле: A = mgh, где h – высота, на которую поднимается центр тяжести тела.
4. Работу можно найти как произведение мощности на время, т.е. по формуле: A = Pt.
5. Работу можно найти, как площадь фигуры под графиком зависимости силы от перемещения или мощности от времени.

 

Закон сохранения энергии и динамика вращательного движения

К оглавлению…

Задачи этой темы являются достаточно сложными математически, но при знании подхода решаются по совершенно стандартному алгоритму. Во всех задачах Вам придется рассматривать вращение тела в вертикальной плоскости. Решение будет сводиться к следующей последовательности действий:

1. Надо определить интересующую Вас точку (ту точку, в которой необходимо определить скорость тела, силу натяжения нити, вес и так далее).
2. Записать в этой точке второй закон Ньютона, учитывая, что тело вращается, то есть у него есть центростремительное ускорение.
3. Записать закон сохранения механической энергии так, чтобы в нем присутствовала скорость тела в той самой интересной точке, а также характеристики состояния тела в каком-нибудь состоянии про которое что-то известно.
4. В зависимости от условия выразить скорость в квадрате из одного уравнения и подставить в другое.
5. Провести остальные необходимые математические операции для получения окончательного результата.

При решении задач надо помнить, что:

• Условие прохождения верхней точки при вращении на нити с минимальной скоростью – сила реакции опоры N в верхней точке равна 0. Такое же условие выполняется при прохождении верхней точки мертвой петли.
• При вращении на стержне условие прохождения всей окружности: минимальная скорость в верхней точке равна 0.
• Условие отрыва тела от поверхности сферы – сила реакции опоры в точке отрыва равна нулю.

 

Неупругие соударения

К оглавлению…

Закон сохранения механической энергии и закон сохранения импульса позволяют находить решения механических задач в тех случаях, когда неизвестны действующие силы. Примером такого рода задач является ударное взаимодействие тел.

Ударом (или столкновением) принято называть кратковременное взаимодействие тел, в результате которого их скорости испытывают значительные изменения. Во время столкновения тел между ними действуют кратковременные ударные силы, величина которых, как правило, неизвестна. Поэтому нельзя рассматривать ударное взаимодействие непосредственно с помощью законов Ньютона. Применение законов сохранения энергии и импульса во многих случаях позволяет исключить из рассмотрения сам процесс столкновения и получить связь между скоростями тел до и после столкновения, минуя все промежуточные значения этих величин.

С ударным взаимодействием тел нередко приходится иметь дело в обыденной жизни, в технике и в физике (особенно в физике атома и элементарных частиц). В механике часто используются две модели ударного взаимодействия – абсолютно упругий и абсолютно неупругий удары.

Абсолютно неупругим ударом называют такое ударное взаимодействие, при котором тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело.

При абсолютно неупругом ударе механическая энергия не сохраняется. Она частично или полностью переходит во внутреннюю энергию тел (нагревание). Для описания любых ударов Вам нужно записать и закон сохранения импульса, и закон сохранения механической энергии с учетом выделяющейся теплоты (предварительно крайне желательно сделать рисунок).

 

Абсолютно упругий удар

К оглавлению…

Абсолютно упругим ударом называется столкновение, при котором сохраняется механическая энергия системы тел. Во многих случаях столкновения атомов, молекул и элементарных частиц подчиняются законам абсолютно упругого удара. При абсолютно упругом ударе наряду с законом сохранения импульса выполняется закон сохранения механической энергии. Простым примером абсолютно упругого столкновения может быть центральный удар двух бильярдных шаров, один из которых до столкновения находился в состоянии покоя.

Центральным ударом шаров называют соударение, при котором скорости шаров до и после удара направлены по линии центров. Таким образом, пользуясь законами сохранения механической энергии и импульса, можно определить скорости шаров после столкновения, если известны их скорости до столкновения. Центральный удар очень редко реализуется на практике, особенно если речь идет о столкновениях атомов или молекул. При нецентральном упругом соударении скорости частиц (шаров) до и после столкновения не направлены по одной прямой.

Частным случаем нецентрального упругого удара может служить соударения двух бильярдных шаров одинаковой массы, один из которых до соударения был неподвижен, а скорость второго была направлена не по линии центров шаров. В этом случае векторы скоростей шаров после упругого соударения всегда направлены перпендикулярно друг к другу.

 

Законы сохранения. Сложные задачи

К оглавлению…

Несколько тел

В некоторых задачах на закон сохранения энергии тросы с помощью которых перемещаются некие объекты могут иметь массу (т.е. не быть невесомыми, как Вы могли уже привыкнуть). В этом случае работу по перемещению таких тросов (а именно их центров тяжести) также нужно учитывать.

Если два тела, соединённые невесомым стержнем, вращаются в вертикальной плоскости, то:

1. выбирают нулевой уровень для расчёта потенциальной энергии, например на уровне оси вращения или на уровне самой нижней точки нахождения одного из грузов и обязательно делают чертёж;
2. записывают закон сохранения механической энергии, в котором в левой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в начальной ситуации, а в правой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в конечной ситуации;
3. учитывают, что угловые скорости тел одинаковы, тогда линейные скорости тел пропорциональны радиусам вращения;
4. при необходимости записывают второй закон Ньютона для каждого из тел в отдельности.

Разрыв снаряда

В случае разрыва снаряда выделяется энергия взрывчатых веществ. Чтобы найти эту энергию надо от суммы механических энергий осколков после взрыва отнять механическую энергию снаряда до взрыва. Также будем использовать закон сохранения импульса, записанный, в виде теоремы косинусов (векторный метод) или в виде проекций на выбранные оси.

