Kundalik tajriba shuni ko'rsatadiki, ko'chmas jismlarni harakatga keltirish va harakatlanayotganlarni to'xtatish mumkin. Biz doimo nimadir bilan shug‘ullanamiz, dunyo shovqin-suron, quyosh charaqlab turibdi… Lekin odamlar, hayvonlar, umuman tabiat bu ishni bajarish uchun qayerdan kuch oladi? Mexanik harakat izsiz yo'qoladimi? Bir jism ikkinchisining harakatini o'zgartirmasdan harakatlana boshlaydimi? Bularning barchasi haqida maqolamizda gaplashamiz.
Energiya tushunchasi
Avtomobillar, traktorlar, teplovozlar va samolyotlarni quvvatlaydigan dvigatellar energiya manbai boʻlgan yoqilgʻini talab qiladi. Elektr dvigatellari elektr toki yordamida mashinalarga harakatlanish imkonini beradi. Balandlikdan tushgan suvning energiyasi tufayli gidravlik turbinalar aylantirilib, elektr tokini ishlab chiqaradigan elektr mashinalariga ulanadi. Insonning mavjudligi va ishlashi uchun ham energiya kerak. Har qanday ishni bajarish uchun energiya kerak, deyishadi. Energiya nima?
- Kuzatuv 1. To'pni yerdan yuqoriga ko'taring. U holatda ekanxotirjamlik, hech qanday mexanik ish bajarilmaydi. Keling, uni qo'yib yuboraylik. Gravitatsiya ta'sirida to'p ma'lum bir balandlikdan erga tushadi. To'p tushganda mexanik ish bajariladi.
- Kuzatuv 2. Prujinani yoping, uni ip bilan mahkamlang va prujinaga og'irlik qo'ying. Keling, ipga o't qo'yamiz, bahor to'g'rilanadi va og'irlikni ma'lum bir balandlikka ko'taradi. Bahor mexanik ishlarni bajardi.
- Kuzatuv 3. Tayoqni uchida blok bilan aravachaga mahkamlang. Biz blok orqali ipni tashlaymiz, uning bir uchi aravaning o'qiga o'ralgan, ikkinchisida esa og'irlik osilgan. Keling, yukni tashlaylik. Gravitatsiya ta'sirida u pastga tushadi va aravaning harakatini beradi. Og'irlik mexanik ishlarni bajardi.
Yuqoridagi barcha kuzatishlarni tahlil qilib, xulosa qilishimiz mumkinki, agar jism yoki bir nechta jismlar oʻzaro taʼsir jarayonida mexanik ish bajarsa, ular mexanik energiya yoki energiyaga ega ekanligini aytishadi.
Energiya tushunchasi
Energiya (yunoncha energiya - faoliyat so'zidan olingan) - jismlarning ish qobiliyatini tavsiflovchi fizik miqdor. SI tizimidagi ish kabi energiya birligi bir Joul (1 J) dir. Yozuvda energiya E harfi bilan belgilanadi. Yuqoridagi tajribalardan ko'rinib turibdiki, tana bir holatdan ikkinchi holatga o'tganda ishlaydi. Bunda tananing energiyasi o'zgaradi (kamayadi) va organizm tomonidan bajariladigan mexanik ish uning mexanik energiyasining o'zgarishi natijasiga teng bo'ladi.
Mexanik energiya turlari. Potensial energiya tushunchasi
Mexanik energiyaning 2 turi mavjud: potentsial va kinetik. Keling, potentsial energiyani batafsil ko'rib chiqaylik.
Potentsial energiya (PE) - o'zaro ta'sir qiluvchi jismlarning yoki bir jism qismlarining o'zaro joylashuvi bilan belgilanadigan energiya. Har qanday jism va yer bir-birini o'ziga tortgani, ya'ni o'zaro ta'sir qilganligi sababli, erdan ko'tarilgan jismning PE ko'tarilish balandligi h ga bog'liq bo'ladi. Tana qanchalik baland bo'lsa, uning PE darajasi shunchalik yuqori bo'ladi. PE nafaqat ko'tarilgan balandlikka, balki tana vazniga ham bog'liqligi eksperimental ravishda aniqlangan. Agar jismlar bir xil balandlikka ko'tarilgan bo'lsa, unda katta massaga ega bo'lgan tanada ham katta PE bo'ladi. Bu energiya formulasi quyidagicha: Ep=mgh, bu yerda Ep - potensial energiya, m - tananing massasi, g=9,81 N/kg, soat - balandlik.
