Dacă sistemul de organisme poate face munca, atunci spunem că are energie. Pentru a face munca, este necesar ca o anumită forță să acționeze asupra corpului în mișcare. Motoarele termice asigură acțiunea forței până când se scurge combustibilul și motorul electric - atâta timp cât un curent curge spre el. Totuși, aceste motoare sunt sisteme complexe și nu sunt studiate în mecanică.
Să considerăm sisteme simple de corpuri în mișcare care interacționează una cu alta prin forțe gravitaționale și capabile să se deformeze într-un fel sau altul. (De primăvară sau cauciuc cordon deformat în mod semnificativ, și piatră, lemn, metal -. Atât de mici încât deformari lor pot fi ignorate de obicei) Presupunem că nu transformări chimice ale corpurilor nu se produce și că sistemul nu este organisme și curenți electrici încărcat. Apoi, este ușor să descoperi că bunurile ridicate deasupra solului, precum și dispozitivele care au un arc comprimat, capabil să acționeze asupra corpului în mișcare și de a efectua munca numai pentru o anumită perioadă de timp. Mai devreme sau mai târziu, primăvara se va îndrepta și încărcătura va cădea la sol și forțele nu vor mai lucra.
Lucrul nu are loc pentru sistemul corpului fără urmă. Luați în considerare, de exemplu, un ceas cu o plantă de primăvară. Când ceasul este tactat, starea sistemului (ceasornicarie) se schimbă astfel încât să dobândească capacitatea de a lucra mult timp. Arcul susține mișcarea tuturor roților, săgeților și pendulului, care se confruntă cu rezistență la mișcare cauzată de frecare. Pe măsură ce ceasul progresează, capacitatea primăverii de a-și desfășura activitatea este treptat pierdută. Starea izvorului se schimbă.
În mod similar, atunci când se face lucrarea, se schimbă starea gazului comprimat și vitezele corpurilor în mișcare.
Energia caracterizează capacitatea corpului (sau a sistemului de organisme) de a-și desfășura activitatea.
Făcând o muncă mecanică, corpul sau sistemul corpurilor trece de la o stare la alta, în care energia lor este minimă. Sarcina cade, arcul se îndreaptă, corpul în mișcare se oprește. Când se face lucrarea, energia este consumată treptat. Pentru ca sistemul să dobândească din nou capacitatea de a efectua munca, este necesar să-i schimbați starea: să măriți viteza corpurilor, să ridicați corpurile în sus sau să deformați. Pentru aceasta, forțele externe trebuie să facă o muncă pozitivă asupra sistemului.
Energia intermanufacturătorului este o cantitate determinată de starea sistemului - poziția corpurilor și vitezele lor; Schimbarea energiei în timpul tranziției sistemului de la o stare la alta este egală cu munca forțelor externe.
Calculăm lucrarea unei forțe constante care acționează asupra unui corp (punct material) de masă m cu mișcarea lui rectilinie. Lăsați direcția forței să coincidă cu direcția vitezei corpului. În acest caz, direcțiile vectorului de deplasare și vectorul de forță coincid (Fig. Prin urmare, forța de forță este:
Forța poate fi găsită în cea de-a doua lege a lui Newton:
Gasim deplasarea din formula:
Substituim aceste formule în formula pentru lucru:
Se poate demonstra că formula derivată pentru cazul mișcării rectilinii a corpului, la care o forță constantă, este valabilă și în cazurile în care organismul acționează asupra forței variabile și se deplasează de-a lungul unui traseu curbat.
Astfel, forța de forță atunci când se deplasează un corp de la poziția sa inițială la poziția finală este egală cu schimbarea în magnitudine.
Valoarea reprezintă energia pe care o are un corp, care se mișcă cu viteză. Această energie se numește cinetică (din cuvântul grecesc "kinem" - mișcarea). După cum vedem, energia cinetică a corpului este egală cu jumătate din produsul din masa corpului pe pătrat al vitezei sale.
Vom desemna energia cinetică cu litera Ek:
Energia este măsurată, în aceleași unități ca și locul de muncă - în jouli.