Столкновения с тяжёлой плитой

Пусть навстречу тяжёлой плите, которая движется со скоростью v, движется лёгкий шарик массой m со скоростью u_н. Так как импульс шарика много меньше импульса плиты, то после удара скорость плиты не изменится, и она будет продолжать движение с той же скоростью и в том же направлении. В результате упругого удара, шарик отлетит от плиты. Здесь важно понять, что не поменяется скорость шарика относительно плиты. В таком случае, для конечной скорости шарика получим:

Таким образом, скорость шарика после удара увеличивается на удвоенную скорость стены. Аналогичное рассуждение для случая, когда до удара шарик и плита двигались в одном направлении, приводит к результату согласно которому скорость шарика уменьшается на удвоенную скорость стены:

Задачи о максимальных и минимальных значениях энергии сталкивающихся шаров

В задачах такого типа главное понять, что потенциальная энергия упругой деформации шаров максимальна, если кинетическая энергия их движения минимальна – это следует из закона сохранения механической энергии. Сумма кинетических энергий шаров минимальна в тот момент, когда скорости шаров будут одинаковы по величине и направлены в одном направлении. В этот момент относительная скорость шаров равна нулю, а деформация и связанная с ней потенциальная энергия максимальна.

кинетической энергии | Определение и формула

Раскройте силы потенциальной энергии, кинетической энергии и трения за маятником напольных часов

Изменения потенциальной и кинетической энергии при качании маятника.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео по этой статье

Кинетическая энергия , форма энергии, которую объект или частица имеет в результате своего движения. Если работа, передающая энергию, выполняется с объектом путем приложения чистой силы, объект ускоряется и, таким образом, получает кинетическую энергию.Кинетическая энергия — это свойство движущегося объекта или частицы, которое зависит не только от его движения, но и от его массы. Вид движения может быть поступательным (или движением по пути из одного места в другое), вращением вокруг оси, вибрацией или любой комбинацией движений.

Популярные вопросы

Что такое кинетическая энергия?

Кинетическая энергия — это форма энергии, которую объект или частица имеет в результате своего движения. Если работа, передающая энергию, выполняется с объектом путем приложения чистой силы, объект ускоряется и, таким образом, получает кинетическую энергию.Кинетическая энергия — это свойство движущегося объекта или частицы, которое зависит не только от его движения, но и от его массы.

Какими способами определяется кинетическая энергия объекта?

Поступательная кинетическая энергия тела равна половине произведения его массы, m , и квадрата его скорости, v , или 1/2 mv ² . Для вращающегося тела момент инерции I соответствует массе, а угловая скорость (омега) ω соответствует линейной или поступательной скорости.Соответственно, кинетическая энергия вращения равна половине произведения момента инерции и квадрата угловой скорости, или 1/2 Iω ² .

Какие единицы энергии обычно связаны с кинетической энергией?

Для повседневных предметов единицей энергии в системе метр-килограмм-секунда является джоуль. Масса 2 кг (4,4 фунта на Земле), движущаяся со скоростью один метр в секунду (чуть больше двух миль в час), имеет кинетическую энергию в один джоуль.Единицей измерения в системе сантиметр-грамм-секунда является эрг, 10 ⁻⁷ джоулей, что эквивалентно кинетической энергии летящего комара. Электрон-вольт используется в атомном и субатомном масштабах.

Поступательная кинетическая энергия тела равна половине произведения его массы, m , и квадрата его скорости, v , или ¹ / ₂ mv ² .

Эта формула действительна только для низких и относительно высоких скоростей; для чрезвычайно высокоскоростных частиц он дает слишком маленькие значения.Когда скорость объекта приближается к скорости света (3 × 10 ⁸ метров в секунду, или 186 000 миль в секунду), его масса увеличивается, и необходимо использовать законы относительности. Релятивистская кинетическая энергия равна увеличению массы частицы по сравнению с массой покоящейся, умноженной на квадрат скорости света.

Единицей энергии в системе метр-килограмм-секунда является джоуль. Двухкилограммовая масса (что-то весит 4,4 фунта на Земле), движущаяся со скоростью один метр в секунду (чуть более двух миль в час), имеет кинетическую энергию в один джоуль. В системе сантиметр-грамм-секунда единицей энергии является эрг, 10 ⁻⁷ джоулей, что эквивалентно кинетической энергии летящего комара. В определенных контекстах используются и другие единицы энергии, такие как еще меньшая единица, электрон-вольт, в атомном и субатомном масштабе.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Для вращающегося тела момент инерции I соответствует массе, а угловая скорость (омега) ω соответствует линейной или поступательной скорости.Соответственно, кинетическая энергия вращения равна половине произведения момента инерции и квадрата угловой скорости, или ¹ / ₂ Iω ² .

Полная кинетическая энергия тела или системы равна сумме кинетических энергий, возникающих в результате каждого типа движения. См. Механику : Вращение вокруг движущейся оси.

Формула кинетического трения

Кинетическое трение — это сила, действующая между движущимися поверхностями. Объект, который перемещается по поверхности, будет испытывать силу, противоположную его движению. Величина силы зависит от коэффициента кинетического трения между двумя видами материала. Каждая комбинация индивидуальна. Коэффициент кинетического трения обозначается греческой буквой «мю» ( μ ) с нижним индексом « k ». Сила кинетического трения в μ _k раз больше нормальной силы, действующей на объект, и выражается в единицах ньютонов (Н).

