Kinetična energija: formula, definicija. Kako najti kinetično energijo molekule, translacijsko gibanje, vzmet, telo, molekulo plina?

Vsakodnevne izkušnje kažejo, da se lahko premikajo nepremična telesa, gibljive pa jih je mogoče ustaviti. Nenehno delamo nekaj, svet okoli je fussing, sonce sije ... Kje pa ima človek, živali in narava na splošno moč, da to storijo? Ali mehansko gibanje brez sledi? Bo eno telo premaknilo, ne da bi spreminjalo gibanje druge? Vse to bomo povedali v našem članku.

Koncept energije

Za delo motorjev, ki omogočajo promet do avtomobilov, traktorjev, dizelskih lokomotiv, letal, potrebujete gorivo, ki je vir energije. Elektromotorji poskrbijo za gibanje obdelovalnih strojev z električno energijo. Zaradi energije vode, ki pada z višine, se hidroturbini vklopijo, priključeni na električne stroje, ki proizvajajo električni tok. Človeška bitja potrebujejo tudi energijo, da bi obstajala in delala. Pravijo, da je za opravljanje dela potrebna energija. Kaj je energija?

• Opazovanje 1. Dvignite žogo nad tlemi. Medtem ko je v mirnem stanju, se mehansko delo ne izvaja. Pustite ga. Pod vplivom gravitacije, žoga pade na tla z določene višine. Med padcem žoge se opravi mehansko delo.
• Opazovanje 2. Izrežemo vzmet, ga popravimo z navojem in položimo uteži na vzmet. Nastavimo nit, vzmet pa se poravna in dviguje uteži na določeno višino. Pomlad je izvedel mehansko delo.
• Opazovanje 3. Na vozičku na koncu pritrdite palico z blokom. Skozi blok spustimo nit, katerega en konec je navita na osi vozička, na drugi pa visi tehtnica. Spustimo uteži. Pod ukrepom gravitacije spustil se bo in mu dal voziček gibanje. Gruzik je opravljal mehansko delo.

Po analizi vseh zgornjih opažanj lahko sklepamo, da če telo ali več teles opravita mehansko delo med interakcijo, imajo mehansko energijo ali energijo.

Koncept energije

Energija (iz grških besed energije - aktivnost) fizična količina, ki označuje sposobnost teles za opravljanje dela. Enota energije, kot tudi delo v sistemu SI, je en Joule (1 J). Na črko je energija označena s črko E. Iz zgornjih eksperimentov je razvidno, da telo opravi delo, ko prehaja iz ene države v drugo. Energija telesa se spreminja (zmanjšuje), mehansko delo, ki ga opravi telo, je enako rezultatu spremembe njegove mehanske energije.

Vrste mehanske energije. Koncept potencialne energije

Obstajata dva tipa mehanske energije: potencialna in kinetična. Zdaj bomo podrobneje preučili potencialno energijo.

Potencialna energija (PE) je energija, ki jo določi vzajemni položaj teles, ki delujejo, ali deli istega telesa. Ker se vsako telo in zemlja privlačita med seboj, to je medsebojno delovanje, PE telesa, ki je dvignjen nad tlemi, bo odvisna od višine dviga h. Višje je telo dvignjeno, več je PE. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da je PE odvisen ne le od višine, na katero se dvigne, ampak tudi od telesne mase. Če bi bila telesa dvignjena na isto višino, bo telo z veliko maso imelo večji PE. Formula za to energijo je naslednja: E_n = mgh, kjer E_n - to je potencialna energija, m - telesna teža, g = 9,81 N / kg, h - višina.

Potencialna energija izvira

Potencialna energija elastično deformiranega telesa je fizična količina E_n, ki pri hitrosti translacijskega gibanja pod delovanjem elastične sile zmanjša točno toliko, kolikor se kinetična energija poveča. Vzmeti (tako kot druga elastično deformirana telesa) imajo tako PE, kar je enako polovici produkta njihove togosti k na kvadratu deformacije: x = kx²:2.

Kinetična energija: formula in definicija

Včasih je mogoče upoštevati pomen mehanskega dela, ne da bi uporabljali pojme sile in premikanja, pri čemer poudarjamo, da delo označuje spremembo energije v telesu. Vse, kar potrebujemo, je masa določenega telesa in njegove začetne in končne hitrosti, kar nas bo pripeljalo do kinetične energije. Kinetična energija (KE) je energija, ki pripada telesu zaradi lastnega gibanja.

Vetrna energija se uporablja za kinetično energijo, se uporablja za posredovanje gibanja vetrnic. Premično zračne mase izvajajo pritisk na nagnjene ravnine kril vetrnic in povzročijo, da se obrnejo. Rotacijski premik s prenosnimi sistemi se prenese na mehanizme, ki izvajajo določeno delo. Premična voda, zavijanje turbine elektrarne, izgubi del svojega CE, opravlja delo. Letalo, ki leti visoko na nebu, ima poleg PE tudi CE. Če je telo v mirovanju, to je, da je njegova hitrost glede na Zemljo nič, je njegov CE glede na Zemljo nič. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da večja je masa telesa in hitrost, s katero se premika, večja je njegova FE. Formula za kinetično energijo translacijskega gibanja v matematičnem izrazu je naslednja:

Kje Da - kinetična energija, m - telesna masa, v - hitrost.

Sprememba kinetične energije

Ker je hitrost gibanja telesa količina, ki je odvisna od izbire referenčnega okvira, je vrednost CE telesa odvisna tudi od izbire. Sprememba kinetične energije (IKE) telesa je posledica delovanja na telesu zunanje sile F. Fizična količina A, ki je enaka IUE Delta-E_do telo zaradi delovanja sile na njega F, se imenuje delo: A =Delta-E_do. Če se telo premika s hitrostjo v₁, sila F, sovpada s smerjo, se bo hitrost premikanja telesa v določenem časovnem obdobju povečala t do določene vrednosti v₂. V tem primeru je ICE enako:

Kje m - telesna teža - d - pot telesa, V_f1 = (V₂ - V₁) - V_f2 = (V₂ + V₁) - a = F: m. Po tej formuli se spremeni kinetična energija. Formula ima lahko tudi naslednjo razlago: Delta-E_do = Flcosά, kjer je cosá kot kot med silo vektorji F in hitrosti V.

Povprečna kinetična energija

Kinetična energija je energija, ki jo določa hitrost gibanja različnih točk, ki spadajo v ta sistem. Vendar pa je treba spomniti, da je treba razlikovati med dvema energijama, ki označujejo različne vrste prometa: translacijsko in rotacijsko. Povprečna kinetična energija (SCE) je povprečna razlika med celotno energijo celotnega sistema in njegovo energijo miru, to je dejansko njegova velikost je povprečna vrednost potencialne energije. Formula za povprečno kinetično energijo je naslednja:

kjer je k boltzmanska konstanta-T temperatura. To je enačba, ki je osnova molekularno-kinetične teorije.

Povprečna kinetična energija molekul plina

Številni poskusi so ugotovili, da je povprečna kinetična energija molekul plina pri translacijskem gibanju za določeno temperaturo enaka in ni odvisna od narave plina. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da se plin segreva z 1 ^oPri SCE se poveča za isto vrednost. Natančneje, ta vrednost je enaka: Delta-E_do = 2,07 x 10^-23J /^oC. Da bi izračunali, kakšna je povprečna kinetična energija molekul plina pri translacijskem gibanju, je treba poleg te relativne količine poznati še eno absolutno vrednost energije translacijskega gibanja. V fiziki so te vrednosti precej točno določene za širok razpon temperatur. Na primer, pri temperaturi t = 500 ^oC kinetična energija translacijskega gibanja molekule Ek = 1600 x 10^-23J. Poznavanje dveh količin (Delta-E_do inE_do), lahko izračunamo energijo translacijskega gibanja molekul pri določeni temperaturi in rešimo inverzni problem - določimo temperaturo iz danih vrednosti energije.

Končno lahko sklepamo, da je povprečna kinetična energija molekul, zgoraj navedena formula, odvisna le od absolutne temperature (in za vsako agregatno stanje snovi).

Zakon ohranjanja celotne mehanske energije

Študija gibanja teles pod vplivom gravitacije in elastičnih sil je pokazala, da obstaja določena fizična količina, ki se imenuje potencialna energija E_n- odvisno je od koordinat telesa, njegova sprememba pa je enačena z ICE, ki se vzame s nasprotnim znakom: Delta-E_{n =} -Delta-E_do. Tako je vsota sprememb v FE in PE telesa, ki sodelujejo s gravitacijskimi silami in elastičnimi silami 0: Delta-E_n + Delta-E_do = 0. Kličejo se sile, ki so odvisne le od koordinat telesa konzervativno. Sile privlačnosti in elastičnosti so konzervativne sile. Vsota kinetičnih in potencialnih energij telesa je skupna mehanska energija: E_n + E_do = E.

To dejstvo, ki so ga dokazali najbolj natančni poskusi,
se imenuje zakon ohranjanja mehanske energije. Če telesa komunicirajo s silami, ki so odvisne od hitrosti relativnega gibanja, mehanska energija v sistemu medsebojnih delov ni ohranjena. Primer takih sil, ki se imenujejo nekonservativno, so sile trenja. Če sile trenja delujejo na telo, je potrebno porabiti energijo, da jih premagamo, kar pomeni, da se del dela uporablja za delovanje proti tornim silam. Kršitev zakona o ohranjanju energije pa je le namišljena, saj gre za ločen primer splošnega zakona o ohranjanju in preoblikovanju energije. Energija telesa nikoli ne izgine in se ne ponovi: se preoblikuje le iz ene vrste v drugo. Ta zakon narave je zelo pomemben, izvaja se povsod. Včasih se imenuje splošni zakon o ohranjanju in preoblikovanju energije.