Bahorning potentsial energiyasi
Elastik deformatsiyalangan jismning potentsial energiyasi Ep, fizik kattalik bo’lib, elastik kuchlar ta’sirida translatsiya harakati tezligi o’zgarganda aynan shuncha kamayadi. kinetik energiya ortadi. Prujinalar (boshqa elastik deformatsiyalangan jismlar kabi) qattiqligi k va deformatsiya kvadratining yarmiga teng bo'lgan PEga ega: x=kx2:2.
Kinetik energiya: formula va ta'rif
Ba'zan mexanik ishning ma'nosini kuch va siljish tushunchalaridan foydalanmasdan, ish ekanligiga e'tibor qaratish orqali ko'rib chiqish mumkin.tana energiyasining o'zgarishini tavsiflaydi. Bizga kerak bo'lgan narsa - bu bizni kinetik energiyaga olib keladigan tananing massasi va uning boshlang'ich va oxirgi tezligi. Kinetik energiya (KE) - o'z harakati tufayli tanaga tegishli energiya.
Kinetik energiya shamol bo'lib, u shamol turbinalarini harakatlantirish uchun ishlatiladi. Harakatlanuvchi havo massalari shamol turbinalari qanotlarining qiya tekisliklariga bosim o'tkazib, ularning aylanishiga sabab bo'ladi. Aylanadigan harakat uzatish tizimlari orqali ma'lum bir ishni bajaradigan mexanizmlarga uzatiladi. Elektr stantsiyasining turbinalarini aylantiruvchi harakatlanuvchi suv ish paytida o'zining CE qiymatining bir qismini yo'qotadi. Osmonda baland uchadigan samolyot, PEdan tashqari, Idoraga ega. Agar tana tinch holatda bo'lsa, ya'ni uning Yerga nisbatan tezligi nolga teng bo'lsa, uning Yerga nisbatan CE nolga teng. Jismning massasi va harakat tezligi qanchalik katta bo'lsa, uning KE si ham katta bo'lishi eksperimental tarzda aniqlangan. Matematik jihatdan tarjima harakatining kinetik energiyasi formulasi quyidagicha:
Bu erda K - kinetik energiya, m - tana massasi, v - tezlik.
Kinetik energiyaning oʻzgarishi
Jismning tezligi mos yozuvlar tizimini tanlashga bog'liq bo'lgan kattalik bo'lgani uchun, tananing FE qiymati ham uning tanloviga bog'liq. Tananing kinetik energiyasining (IKE) o'zgarishi tashqi F kuchning tanaga ta'siri tufayli sodir bo'ladi. IKE ga teng bo'lgan jismoniy miqdor AJismning DEk , unga F kuch ta'sirida ish deyiladi: A=DEk. Agar v 1 tezlikda harakatlanayotgan jismga yo’nalishga to’g’ri keladigan F kuch ta’sir etsa, u holda jismning tezligi t vaqt o’tishi bilan qandaydir v qiymatiga oshadi. 2. Bu holda, IKE:
Bu erda m - tana vazni; d - tananing bosib o'tgan masofasi; Vf1=(V2 - V1); Vf2 =(V2 + V1); a=F: m. Aynan shu formula bo'yicha kinetik energiya qancha bo'lganligi bilan hisoblanadi. Formula quyidagi talqinga ham ega bo'lishi mumkin: DEk =Flcos f, bu erda cosά F kuch vektorlari va V tezlik orasidagi burchak.
Oʻrtacha kinetik energiya
Kinetik energiya - bu tizimga tegishli bo'lgan turli nuqtalarning harakat tezligi bilan belgilanadigan energiya. Ammo shuni esda tutish kerakki, harakatning har xil turlarini tavsiflovchi 2 ta energiyani farqlash kerak: translatsiya va aylanish. Bunday holda, o'rtacha kinetik energiya (SKE) butun tizimning energiyalari yig'indisi va uning dam olish energiyasi o'rtasidagi o'rtacha farq, ya'ni aslida uning qiymati potentsial energiyaning o'rtacha qiymatidir. O'rtacha kinetik energiya formulasi quyidagicha:
bu yerda k - Boltsman doimiysi; T - harorat. Aynan shu tenglama molekulyar kinetik nazariyaning asosi hisoblanadi.