Lucrarea făcută de corpul în mișcare poate fi acum scrisă ca
Egalitatea exprimă o teoremă asupra schimbării energiei cinetice: schimbarea energiei cinetice a unui corp (punct material) pe o anumită perioadă de timp este egală cu munca realizată în același timp de forța care acționează asupra corpului. Dacă mai multe forțe acționează asupra corpului, schimbarea energiei sale cinetice este egală cu suma muncii tuturor forțelor care acționează asupra corpului.
Energia cinetică a corpurilor depinde numai de masele și vitezele lor. Așa cum vom vedea mai târziu, energia mecanică totală a sistemului depinde de vitezele corpurilor și de distanțele dintre ele. Pentru a calcula acea parte a energiei care depinde de distanțele dintre corpuri, trebuie mai întâi să luăm în considerare lucrarea forței de gravitație și forța elasticității.
Corpul mobil are energie cinetică. Această energie este egală cu munca care trebuie făcută pentru a crește viteza corpului de la zero la o valoare.
Energia potențială este energia interacțiunii corpurilor.
Energia potențială a unui corp ridicat deasupra Pământului este energia interacțiunii dintre corp și Pământ prin forțe gravitaționale. Energia potențială a unui corp deformat elastic este energia interacțiunii părților individuale ale corpului cu forțele de elasticitate.
Formula pentru calcularea energiei potențiale poate fi diferită și depinde de natura interacțiunii corpurilor, dar comună pentru toate tipurile de energie potențială este relația sa cu activitatea forțelor potențiale.
Se numesc forțe potențiale, ale căror lucrări depind doar de poziția inițială și finală a punctului sau corpului material în mișcare și nu depind de forma traiectoriei.
Cu o traiectorie închisă, lucrarea forței potențiale este întotdeauna zero. Forțele potențiale includ forțe gravitaționale, forțe elastice, forțe electrostatice și altele.
Forțele a căror activitate depinde de forma traiectoriei sunt numite non-potențiale. Atunci când punctul sau corpul material se deplasează de-a lungul unei traiectorii închise, activitatea forței non-potențiale nu este zero.
Energia potențială a interacțiunii corpului cu Pământul.
Să găsim o lucrare realizată prin gravitație F m = mg când un corp de masă m este deplasat vertical în jos de la o înălțime h 1 deasupra suprafeței pământului până la o înălțime h 2 (Fig.)
Deoarece deplasarea coincide în direcția cu vectorul gravitațional, lucrarea de gravitate este
Să analizăm acum mișcarea corpului de-a lungul unui plan înclinat. Pe măsură ce corpul se deplasează în planul înclinat (Fig.), Forța gravitațională Fm = m # 8729; g efectuează munca
unde h este înălțimea planului înclinat, s este unitatea de deplasare egală cu lungimea planului înclinat.
unde h 1 și h 2 sunt înălțimile de pe suprafața Pământului, pe care se află locurile B și C.
Egalitatea arată că activitatea forței de gravitație nu depinde de traiectoria de deplasare a corpului și este întotdeauna egală cu produsul dintre forța gravitației asupra diferența de înălțime modul în pozițiile inițiale și finale.
Când se deplasează în jos, lucrarea de gravitate este pozitivă, în timp ce se deplasează în sus - este negativă. Lucrarea de gravitație pe o traiectorie închisă este zero.
Egalitatea poate fi reprezentată în această formă:
Cantitatea fizică egală cu greutatea la modulul accelerației gravitaționale și înălțimea la care corpul este ridicat deasupra suprafeței Pământului, numită energia potențială a interacțiunii corp și pământ.
Lucrați gravitatea atunci când se deplasează corpul de masă m de la un punct situat la o înălțime h2, până la un punct situat la o H1 înălțime de la suprafața pământului, de-a lungul orice traiectorie este egală cu variația potențialului pământ energetic și corp luat cu interacțiunea semn opus.
Energia potențială este indicată prin litera Ep.
Valoarea energiei potențiale a unui corp ridicat deasupra Pământului depinde de alegerea nivelului zero, adică de înălțimea la care se presupune că energia potențială este zero. Se presupune, de obicei, că energia potențială a corpului de pe suprafața Pământului este zero.