сила кинетического трения = (коэффициент кинетического трения) (нормальная сила)

F _k = μ _k η

F _k = сила кинетического трения

μ _k = коэффициент кинетического трения

η = нормальная сила (греческая буква «эта»)

Формула кинетического трения Вопросы:

1) Рабочий в складском помещении толкает по полу большую картонную коробку.Коэффициент кинетического трения составляет μ _k = 0,520. Коробка имеет массу 75,0 кг , и рабочий прилагает вперед усилие в 400,0 Н . Какова величина силы трения и какая результирующая сила перемещает коробку?

Ответ: На плоской поверхности нормальная сила, действующая на объект, составляет η = мг. Используя эту формулу, можно найти силу трения:

F _k = μ _k η

F _k = μ _k мг

F _k = (0.520) (75,0 кг) (9,80 м / с ² )

F _k = 382,2 кг ∙ м / с ²

F _k = 382,2 N

Сила кинетического трения, действующая в направлении, противоположном движению коробки, составляет 382,2 Н. Итоговая сила, действующая на коробку, представляет собой сумму сил. Две силы, которые следует учитывать, — это сила кинетического трения, действующая в направлении, противоположном движению коробки, и сила, действующая со стороны рабочего, которая составляет 400 Н вперед. Если мы определим «вперед» как положительное направление, чистая сила составит:

F _net = F _{рабочий} -F _k

F _нетто = 400,0 N -382,2 N

F _нетто = 17,8 N

Чистая сила, действующая на коробку, составляет 17,8 Н вперед.

2) Женщина катается на лыжах прямо с заснеженного холма. Коэффициент кинетического трения между лыжами и снегом составляет μ _k = 0.0800. Холм расположен под углом 60,0 ° к горизонтали. Масса лыжника 55,00 кг . Какова величина силы кинетического трения и какова суммарная сила в направлении движения лыжника?

Ответ: На плоской поверхности нормальная сила, действующая на объект, составляет η = мг. На поверхности, расположенной под углом к ​​горизонтальной оси, общая сила тяжести F = mg должна быть разбита на компоненты. Нормальная сила — это составляющая, которая перпендикулярна наклонной поверхности, а оставшаяся сила параллельна наклонной поверхности. Нормальная сила составляет η = mg cosθ , а оставшаяся составляющая силы составляет F = mg sinθ . Используя эту формулу, можно найти величину силы кинетического трения:

F _k = μ _k η

F _k = μ _k мг cosθ

F _k = (0,0800) (55,00 кг ) (9,80 м / с ² ) cos (60 °)

F _k = 21.6 кг ∙ м / с ²

F _k = 21,6 N

Сила кинетического трения препятствует движению лыжника. Сила, которая перемещает лыжника вниз по склону, является остающейся составляющей силы тяжести, F _θ = mg sinθ. Это сила:

F = мг sinθ

F = (55,0 кг ) (9,80 м / с ² ) sin (60 °)

F = 466.8 кг ∙ м / с ²

F = 466,8 N

Чистая сила, действующая на лыжника, представляет собой сумму сил. Две силы, которые следует учитывать, — это сила, направленная вниз по склону, и сила кинетического трения, направленная вверх по холму. Если мы определим положительное направление как спуск по склону, то есть направление движения лыжника, результирующая сила составит:

F _net = F-F _k

F _net = 466.8 Н -21,6 Н

F _нетто = 445,2 N

Чистая сила, действующая на лыжника в направлении ее движения на бокс, составляет 445,2 Н .

Что такое кинетическая энергия? | Живая наука

Кинетическая энергия — это энергия движущейся массы. Кинетическая энергия объекта — это энергия, которую он имеет из-за своего движения.

В ньютоновской (классической) механике, которая описывает макроскопические объекты, движущиеся с небольшой долей скорости света, кинетическая энергия ( E ) движущегося массивного тела может быть рассчитана как половина его массы ( м ) умноженное на квадрат его скорости ( v ): E = ½ мв 2 . Обратите внимание, что энергия — это скаляр , величина , т.е. она не зависит от направления и всегда положительна. Когда мы удваиваем массу, мы удваиваем энергию; однако, когда мы удваиваем скорость, энергия увеличивается в четыре раза.

Приступайте к работе

Возможно, наиболее важным свойством кинетической энергии является ее способность выполнять работу . Работа определяется как сила, действующая на объект в направлении движения. Работа и энергия настолько тесно связаны, что могут быть взаимозаменяемыми.В то время как энергия движения обычно выражается как E = ½ mv ² , работа ( W ) чаще рассматривается как сила ( F ), умноженная на расстояние ( d ): W = Fd . Если мы хотим изменить кинетическую энергию массивного объекта, мы должны поработать с ним.

Например, чтобы поднять тяжелый объект, мы должны выполнить работу, чтобы преодолеть силу тяжести и переместить объект вверх. Если объект вдвое тяжелее, потребуется в два раза больше работы, чтобы поднять его на такое же расстояние.Также требуется вдвое больше работы, чтобы поднять один и тот же объект вдвое дальше. Точно так же, чтобы скользить по полу тяжелым предметом, мы должны преодолеть силу трения между предметом и полом. Требуемая работа пропорциональна весу объекта и расстоянию, на которое он перемещается. (Обратите внимание, что если вы несете пианино на спине по коридору, вы на самом деле не делаете никакой реальной работы.)

Потенциальная энергия

Кинетическая энергия может быть сохранена. Например, нужно потрудиться, чтобы поднять груз и поставить его на полку или сжать пружину.Что тогда происходит с энергией? Мы знаем, что энергия сохраняется, т.е. ее нельзя создать или уничтожить; его можно только преобразовать из одной формы в другую. В этих двух случаях кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию , потому что, хотя на самом деле она не выполняет работу, она может выполнять работу. Если мы уроним объект с полки или отпустим пружину, эта потенциальная энергия снова преобразуется в кинетическую энергию.

Кинетическая энергия также может передаваться от одного тела к другому при столкновении, которое может быть упругим или неупругим .Одним из примеров упругого столкновения может быть удар одного бильярдного шара о другой. Игнорируя трение между шарами и столом или любое вращение битка, в идеале общая кинетическая энергия двух шаров после столкновения равна кинетической энергии битка до столкновения.

Примером неупругого столкновения может быть движущийся вагон поезда, который врезается в такой же неподвижный вагон и сцепляется с ним. Полная энергия останется прежней, но масса новой системы увеличится вдвое.В результате две машины продолжат движение в одном направлении с меньшей скоростью, так что mv ₂ ² = ½ mv ₁ ² , где m — масса одной машины, v ₁ — скорость первой машины, а v ₂ — скорость сцепленных машин после столкновения. Разделив на м и извлекая квадратный корень из обеих частей, получим v ₂ = √2 / 2 ∙ v ₁ .(Обратите внимание, что v ₂ ≠ ½ v ₁ .)

Кроме того, кинетическая энергия может быть преобразована в другие формы энергии и наоборот. Например, кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую энергию генератором или в тепловую энергию тормозами автомобиля. И наоборот, электрическая энергия может быть преобразована обратно в кинетическую энергию с помощью электродвигателя, тепловая энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с помощью паровой турбины, а химическая энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с помощью двигателя внутреннего сгорания.

Джим Лукас — внештатный писатель и редактор, специализирующийся в области физики, астрономии и инженерии. Он является генеральным менеджером Lucas Technologies .

Статическое и кинетическое трение

Статическое и кинетическое трение

Статическое и кинетическое трение

Трение — ключевая концепция, когда вы пытаетесь разбираться в автомобильных авариях. Сила трения — это сила, сопротивляющаяся движению когда два объекта соприкасаются. Если вы посмотрите на поверхности всех предметов, есть крошечные шишки и гребни.Эти микроскопические пики и впадины улавливают один в другой, когда два объекта движутся мимо друг друга.

Это объяснение немного упрощено. Существуют и другие процессы, в том числе химическая связь и электрическая связь. взаимодействия.

Уровень трения у разных материалов Экспонат измеряется коэффициентом трения. Формула µ = f / N, где µ — коэффициент трения, f — величина силы сопротивляется движению, а N — нормальная сила.Нормальная сила — это сила при какая одна поверхность проталкивается в другую. Если камень весом 50 ньютонов лежит на земле, тогда нормальная сила равна 50 ньютонам силы. В чем больше µ, тем больше сила сопротивляется движению, если два объекта скользят мимо друг друга.

Есть две формы трения, кинетическая и статический. Если вы попытаетесь сдвинуть два объекта друг с другом, небольшое количество силы не приведет к движению. Сила трения больше, чем приложенная сила.Это статическое трение. Если приложить немного больше силы, объект «вырывается на свободу» и скользит, хотя вам все равно нужно нанести сила, чтобы объект скользил. Это кинетическое трение. Вам не нужно приложить столько силы, чтобы удерживать предмет скольжения, сколько вам нужно изначально освобождаются от статического трения.

Некоторые общепринятые значения коэффициентов кинетической и статическое трение:

Поверхности	µ (статика)	µ (кинетическая)
Сталь на стали	0.74	0,57
Стекло на стекле	0,94	0,40
Металл по металлу (со смазкой)	0,15	0,06
Лед на льду	0. 10	0,03
Тефлон на тефлоне	0,04	0,04
Шина по бетону	1,00	0,80
Шина на мокрой дороге	0.60	0,40
Шина на снегу	0,30	0,20

Эти значения являются приблизительными.

Теперь, наконец, как все это относятся к автомобилям?

В некоторых местах, особенно на Аляске в зимой, вы должны постоянно держать в уме трение, когда едете, чтобы чтобы избежать аварии.2)
V = начальная скорость транспортного средства (м / сек)
µ = коэффициент трения между шинами и проезжей частью

Обратите внимание, что начальная скорость возведена в квадрат; это означает, что если вы путешествуете вдвое быстрее, ваш тормозной путь возводится в квадрат, не вдвое. Вот почему правило двух секунд («двигайтесь со скоростью, чтобы две секунды проходят между моментом, когда машина перед вами проезжает ориентир и момент проезда того же ориентира ») не действует для высоких скоростей; ваш тормозной путь увеличивается экспоненциально по мере того, как вы едете быстрее.

Чем выше коэффициент трения, тем меньше уменьшается ваш тормозной путь. Поэтому лучше, чтобы ваша шина использовала статический трение, а не кинетическое трение. Если шина катится так, что поверхность, касающаяся земли, никогда не скользит, тогда действует статическое трение чтобы замедлить машину. Если колеса заблокированы и скользят, то кинетическое трение действует, чтобы замедлить машину. Чтобы использовать статическое трение, когда вам нужно Чтобы быстро остановиться, есть несколько вариантов.Вы можете попытаться применить достаточно тормоз, чтобы оставаться в статическом диапазоне трения и не слишком сильно, чтобы заблокировать шины. Это лучший вариант с точки зрения максимально быстрой остановки, но он может быть трудно быть настолько точным с тормозом. Это может быть особенно сложно если вы собираетесь ударить лося. Другой вариант — прокачка тормоза, которая имеет эффект чередования использования кинетического и статического трения в качестве блокировка и разблокировка колес. Это не так эффективно, но проще сделать в чрезвычайная ситуация.Последний вариант — поручить вашему автомобилю позаботиться о торможении в течение вы, с помощью антиблокировочной системы тормозов или более сложных средств компьютерного управления. Антиблокировочная система тормозов делает то же самое, что и вы; прокачать тормоза. Лучшее решение это, конечно, медленнее ехать.

Путешествие по кривой заставляет вас испытать немного другой набор сил, так как вы должны иметь дело с тенденцией к машина хочет ехать прямо. Это объясняется 1-м законом Ньютона: объект не изменит скорость без силы, действующей на него.В таком случае, вы заставляете машину изменять поперечную скорость и двигаться в сторону, применяя сила трения от шин. Если у шин нет коэффициента трения достаточно большой, чтобы обеспечить силу, необходимую для бокового движения автомобиля, тогда вы скользить прямо вперед и съехать с дороги.

Обычно шины должны сохранять статическое трение для того, чтобы повернуть машину. Это ограничивает максимальную скорость до которые не скользят по шинам. Уравнение, моделирующее эту ситуацию:

Vmax = квадратный корень из ( µ (статический) г г)

Где:
Vmax = максимальная скорость
g = ускорение свободного падения (9.2 * 10,0 м) = 5,4 м / сек, что составляет около 12,1 миль в час.

назад

Объяснение потенциальной и кинетической энергии

Энергия присутствует повсюду и бывает во многих формах, с двумя наиболее распространенными формами, известными как потенциальная энергия и кинетическая энергия. Хотя они очень разные с точки зрения того, как они взаимодействуют с физическим миром, у них есть определенные аспекты, которые делают их дополняющими друг друга. Но чтобы понять, как они работают, вам сначала нужно понять, что они собой представляют — и определение самой энергии.

Что такое потенциальная и кинетическая энергия?

Прежде чем понять какую-либо форму энергии, важно понять, что такое энергия на самом деле. Проще говоря, энергия — это способность совершать работу, когда к объекту прикладывается сила, и он перемещается на ^[1] .

Потенциальная энергия — один из двух основных типов энергии во Вселенной . Это довольно просто, хотя интуитивно немного сложно понять: это форма энергии, которая может выполнять работу, но не выполняет ее активно и не применяет силу к другим объектам.Потенциальная энергия объекта находится в его положении, а не в его движении. Это энергия позиции.

Когда объекты смещаются из положения равновесия, они получают энергию, которая была сохранена в объектах до того, как они были выбиты из равновесия из-за упругого отскока, силы тяжести или химических реакций. Лучше всего это демонстрируется на таком предмете, как лук лучника, в котором накапливается энергия, возникающая при натяжении тетивы. Потенциальная энергия, запасенная при откате, отвечает за энергию, возникающую при высвобождении, которая известна как кинетическая энергия.

Понять кинетическую энергию интуитивно проще, потому что более очевидно, что движущиеся объекты обладают энергией.

Кинетическая энергия создается при высвобождении потенциальной энергии , вызванной действием силы тяжести или упругих сил, среди других катализаторов.

Кинетическая энергия — это энергия движения н. Когда работа выполняется с объектом и он ускоряется, это увеличивает кинетическую энергию объекта. Наиболее важными факторами, определяющими кинетическую энергию, являются движение (измеряемое как скорость) и масса рассматриваемого объекта.

Хотя масса является универсальным измерением, движение объекта может происходить множеством различных способов, включая вращение вокруг оси, вибрацию, поступательное движение или любую комбинацию этих и других движений _[2] .

Есть три подкатегории кинетической энергии: колебательная, вращательная и поступательная.

Неудивительно, что кинетическая энергия колебаний вызывается вибрацией объектов. Вращательная кинетическая энергия создается движущимися объектами, в то время как поступательная кинетическая энергия вызывается объектами, сталкивающимися друг с другом.

Эти три подкатегории кинетической энергии включают почти всю энергию движения во всей известной Вселенной.

В чем разница между потенциальной и кинетической энергией?

Основное различие между потенциальной и кинетической энергией состоит в том, что одна — это энергия , которая может быть , а другая — энергия , которая равна . Другими словами, потенциальная энергия стационарна, а запасенная энергия должна быть высвобождена; кинетическая энергия — это энергия движения, активно использующая энергию для движения.

Еще одно важное отличие — скорость. Это измерение является основой кинетической энергии, но не имеет ничего общего с потенциальной энергией. Фактически, скорость является наиболее важной частью уравнения при определении количества кинетической энергии для любого данного объекта, и ее нет в уравнении потенциальной энергии ^[3] .

Какова связь между потенциальной и кинетической энергией?

Хотя эти первичные формы энергии очень разные, они дополняют друг друга.

Потенциальная энергия всегда приводит к кинетической энергии, когда она высвобождается. ^[4] , и кинетическая энергия необходима, чтобы позволить объекту сохранять энергию как потенциальную, тем или иным образом. Например, камне на краю обрыва не нужна кинетическая энергия, чтобы накапливать потенциальную энергию, которая отправит его вниз по разрушающейся поверхности утеса. Но акт эрозии, чтобы довести камень до края, требует кинетической энергии. Следовательно, он необходим горной породе из-за своей потенциальной энергии.

Учитывая, что это две основные формы энергии в мире, особенно в человеческом масштабе, в повседневной жизни существует постоянное столкновение между потенциальной и кинетической энергией.

Каковы примеры потенциальной и кинетической энергии?

источник

Хотя определение как потенциальной, так и кинетической энергии может показаться довольно простым и понятным, все же не всегда легко определить, какая форма энергии присутствует для определенных объектов или процессов.

1) Планеты

Движение планет вокруг Солнца и других звезд в галактике — это работа кинетической энергии. Поскольку они притягиваются к большим объектам в центре их соответствующих орбит, из-за сильного гравитационного притяжения они падают к центру масс.Это приводит к орбитальному движению, а любое движение является формой кинетической энергии. ^[5]

2) Резинки

Резиновые ленты можно классифицировать как по потенциальной, так и по кинетической энергии, в зависимости от состояния ремешка. Когда резинка растягивается, она заряжается потенциальной энергией; при высвобождении происходит переход к кинетической энергии. Это особенно верно, если резинка транспортирует другой объект, например, камень, брошенный из рогатки. ^[6]

3) Реки

В реках действует строго кинетическая энергия.Вода постоянно движется, и все это движение постоянно создает кинетическую энергию. Единственный раз, когда река может иметь потенциальную энергию, — это если она возведена плотиной, а искусственный резервуар хранит энергию, которая будет использоваться при необходимости вдоль плотины гидроэлектростанции. ^[7]

4) Особые вариации

Существуют определенные вариации энергии в пределах как кинетической, так и потенциальной классификации энергии. В то время как некоторые вариации, такие как потенциальная энергия, запасенная в батареях, очевидны, другие не так легко идентифицировать.

Что такое потенциальная энергия электрона?

Электроны находятся в движении, поэтому они содержат кинетическую энергию. Это один из лучших примеров нефизического объекта, несущего кинетическую энергию.

Тем не менее, все еще можно определить потенциальную энергию, которую хранит электрон. Чтобы найти эту потенциальную энергию, требуется сложная формула ^[8] :

U (r) = -qeV (r) = -keqe2 / r

Полная энергия является суммой кинетической энергии электрона. энергия и ее потенциальная энергия, которая представлена ​​еще более сложной формулой [8]:

KE (r) + PE (r) = — ½keqe2 / r = (- ½) (9 * 109) (1.60 * 10-19) / (5,29 * 10-11) Дж = -2,18 * 10-18 Дж

Кинетическая или потенциальная энергия аккумулятора?

Батареи — это форма химической энергии, в которой энергия хранится в связях молекул, содержащихся в кислоте батареи в их ядре. Ключевым словом здесь является «хранимая», что означает, что батареи представляют собой форму потенциальной энергии, поэтому вся химическая энергия классифицируется как ^{[ 9 ]} . Биотопливо и ископаемое топливо — другие примеры накопленной химической энергии.

Электрическая энергия потенциальная или кинетическая?

Электрическая энергия классифицируется как потенциальная энергия до того, как она будет высвобождена и использована в форме энергии, которая чаще всего используется и используется в качестве электричества. ^[10] . Однако после преобразования из своего потенциального состояния электрическая энергия может стать одним из подтипов кинетической энергии, включая, среди прочего, движение или звук.

Является ли звуковая энергия потенциальной или кинетической?

Звук можно рассматривать одновременно как обе формы энергии, хотя в основном мы воспринимаем его в кинетической форме. Звуковая энергия в воздухе, которая создается продольными волнами, которые создают движение в молекулах газа, является кинетической. В твердых телах и жидкостях, которые переносят звук намного дальше, чем через воздух, действует как кинетическая, так и потенциальная энергия. ^{[11 ]}

Тепловая энергия потенциальная или кинетическая?

Технически тепловая энергия является одновременно двумя формами энергии. Фактически, тепловая энергия — это, по сути, звуковые волны, которые беспорядочно движутся вокруг и заставляют молекулы сталкиваться друг с другом при нагревании ^{[12 ]} .Движение этих молекул является примером нефизических объектов, создающих кинетическую энергию.

Является ли энергия излучения потенциальной или кинетической?

Лучистая энергия — это подкатегория кинетической энергии. Он образуется из электромагнитной энергии, перемещающейся волнами по всему электромагнитному спектру. Подобно электрону, упомянутому выше, это еще одна форма кинетической энергии, переносимой нефизическим объектом. ^[13]

Вариации потенциальной энергии

источник

Потенциальная энергия может быть разбита на две подформы энергии.Каждая из этих подчиненных форм — это типы накопленной потенциальной энергии. Но методы их хранения и выпуска сильно различаются.

Что такое потенциальная химическая энергия?

Химическая потенциальная энергия хранится в молекулярных связях, которые также известны как химические связи. Когда эти связи разрываются, сохраненная потенциальная энергия высвобождается и выделяет кинетическую энергию разной степени, в зависимости от прочности связей. ^[14]

Что такое гравитационная потенциальная энергия?

Гравитационная потенциальная энергия сохраняется в объекте из-за способности силы тяжести перемещать его и притягивать к Земле. Количество накопленной потенциальной гравитационной энергии напрямую зависит от массы объекта и, что более важно, от его высоты над землей. ^[15]

Наука

Две подформы потенциальной энергии, о которых говорилось выше, действуют в основном через две основные области науки. Однако механизм, который управляет потенциальной энергией в сфере физики, сильно отличается от механизма, который управляет в сфере химии.

Что такое потенциальная энергия в физике?

В физике потенциальная энергия имеет форму гравитационной потенциальной энергии.Гравитация, пожалуй, самый важный элемент физики, поскольку это основа общей теории относительности, на которой основан весь современный мир. С точки зрения физики, именно эта сила создала потенциальную энергию. ^[16]

Что такое потенциальная энергия в химии?

В области химии потенциальная энергия находится в форме химической потенциальной энергии. Это энергия, хранящаяся в молекулярных связях, которая является основой химии и химических реакций. Сохраненная потенциальная энергия высвобождается в результате этих химических реакций. ^[15]

Каковы формулы для кинетической энергии и потенциальной энергии?

Формулы для потенциальной и кинетической энергии довольно просты, но отнюдь не просты.

Кинетическая энергия может быть найдена по формуле: KE = 12mv2

• m = масса (кг)
• v = скорость (м / с)

Гравитационный потенциал энергию можно найти по формуле: W = m × g × h = mgh

• m = масса (кг)
• g = ускорение, вызванное гравитационным полем (9. 8 м / с2)

Упругая потенциальная энергия может быть найдена по формуле: U = 12kx2

• k = постоянная силы пружины
• x = длина растяжения (м)

Единицы, используемые для Измерение каждой из этих форм энергии такое же, как и для всех других форм энергии: Джоуль (Дж), который равен 1 кг.м2.с-2. ^[17]

Энергия повсюду

Вы узнали о нескольких формах энергии — вместе с некоторыми подходящими примерами — но есть гораздо больше, что необходимо охватить, чтобы полностью понять концепцию энергии.

Однако понимание двух основных форм энергии, которые пронизывают не только повседневную жизнь, но и ядро ​​физики всей Вселенной, является хорошей отправной точкой и закладывает основу для любого более глубокого погружения в природу самой энергии.

Обязательно нужно помнить только о двух вещах: неподвижных объектов с накопленной энергией обладают потенциалом, а движущиеся объекты — кинетическими .

Привезено вам таранэнергия.com

Источники:

[1] Основные понятия в химии. Что такое энергия и почему она определяется как способность выполнять работу? https://masterconceptsinchemistry.com/index.php/2017/12/18/whats-energy-defined-ability-work/. По состоянию на 16 ноября 2020 г.

[2] Придди Б. Что означает кинетическая энергия? https://sciencing.com/meaning-kinetic-energy-6646801.html. Опубликовано 2 марта 2019 г. Проверено 9 ноября 2020 г.

[3] Work, Energy, and Power.Кабинет физики. https://www.physicsclassroom.com/Class/energy/u5l1c.cfm. По состоянию на 9 ноября 2020 г.

[4] Energy: Potential and Kinetic Energy. Infoplease. https://www.infoplease.com/encyclopedia/science/physics/concepts/energy/potential-and-kinetic-energy. По состоянию на 9 ноября 2020 г.

[5] Fenio, B. Rolling Race: A Spinning Science Activity. Опубликовано 23 марта 2017 г. https://www.scientificamerican.com/article/rolling-race/. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[6] Science World.Упругая энергия. https://www.scienceworld.ca/resource/elastic-energy/. По состоянию на 16 ноября 2020 г.

[7] University of Calgary Energy Education. Энергия из воды. https://energyeducation.ca/encyclopedia/Energy_from_water. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[8] Университет Теннесси, Ноксвилл. Электрический потенциал. http://labman.phys.utk.edu/phys222core/modules/m2/Electric%20potential.html#:~:text=The%20potential%20energy%20of%20the,2.18*10%2D18%20J. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[9] Dusto A.Потенциальная энергия: что это такое и почему (с формулами и примерами). Наука. https://sciencing.com/potential-energy-what-is-it-why-it-matters-w-formula-examples-13720804.html. Опубликовано 5 декабря 2019 г. По состоянию на 10 ноября 2020 г.

[10] Агентство энергетической информации США. Формы энергии. https://www.eia.gov/energyexplained/what-is-energy/forms-of-energy.php. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[11] Звуковые волны и музыка — Урок 1 — Природа звуковой волны: звук как продольная волна https: // www.Physicsclassroom.com/class/sound/Lesson-1/Sound-as-a-Longitudinal-Wave, по состоянию на 15 ноября 2020 г.

[12 Физический факультет Иллинойского университета. Вопросы и ответы: кинетика и потенциал. https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=1768&t=kinetic-and-potential#:~:text=Sound%3A%20In%20a%20solid%2C%20this,microscopic%20scale % 20of% 20moving% 20molecules .. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[13] Solar Schools. Энергия излучения. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/radiant.По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[14] CK-12. Химическая потенциальная энергия. https://www.ck12.org/chemistry/chemical-potential-energy/lesson/Chemical-Potential-Energy-CHEM/. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[15] Solar Schools. Гравитационная энергия. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/gravitational. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[16] Hyperphysics. Гравитационно потенциальная энергия. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/gpot.html. По состоянию на 16 ноября 2020 г.

[17] Кинетическая и потенциальная энергия. Кинетическая и потенциальная энергия — веб-формулы. https://www.web-formulas.com/Physics_Formulas/Kinetic_Potential_Energy.aspx. По состоянию на 9 ноября 2020 г.