Razmerje med notranjo energijo telesa, kinetičnimi in potencialnimi energijami

Notranja energija (U) telesa je njena celotna energija telesa po odbitju CE telesa kot celote in njegovega PE v zunanjem polju sil. Iz tega lahko sklepamo, da notranjo energijo sestavlja CE kaotično gibanje molekul, interakcija PE med njimi in intramolekularna energija. Notranja energija - eno-vrednotena funkcija stanja sistema, ki pravi naslednje: če je sistem v tem stanju, njegova notranja energija ima svojo lastno vrednost, ne glede na to, kaj se je zgodilo prej.

Relativizem

Ko je hitrost telesa blizu hitrosti svetlobe, se kinetična energija ugotovi po naslednji formuli:

Na podlagi tega načela lahko izračunamo tudi kinetično energijo telesa, katerega formulacija je bila zgoraj napisana:

Primeri težav pri iskanju kinetične energije

1. Primerjajte kinetično energijo kroglice, ki tehta 9 g, leti s hitrostjo 300 m / s, in moškega tehta 60 kg, ki teče s hitrostjo 18 km / h.

Torej, kaj nam je dano: m₁ = 0,009 kg-V₁ = 300 m / s - m₂ = 60 kg, V₂ = 5 m / s.

Rešitev:

• Kinetična energija (formula): E_do = mv² :2.
• Imamo vse podatke za izračun, zato jih najdemo E_do za moško in za žogo.
• E_k1 = (0,009 kg x (300 m / s)²): 2 = 405 J-
• E_k2 = (60 kg x (5 m / s)²): 2 = 750 J.
• E_k1 <E_k2.

Odgovor: Kinetična energija krogle je manjša od tiste osebe.

2. Telo z maso 10 kg je bilo dvignjeno na višino 10 m, po kateri je bilo sproščeno. Kateri CE bo imel na višini 5 m? Odpornost zraka je mogoče zanemariti.

Torej, kaj nam je dano: m = 10 kg-h = 10 m-h₁ = 5 m-g = 9,81 N / kg. E_k1 - ?

Rešitev:

• Telo določene mase, dvignjene na določeno višino, ima potencialno energijo: E_n = mgh. Če pade telo, potem na določeni višini h₁ bo imel znoj. energija E_n = mgh₁ in družine. energija E_k1. Da bi bila kinetična energija pravilno ugotovljena, zgornja formulacija ne pomaga, zato problem rešimo z naslednjim algoritmom.
• V tem koraku uporabljamo zakon o ohranjanju energije in napišemo: E_n1 + E_k1 = E_n.
• PotemE_k1 =E_n - E_n1 =mgh -mgh₁ = mg (h-h₁).
• Če bomo v formulo nadomestili naše vrednosti, dobimo:E_k1 = 10 x 9,81 (10-5) = 490,5 J.

Odgovor: E_k1 = 490,5 J.

3. Vztrajnik z maso m in polmera R, zavije okoli osi, ki poteka skozi središče. Kotna hitrost zavoja vztrajnika - omega-. Da bi zaustavili vztrajnik, zavorni čevelj stisnemo proti svojemu platišču, ki deluje s silo F_trenje. Koliko vrtljajev potuje do konca? Menimo, da je masa vztrajnika zgoščena vzdolž oboda.

Torej, kaj nam je dano: m-R-omega--F_trenje. N -?

Rešitev:

• Pri reševanju problema bomo menili, da je vztrajnik podoben tistemu tankega homogenega obroča s polmerom R in mase m, ki se obrača z kotno hitrostjo omega-.
• Kinetična energija takega telesa je: E_do = (Jomega-²): 2, kje J =mR².
• Vztrajnik se bo ustavil, pod pogojem, da se vsi njegovi FE porabijo za delo, da bi premagali silo trenja F_trenje, ki nastanejo med zavornim čevljem in platiščem: E_do =F_trenje* s_, kjers - to je zaustavitveno razdaljo, ki je 2pi-RN.
• Zato, F_trenje*2pi-RN= (mR²omega-²): 2, od koder N = (momega-²R): (4pi-F_Tp).

Odgovor je: N = (momega-²R): (4pi-F_Tp).

Na koncu

Energija je najpomembnejša komponenta v vseh vidikih življenja, saj brez njega nobena telesa ne bi mogla opravljati dela, vključno z osebo. Mislimo, da je članek vam je jasno navedeno, da je moč, in podroben opis vseh vidikov enega od njegovih sestavnih delov - kinetične energije - vam bo pomagal razumeti številne procese, ki se pojavljajo na našem planetu. In kako najti kinetično energijo, se lahko naučite iz primerov formul in reševanje problemov od zgoraj.