Cu această alegere a corpului Ep potențial energetic zero nivel situat la o înălțime h deasupra solului este produsul masa m a corpului la modulul de accelerație gravitațională g și distanța h sale de la suprafață:
Sensul fizic al energiei potențiale a interacțiunii corpului cu Pământul:
energia potențială a corpului pe care forța actelor de gravitație este egală cu munca făcută de forța gravitației atunci când corpul se deplasează la nivelul zero.
Spre deosebire de energia cinetică a mișcării translaționale, care nu poate avea decât valori pozitive, energia potențială a corpului poate fi pozitivă sau negativă. Corp de masă m. situat la o altitudine h, unde h Energia potențială a interacțiunii gravitaționale Energia potențială a interacțiunii gravitaționale a unui sistem de două puncte materiale cu masele m și M la o distanță r una de cealaltă este unde G - constanta gravitațională, și un potențial energetic zero de referință (Ep = 0), cu r = primit energie a interacțiunii gravitaționale ∞.Potentsialnaya masa corporala m cu Pământul, unde h - înălțimea corpului deasupra suprafeței Pământului, M3 - masa Pământului, R3 - Earth raza , iar valoarea zero a referinței energiei potențiale este aleasă pentru h = 0. În aceeași condiție pentru alegerea referinței zero, energia potențială a interacțiunii gravitaționale a unui corp de masă m cu Pământul pentru înălțimi mici h (h «R3) este egală cu unde este modulul de accelerație a căderii libere în apropierea suprafeței Pământului. Energia potențială a unui corp elastic deformat Să calculăm lucrarea realizată de forța elastică atunci când deformarea (extensia) arcului se schimbă de la o valoare inițială x 1 la o valoare finală de x 2 (Figurile a, b, c).
Forța elastică se schimbă în timpul deformării arcului. Pentru a găsi activitatea forței elastice, putem lua valoarea medie a modulului de rezistență (deoarece forța elastică depinde liniar pe x) și se înmulțește cu modulul de deplasare:
Cantitatea fizică, egală cu jumătate din produsul rigidității corpului pe pătrat de deformare, se numește energia potențială a unui corp deformat elastic:
Din formule și rezultă că lucrarea forței elastice este egală cu schimbarea energiei potențiale a unui corp deformat elastic cu semnul opus:
Dacă x 2 = 0 și x 1 = x. apoi, după cum se poate observa din formulele Ep = A.
Apoi, sensul fizic al energiei potențiale a corpului deformat
energia potențială a unui corp deformat elastic este egală cu munca realizată de forța elastică la trecerea corpului într-o stare în care deformarea este zero.
1. La ce înălțime este energia potențială a unei încărcături de 2 m în masă egală cu 10 kJ?
2. La sfârșitul compresiei arcului pistolului de primăvară al copilului cu 3 cm, forța aplicată la acesta era de 20 N. Găsiți energia potențială a arcului comprimat.
3. Viteza unui corp care cădea liber în greutate de 4 kg de-a lungul unei anumite căi a crescut de la 2 la 8 m / s. Găsiți munca gravitațională de-a lungul drumului.
4. La ce înălțime s-a ridicat mingea când a aruncat mingea, dacă energia ei potențială față de Pământ la această altitudine sa dovedit a fi egală cu 60 de jouli? Greutatea bilei este de 300 g.
5. O sarcină de 300 kg este suspendată pe arc, sub care a fost extinsă cu 6 cm. Determinați rezerva de energie a arcului deformat.
6. Găsiți energia potențială și cinetică a unui corp care cântărește 3 kg, care se încadrează liber de la o înălțime de 5 m, la o distanță de 2 m de suprafața pământului.
7. Un băiat inteligent, dar fragil a remodelat cizme-speeders, înainte de a accelera la o viteză de 36 km / h, în adidași - auto-sărituri. Care a fost rezultatul saltului înalt care a uimit profesorul de educație fizică, dacă munca utilă făcută de pantofii magicieni a rămas neschimbată?
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: