Energie cinetiche e potenziali. Energia potenziale Espressione dell'energia potenziale
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Per aumentare la distanza del corpo dal centro della Terra (sollevare il corpo), è necessario lavorare su di esso. Questo lavoro contro la gravità viene immagazzinato come energia potenziale del corpo.
Per capire cos'è energia potenziale corpi, troviamo il lavoro svolto dalla gravità quando si sposta verticalmente un corpo di massa m da un'altezza sopra la superficie terrestre a un'altezza .
Se la differenza è trascurabile rispetto alla distanza dal centro della Terra, allora la forza gravitazionale durante il movimento del corpo può essere considerata costante e pari a mg.
Poiché lo spostamento coincide in direzione con il vettore di gravità, risulta che il lavoro di gravità è uguale a
Dall'ultima formula si può vedere che il lavoro di gravità durante il trasferimento di un punto materiale con massa m nel campo gravitazionale terrestre è uguale alla differenza tra due valori di una certa quantità mgh. Poiché il lavoro è una misura del cambiamento di energia, il lato destro della formula è la differenza tra i due valori dell'energia di questo corpo. Ciò significa che mgh è l'energia dovuta alla posizione del corpo nel campo gravitazionale terrestre.
Viene chiamata l'energia dovuta alla disposizione reciproca di corpi interagenti (o parti di un corpo). potenziale e indichiamo Wp. Pertanto, per un corpo nel campo gravitazionale terrestre,
Il lavoro svolto dalla gravità è uguale alla variazione energia potenziale del corpo preso con il segno opposto.
Il lavoro di gravità non dipende dalla traiettoria del corpo ed è sempre uguale al prodotto del modulo di gravità per il dislivello nelle posizioni iniziale e finale
Senso energia potenziale di un corpo sollevato dalla Terra dipende dalla scelta del livello zero, cioè l'altezza alla quale si presume che l'energia potenziale sia nulla. Di solito si presume che l'energia potenziale di un corpo sulla superficie della Terra sia zero.
Con questa scelta del livello zero energia potenziale del corpo, situato ad un'altezza h sopra la superficie terrestre, è uguale al prodotto della massa corporea per il modulo di accelerazione di caduta libera e la sua distanza dalla superficie terrestre:
Da tutto quanto sopra, possiamo concludere: l'energia potenziale del corpo dipende solo da due grandezze, vale a dire: dalla massa del corpo stesso e dall'altezza a cui questo corpo è elevato. La traiettoria del moto del corpo non influisce in alcun modo sull'energia potenziale.
Una quantità fisica pari alla metà del prodotto della rigidezza del corpo per il quadrato della sua deformazione è chiamata energia potenziale di un corpo elasticamente deformato:
Energia potenziale di un corpo elasticamente deformato è uguale al lavoro svolto dalla forza elastica quando il corpo entra in uno stato in cui la deformazione è nulla.
C'è anche:
Energia cinetica
Nella formula abbiamo usato:
Energia potenziale
L'ingegnere e fisico William Rankine.
L'unità SI per l'energia è il Joule.
L'energia potenziale è considerata uguale a zero per alcune configurazioni di corpi nello spazio, la cui scelta è determinata dalla comodità di ulteriori calcoli. Viene chiamato il processo di selezione di questa configurazione potenziale normalizzazione energetica.
Una corretta definizione di energia potenziale può essere data solo nel campo delle forze, il cui lavoro dipende solo dalla posizione iniziale e finale del corpo, ma non dalla traiettoria del suo movimento. Tali forze sono chiamate conservatrici.
Inoltre, l'energia potenziale è una caratteristica dell'interazione di più corpi o di un corpo e di un campo.
Qualsiasi sistema fisico tende allo stato con l'energia potenziale più bassa.
L'energia potenziale di deformazione elastica caratterizza l'interazione tra le parti del corpo.
Energia potenziale nel campo gravitazionale terrestre
L'energia potenziale nel campo gravitazionale terrestre vicino alla superficie è approssimativamente espressa dalla formula:
dove è la massa del corpo, è l'accelerazione della caduta libera, è l'altezza della posizione del centro di massa del corpo sopra un livello zero scelto arbitrariamente.
Sul significato fisico del concetto di energia potenziale
- Se l'energia cinetica può essere determinata per un corpo separato, allora l'energia potenziale caratterizza sempre almeno due corpi o la posizione di un corpo in un campo esterno.
- L'energia cinetica è caratterizzata dalla velocità; potenziale - la posizione relativa dei corpi.
- Il significato fisico principale non è il valore dell'energia potenziale stessa, ma il suo cambiamento.
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Collegamenti
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Libri
- Energia potenziale dell'interazione elettrica tra cariche elettriche di nucleoni e associazioni di nucleoni durante il loro avvicinamento, Larin V.I.
L'energia è una grandezza scalare. L'unità SI per l'energia è il Joule.
Energia cinetica e potenziale
Esistono due tipi di energia: cinetica e potenziale.
DEFINIZIONE
Energia cineticaè l'energia che il corpo possiede grazie al suo movimento:
DEFINIZIONE
Energia potenziale- questa è l'energia, che è determinata dalla disposizione reciproca dei corpi, nonché dalla natura delle forze di interazione tra questi corpi.
L'energia potenziale nel campo gravitazionale terrestre è l'energia dovuta all'interazione gravitazionale del corpo con la Terra. È determinato dalla posizione del corpo rispetto alla Terra ed è uguale al lavoro per spostare il corpo da questa posizione al livello zero:
L'energia potenziale è l'energia dovuta all'interazione delle parti del corpo tra loro. È uguale al lavoro delle forze esterne in tensione (compressione) di una molla non deformata per il valore:
Un corpo può avere contemporaneamente energia cinetica e potenziale.
Completare energia meccanica corpo o sistema di corpi è uguale alla somma delle energie cinetiche e potenziali del corpo (sistema di corpi):
Legge di conservazione dell'energia
Per un sistema chiuso di corpi vale la legge di conservazione dell'energia:
Nel caso in cui forze esterne agiscano su un corpo (o sistema di corpi), ad esempio, la legge di conservazione dell'energia meccanica non è soddisfatta. In questo caso, la variazione dell'energia meccanica totale del corpo (sistema di corpi) è uguale alle forze esterne:
La legge di conservazione dell'energia permette di stabilire una relazione quantitativa tra le varie forme di moto della materia. Proprio come , vale non solo per , ma per tutti i fenomeni naturali. La legge di conservazione dell'energia dice che l'energia in natura non può essere distrutta nello stesso modo in cui non può essere creata dal nulla.
Nella sua forma più generale, la legge di conservazione dell'energia può essere formulata come segue:
- l'energia in natura non scompare e non si crea di nuovo, ma si trasforma solo da una forma all'altra.
Esempi di risoluzione dei problemi
ESEMPIO 1
| L'obiettivo | Un proiettile che vola a una velocità di 400 m / s colpisce un bastione di terra e viaggia fino a un arresto di 0,5 M. Determina la resistenza dell'asta al movimento del proiettile se la sua massa è di 24 g. |
| Decisione | La forza di resistenza dell'albero è una forza esterna, quindi il lavoro di questa forza è uguale alla variazione dell'energia cinetica del proiettile: Poiché la forza di resistenza dell'asta è opposta alla direzione di movimento del proiettile, il lavoro di questa forza è: Cambiamento di energia cinetica del proiettile: Pertanto, si può scrivere: donde la forza di resistenza del bastione di terra: Convertiamo le unità nel sistema SI: g kg. Calcola la forza di resistenza: |
| Risposta | Forza di resistenza dell'albero 3,8 kN. |
ESEMPIO 2
| L'obiettivo | Un carico di massa 0,5 kg cade da una certa altezza su un piatto di massa 1 kg, montato su una molla con un coefficiente di rigidezza di 980 N/m. Determinare l'entità della massima compressione della molla, se al momento dell'urto il carico aveva una velocità di 5 m/s. L'impatto è anelastico. |
| Decisione | Scriviamo per il sistema chiuso carico + piastra. Poiché l'impatto è anelastico, si ha: da cui la velocità del piatto con il carico dopo l'urto:
Secondo la legge di conservazione dell'energia, l'energia meccanica totale del carico insieme alla piastra dopo l'impatto è uguale all'energia potenziale della molla compressa: |
Energia di interazione dei corpi. Il corpo stesso non può possedere energia potenziale. è determinato dalla forza che agisce sul corpo dal lato di un altro corpo. Poiché i corpi interagenti sono uguali, allora energia potenziale possiedono solo corpi interagenti.
UN = fs = mg (h1 - h2).
Consideriamo ora il moto di un corpo su un piano inclinato. Quando un corpo si muove lungo un piano inclinato, la gravità funziona
UN = mgscosa.
Si può vedere dalla figura che Scosα = h, Di conseguenza
E = mgh.
Si scopre che il lavoro di gravità non dipende dalla traiettoria del corpo.
Uguaglianza UN = mg (h1 - h2) può essere scritto come UN = - (mgh 2 - mg h 1 ).
Cioè, il lavoro di gravità quando si sposta un corpo con una massa m da un punto h1 Esattamente h2 lungo qualsiasi traiettoria è uguale a un cambiamento in una quantità fisica mgh con il segno opposto.
La quantità fisica uguale al prodotto della massa del corpo per il modulo dell'accelerazione di caduta libera e l'altezza alla quale il corpo è sollevato sopra la superficie della Terra è chiamata energia potenziale del corpo.
L'energia potenziale è indicata da E.r. E.r = mgh, Di conseguenza:
UN = - (E R 2 - E R 1 ).
Un corpo può avere energia potenziale sia positiva che negativa. massa corporea m in profondità h dalla superficie terrestre ha un'energia potenziale negativa: E.r = - mgh.
Consideriamo l'energia potenziale di un corpo elasticamente deformato.
Attaccare a una molla con rigidità K barra, tendere la molla e rilasciare la barra. Sotto l'azione della forza elastica, la molla tesa aziona la barra e la sposta di una certa distanza. Calcola il lavoro della forza elastica della molla da un valore iniziale x 1 alla finale x2.
La forza elastica nel processo di deformazione della molla cambia. Per trovare il lavoro della forza elastica, puoi prendere il prodotto del valore medio del modulo di forza e del modulo di spostamento:
E = F(x 1 - x2).
Poiché la forza elastica è proporzionale alla deformazione della molla, il valore medio del suo modulo è
Sostituendo questa espressione nella formula del lavoro della forza, otteniamo:
Viene chiamata la quantità fisica pari alla metà del prodotto della rigidità del corpo e del quadrato della sua deformazione energia potenziale corpo elasticamente deformato:
Donde ne consegue UN = - (E p2 - E p1).
Come la grandezza mgh, energia potenziale corpo elasticamente deformato dipende dalle coordinate, poiché X 1 e X 2 sono le estensioni della molla e contemporaneamente le coordinate dell'estremità della molla. Pertanto, possiamo dire che l'energia potenziale in tutti i casi dipende dalle coordinate.
denotando "azione". Puoi chiamare una persona energica che si muove, crea un certo lavoro, può creare, agire. Inoltre, le macchine create dalle persone, dalla vita e dalla natura hanno energia. Ma questo è nella vita reale. Inoltre, ce n'è uno rigoroso che ha definito e designato molti tipi di energia: elettrica, magnetica, atomica, ecc. Tuttavia, ora parleremo di energia potenziale, che non può essere considerata separatamente dall'energia cinetica.
Energia cinetica
Questa energia, secondo i concetti della meccanica, è posseduta da tutti i corpi che interagiscono tra loro. E in questo caso stiamo parlando del movimento dei corpi.
Energia potenziale
Questo tipo di energia viene creato quando c'è un'interazione di corpi o parti di un corpo, ma non c'è movimento in quanto tale. Questa è la principale differenza rispetto all'energia cinetica. Ad esempio, se sollevi una pietra da terra e la tieni in questa posizione, avrà energia potenziale, che può trasformarsi in energia cinetica se la pietra viene rilasciata.
L'energia è solitamente associata al lavoro. Cioè, in questo esempio, la pietra rilasciata può fare del lavoro quando cade. E la possibile quantità di lavoro sarà uguale all'energia potenziale del corpo a una certa altezza h. La seguente formula viene utilizzata per calcolare questa energia:
A=Fs=Ft*h=mgh, o Ep=mgh, dove:
Ep - energia potenziale del corpo,
m - peso corporeo,
h è l'altezza del corpo dal suolo,
g è l'accelerazione di caduta libera.
Due tipi di energia potenziale
Esistono due tipi di energia potenziale:
1. L'energia nella disposizione reciproca dei corpi. Una pietra sospesa possiede tale energia. È interessante notare che anche la normale legna da ardere o il carbone hanno energia potenziale. Contengono carbonio non ossidato, che può essere ossidato. Per dirla semplicemente, la legna bruciata può potenzialmente riscaldare l'acqua.
2. Energia di deformazione elastica. Un esempio qui è un laccio emostatico elastico, una molla compressa o un sistema osso-muscolo-legamento.
Energia potenziale e cinetica sono interconnesse. Possono passare l'uno nell'altro. Ad esempio, se lanci una pietra, quando ti muovi, ha prima energia cinetica. Quando raggiunge un certo punto, si blocca per un momento e guadagna energia potenziale, quindi la gravità lo trascina verso il basso e l'energia cinetica riappare.