Gaz molekulalarining oʻrtacha kinetik energiyasi
Koʻp tajribalar maʼlum haroratda translatsiya harakatida gaz molekulalarining oʻrtacha kinetik energiyasi bir xil ekanligini va gaz turiga bogʻliq emasligini aniqladi. Bundan tashqari, gaz 1 oS ga qizdirilganda TEC bir xil qiymatga oshishi ham aniqlandi. Aniqroq aytganda, bu qiymat teng: WITH. Tarjima harakatida gaz molekulalarining o'rtacha kinetik energiyasi nimaga teng ekanligini hisoblash uchun, bu nisbiy qiymatga qo'shimcha ravishda, translatsiya harakati energiyasining kamida yana bitta mutlaq qiymatini bilish kerak. Fizikada bu qiymatlar haroratning keng diapazoni uchun juda aniq aniqlanadi. Masalan, t=500 oS haroratda molekulaning translatsiya harakatining kinetik energiyasi Ek=1600 x 10-23J.. 2 ta kattalikni bilgan holda (DEk va Ek), biz molekulalarning ma'lum haroratdagi translatsiya harakati energiyasini hisoblab chiqishimiz va hal qilishimiz mumkin. teskari masala - belgilangan energiya qiymatlari orqali haroratni aniqlash.
Nihoyat, formulasi yuqorida keltirilgan molekulalarning oʻrtacha kinetik energiyasi faqat mutlaq haroratga (va moddalarning har qanday agregat holatiga) bogʻliq degan xulosaga kelishimiz mumkin.
Umumiy mexanik energiyaning saqlanish qonuni
Jismlarning tortishish va elastik kuchlar ta'sirida harakatini o'rganish ma'lum bir jismoniy miqdor mavjudligini ko'rsatdi, bu potentsial energiya Ep;u tananing koordinatalariga bog'liq va uning o'zgarishi qarama-qarshi belgi bilan olingan IKE ga teng: D Ep= - DEkDemak, jismning tortishish kuchlari va elastik kuchlari bilan oʻzaro taʼsir qiluvchi KE va PE oʻzgarishlar yigʻindisi 0 ga teng: Tananing faqat koordinatalariga bogʻliq boʻlgan kuchlar konservativ deyiladi. Jozibador va elastik kuchlar konservativ kuchlardir. Tananing kinetik va potentsial energiyalarining yig'indisi umumiy mexanik energiya: Ep + Ek=E.
Eng aniq tajribalar bilan isbotlangan bu fakt
mexanik energiyaning saqlanish qonuni deb ataladi. Agar jismlar nisbiy harakat tezligiga bog'liq bo'lgan kuchlar bilan o'zaro ta'sir qilsa, o'zaro ta'sir qiluvchi jismlar tizimida mexanik energiya saqlanmaydi. Konservativ bo'lmagan deb ataladigan bunday turdagi kuchlarga ishqalanish kuchlari misol bo'la oladi. Agar tanaga ishqalanish kuchlari ta'sir etsa, ularni yengish uchun energiya sarflash kerak, ya'ni uning bir qismi ishqalanish kuchlariga qarshi ishlarni bajarish uchun sarflanadi. Biroq, bu erda energiyaning saqlanish qonunining buzilishi faqat xayoliydir, chunki bu energiyaning saqlanish va o'zgarishining umumiy qonunining alohida holatidir. Jismlarning energiyasi hech qachon yo'qolmaydi va qayta paydo bo'lmaydi: u faqat bir shakldan ikkinchisiga aylanadi. Tabiatning bu qonuni juda muhim, u hamma joyda amalga oshiriladi. Uni baʼzan energiyaning saqlanish va oʻzgarishining umumiy qonuni ham deb atashadi.
Ichki aloqatana energiyasi, kinetik va potentsial energiyalar
Jismning ichki energiyasi (U) - bu tananing umumiy energiyasidan butun tananing KE va tashqi kuch maydonidagi PE ni olib tashlagan holda. Bundan xulosa qilishimiz mumkinki, ichki energiya molekulalarning xaotik harakatining CE, ular orasidagi o'zaro ta'sirning PE va molekula ichidagi energiyadan iborat. Ichki energiya tizim holatining bir qiymatli funksiyasi boʻlib, u quyidagilarni bildiradi: agar tizim maʼlum holatda boʻlsa, uning ichki energiyasi avval sodir boʻlgan voqealardan qatʼi nazar, oʻziga xos qiymatlarni oladi.
Relyativizm
Jismning tezligi yorug'lik tezligiga yaqin bo'lsa, kinetik energiya quyidagi formula bo'yicha topiladi:
Yuqorida formulasi yozilgan jismning kinetik energiyasini ham ushbu printsip bo'yicha hisoblash mumkin:
Kinetik energiyani topishga oid masalalarga misollar
1. 300 m/s tezlikda uchayotgan 9 g to‘p va 18 km/soat tezlikda uchayotgan 60 kg odamning kinetik energiyasini solishtiring.
Demak, bizga nima beriladi: m1=0,009 kg; V1=300 m/s; m2=60 kg, V2=5 m/s.
Yechim:
- Kinetik energiya (formula): Ek =mv2 : 2.
- Bizda hisob-kitob uchun barcha ma'lumotlar bor, shuning uchun ham odam, ham to'p uchun Ek topamiz.
- Ek1 =(0,009 kg x (300 m/s)2): 2=405 J;
- Ek2 =(60 kg x (5)m/s)2): 2=750 J.
- Ek1 < Ek2.
Javob: To'pning kinetik energiyasi odamnikidan kamroq.
2. Massasi 10 kg bo'lgan tana 10 m balandlikka ko'tarildi, shundan so'ng u qo'yib yuborildi. 5 m balandlikda qanday FE bo'ladi? Havo qarshiligiga e'tibor bermaslik mumkin.
Demak, bizga nima beriladi: m=10 kg; h=10 m; h 1 =5 m; g=9,81 N/kg. Ek1 - ?
Yechim:
- Ma'lum bir balandlikka ko'tarilgan ma'lum massali jism potensial energiyaga ega: Ep=mgh. Agar tana yiqilsa, u holda h1 balandlikda ter bo'ladi. energiya Ep=mgh1 va qarindoshlar. energiya Ek1. Kinetik energiyani to'g'ri topish uchun yuqorida keltirilgan formula yordam bermaydi va shuning uchun biz masalani quyidagi algoritm yordamida hal qilamiz.
- Bu bosqichda biz energiyaning saqlanish qonunidan foydalanamiz va yozamiz: Ep1 + Ek1=E p.
- Keyin Ek1=E p - Ep1 =mgh - mgh 1 =mg(h-h1).
- Qiymatlarimizni formulaga almashtirsak, biz quyidagilarni olamiz:
Javob: Ek1=490,5 J.
3. Massasi m va radiusi R bo‘lgan volan o‘z markazidan o‘tuvchi o‘q atrofida aylanadi. Volanni o'rash burchak tezligi - ō. Volanni to'xtatish uchun uning romiga Ffriction kuchi bilan ta'sir etuvchi tormoz pabuni bosiladi. Volan to'liq to'xtab qolguncha qancha aylanishni amalga oshiradi? E'tibor bering, volanning massasijant atrofida.
Demak, bizga nima beriladi: m; R; ō; Fishqalanish. N - ?
Yechim:
- Masalanni yechishda biz maxovikning aylanishlarini radiusi R va massasi m boʻlgan, burchak tezligi ō bilan aylanuvchi yupqa bir jinsli halqaning aylanishlariga oʻxshash deb hisoblaymiz.
- Bunday jismning kinetik energiyasi: Ek =(J ť 2): 2, bunda J=m R2.
- Maxovat toʻxtab qoladi, shunda uning butun FE quvvati F ishqalanish kuchini, tormoz pabuni va halqa oʻrtasida paydo boʻladigan ishqalanish kuchini yengish uchun sarflangan boʻlsa: E to=Ffrictions, qaerda s toʻxtash masofasi 2 pRN ga teng.
- Demak, Ffriction 2 pRN =(m R 2 ō2): 2, qayerdan N=(m ō 2R): (4 p Ftr).
Javob: N=(mō2R): (4pFtr).
Xulosa
Energiya hayotning barcha jabhalarida eng muhim tarkibiy qismdir, chunki usiz hech bir tana, jumladan, odamlar ham ish qila olmaydi. O'ylaymizki, maqola sizga energiya nima ekanligini tushuntirib berdi va uning tarkibiy qismlaridan biri - kinetik energiyaning barcha jihatlarini batafsil ko'rsatish sayyoramizda sodir bo'layotgan ko'plab jarayonlarni tushunishga yordam beradi. Kinetik energiyani qanday topishni esa yuqoridagi formulalar va masalani yechish misollaridan bilib olishingiz mumkin.