Все изображения лицензированы Adobe Stock.
Featured image:

Кинетическое оружие ВВС США «Жезлы от Бога» нанесено ядерным оружием

• Проект Тор предполагал, что большие снаряды, сбрасываемые с орбиты, поражают цели на Земле со скоростью, в 10 раз превышающей скорость звука.
• Проект считался чрезмерно дорогим, но он был ранним признаком того, на что способно гиперзвуковое оружие.

Идет загрузка.

Договор по космосу между 107 странами, подписанный в 1967 году, запрещает размещение или использование ядерного, биологического или химического оружия с орбиты Земли.

На что они не рассчитывали, так это на самое простое оружие ВВС США: вольфрамовый стержень, способный поразить город с взрывной силой межконтинентальной баллистической ракеты.

Во время войны во Вьетнаме США использовали так называемые бомбы «Ленивая собака». Это были просто куски из цельной стали, длиной менее 2 дюймов, снабженные плавниками.

Никакой взрывчатки не было: они просто сбрасывались сотнями с самолетов, летавших над Вьетнамом.

Снаряды Lazy Dog (также известные как «кинетическая бомбардировка») могут достигать скорости до 500 миль в час при падении на землю и могут пробивать 9 дюймов бетона после падения с высоты 3000 футов.

Идея похожа на стрельбу пулями по цели, за исключением того, что вместо потери скорости при движении снаряд набирает скорость и энергию, которая будет расходоваться при ударе. Они стреляли из дробовика по джунглям, проливая на высокой скорости смертельный дождь размером с пулю.

Два типа бомб ленивого пса: верхняя, выкованная из стали; дно более поздней конструкции, выполненное на высокоскоростных токарных станках. У обоих к хвосту точечной сварки были приварены ребра из листового металла. Ikessurplus / Wikimedia Commons

Так появился Проект Тор.

Вместо сотен небольших снарядов с расстояния в несколько тысяч футов Тор использовал большой снаряд с высоты в несколько тысяч миль над Землей.Идея «стержней от бога» представляла собой связку вольфрамовых стержней размером с телефонный столб (20 футов в длину и 1 фут в диаметре), сброшенных с орбиты со скоростью, в 10 раз превышающей скорость звука.

Сам стержень проникает вглубь Земли на сотни футов, разрушая любые потенциально укрепленные бункеры или секретные подземные объекты. Более того, когда стержень ударяется, взрыв будет сравним по силе с силой проникающего через землю ядерного оружия, но без радиоактивных осадков.

Такое оружие может уничтожить цель за 15 минут.

Один пользователь Quora, который утверждает, что работает в оборонной аэрокосмической отрасли, назвал стоимость запуска чего-либо в космос не менее 10 000 долларов за фунт. С 20 кубическими футами плотного вольфрама и весом чуть более 24 000 фунтов, расчеты просты. Один из стержней был бы непомерно дорогим. Стоимость 230 миллионов долларов за стержень была немыслима во времена холодной войны.

В наши дни не так много.

Администрация Буша даже подумывала о пересмотре идеи нанесения ударов по подземным ядерным объектам в странах-изгоях в годы после 11 сентября.Интересно, что стоимость одной межконтинентальной баллистической ракеты Minuteman III составляла 7 миллионов долларов в 1962 году, когда она была впервые представлена ​​(57 миллионов долларов с поправкой на инфляцию).

Проблема с ядерной нагрузкой в ​​том, что она не предназначена для проникновения глубоко в поверхность. А радиоактивные осадки от ядерного устройства могут иметь разрушительные последствия для окружающих, потенциально дружественных территорий.

Главный вывод из концепции оружия, подобного проекту «Тор», заключается в том, что гиперзвуковое оружие обладает значительным ударом и может стать будущим глобальной войны.

Кинетика силы

и индивидуальная динамика саркомеров в сердечных миофибриллах после быстрых изменений Ca2 +

Abstract

Кинетика развития силы и релаксации после быстрого применения и удаления Ca ²⁺ была измерена с помощью кантилеверов атомной силы на субклеточных пучках миофибрилл, полученных из морских животных. левый желудочек свиньи. Одновременно изменения структуры отдельных саркомеров фиксировали с помощью видеомикроскопии. При приложении Ca ²⁺ сила развивалась с экспоненциальной константой скорости k _ACT , почти идентичной k _TR , константе скорости восстановления силы, измеренной во время установившейся активации Ca ²⁺ ; это указывает на то, что k _ACT отражает кинетику изометрического перехода поперечного мостика.Кинетика релаксации силы после внезапного удаления Ca ²⁺ была заметно двухфазной. За начальным медленным линейным спадом (константа скорости k _LIN ), продолжавшимся в течение времени t _LIN , внезапно последовал экспоненциальный спад в ~ 20 раз быстрее (константа скорости k _REL ). k _LIN аналогичен k _TR , измеренному при низкой активации [Ca ²⁺ ], что указывает на то, что k _LIN отражает кинетику изометрического перехода поперечного мостика в расслабленных условиях (см. Также Tesi et al., 2002. Biophys . Дж . 83: 2142–2151). Видеомикроскопия показала следующее: неизменно при t _LIN единственный саркомер внезапно удлинялся и возвращался к структуре расслабленного типа. Исходя из этого саркомера, структурная релаксация распространялась от одного саркомера к другому. Распространенная саркомерная релаксация, наряду с эффектами растяжения и P _и на кинетику релаксации, поддерживает механизм межсаркомерного хемомеханического взаимодействия для быстрого расслабления поперечно-полосатых мышц, при котором поперечные мостики сохраняют химическую энергию за счет индуцированного напряжением повторного связывания P _и .