증기, 위치 또는 운동의 기계적 에너지는 무엇입니까? 위치 및 운동 에너지. 기계적 에너지 보존 법칙

이전 단락에서 탄성력이나 중력에 의해 서로 상호 작용하는 물체가 작동하면 물체 또는 그 부분의 상대적 위치가 변경된다는 것을 알았습니다. 그리고 움직이는 물체에 의해 작업이 완료되면 속도가 변경됩니다. 그러나 일이 끝나면 몸의 에너지가 바뀝니다. 따라서 우리는 탄성력이나 중력에 의해 상호 작용하는 물체의 에너지가 이러한 물체 또는 그 부분의 상대적 위치에 의존한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 움직이는 물체의 에너지는 속도에 달려 있습니다.

서로 상호 작용의 결과로 소유하는 신체의 에너지를 위치 에너지라고합니다. 운동으로 인해 신체가 갖는 에너지를 운동 에너지라고 합니다.

결과적으로 지구와 지구 근처에 위치한 신체가 소유한 에너지는 지구-신체 시스템의 위치 에너지입니다. 간단히 말해서, 이 에너지는 지구 표면 근처에 있는 신체 자체가 소유한다고 말하는 것이 일반적입니다.

변형된 스프링의 에너지는 위치 에너지이기도 합니다. 스프링 코일의 상대적 위치에 의해 결정됩니다.

운동 에너지는 운동 에너지입니다. 운동 에너지는 다른 신체와 상호 작용하지 않는 신체가 소유할 수 있습니다.

물체는 위치 에너지와 운동 에너지를 동시에 가질 수 있습니다. 예를 들어, 지구의 인공위성은 움직이기 때문에 운동 에너지를 갖고 중력에 의해 지구와 상호 작용하기 때문에 위치 에너지를 갖습니다. 떨어지는 무게는 또한 운동 에너지와 위치 에너지를 모두 가지고 있습니다.

이제 신체의 변화뿐만 아니라 주어진 상태에서 신체가 갖는 에너지를 계산하는 방법을 살펴보겠습니다. 이를 위해 신체 또는 신체 시스템의 다양한 상태에서 하나의 특정 상태를 선택하고 다른 모든 상태를 비교할 필요가 있습니다.

이 상태를 "제로 상태"라고 합시다. 그러면 어떤 상태에서든 신체의 에너지는 수행된 작업과 동일할 것입니다.

이 상태에서 총알 상태로 전환할 때. (제로 상태에서 몸의 에너지는 총알과 같다는 것은 명백하다.) 중력과 탄성력이 한 일은 몸의 궤적에 의존하지 않는다는 것을 상기하라. 시작 및 종료 위치에만 의존합니다. 마찬가지로 몸의 속도가 변할 때 하는 일은 몸의 초기 속도와 끝 속도에만 의존한다.

신체의 어떤 상태를 0으로 선택하는지는 중요하지 않습니다. 그러나 어떤 경우에는 0 상태의 선택 자체가 제안됩니다. 예를 들어, 탄성 변형된 스프링의 위치 에너지에 관해서는 변형되지 않은 스프링이 0 상태에 있다고 가정하는 것이 당연합니다. 변형되지 않은 스프링의 에너지는 0입니다. 그러면 변형된 용수철의 위치 에너지는 이 용수철이 한 일과 같게 되어 변형되지 않은 상태가 됩니다. 움직이는 물체의 운동 에너지에 관심이 있을 때 물체의 속도가 0인 상태를 0으로 간주하는 것은 당연합니다. 움직이는 물체가 완전히 멈출 때까지 했을 일을 계산하면 움직이는 물체의 운동 에너지를 얻습니다.

지구 위의 특정 높이로 올려진 신체의 위치 에너지에 관해서는 다른 문제입니다. 이 에너지는 물론 신체의 높이에 따라 다릅니다. 그러나 0 상태, 즉 높이를 측정해야 하는 신체의 위치에 대한 "자연스러운" 선택은 없습니다. 방 바닥, 해수면, 광산 바닥 등에 있을 때 신체의 상태를 0으로 선택할 수 있습니다. 다른 높이에서 신체의 에너지를 결정할 때만 이를 계산하는 데 필요합니다. 높이가 0으로 가정되는 동일한 레벨에서의 높이. 그러면 주어진 높이에서 신체의 위치 에너지 값은 신체가 이 높이에서 0 레벨까지 지날 때 수행했을 작업과 같습니다.

제로 상태의 선택에 따라 같은 몸의 에너지가 다른 값을 갖는다는 것이 밝혀졌습니다! 이것은 문제가 되지 않습니다. 실제로 신체가 한 일을 계산하려면 에너지의 변화, 즉 두 에너지 값의 차이를 알아야합니다. 그리고 이 차이는 제로 레벨의 선택에 어떤 식으로든 의존하지 않습니다. 예를 들어, 한 산의 정상이 다른 산보다 얼마나 높은지 결정하기 위해 각 산의 높이를 측정한 위치는 차이가 없습니다. 동일한 높이(예: 해수면)에서 측정하는 것이 중요합니다.

물체의 운동 에너지와 위치 에너지의 변화는 항상 이러한 물체에 작용하는 힘이 한 일의 절대값과 같습니다. 그러나 두 유형의 에너지 사이에는 중요한 차이가 있습니다. 힘이 작용할 때 신체의 운동 에너지의 변화는 이 힘이 한 일과 실제로 동일합니다. 즉, 절대값과 부호 모두에서 일치합니다. 이것은 에 대한 정리에서 직접 따릅니다.

운동 에너지(§ 76 참조). 신체의 위치 에너지의 변화는 상호 작용의 힘에 의해 한 일과 절대 값에서만 동일하며 부호에서는 반대입니다. 실제로 중력이 작용하는 몸이 아래로 내려가면 긍정적인 일을 하고 몸의 포텐셜 에너지가 감소한다. 변형된 스프링에도 동일하게 적용됩니다. 늘어난 스프링이 수축할 때 탄성력이 양의 역할을 하고 스프링의 위치 에너지가 감소합니다. 수량의 변화는 이 수량의 이후 값과 이전 값 사이의 차이임을 기억하십시오. 따라서 어떤 양의 변화가 그것이 증가한다는 사실로 구성되면 이 변화는 양의 부호를 갖습니다. 반대로 값이 감소하면 그 변화는 음수입니다.

운동 # 54

1. 어떤 경우에 신체에 위치 에너지가 있습니까?

2. 어떤 경우에 신체에 운동 에너지가 있습니까?

3. 자유낙하하는 물체의 에너지는?

4. 중력에 의해 작용하는 물체의 위치 에너지는 아래로 이동하는 동안 어떻게 변합니까?

5. 탄성력이나 중력에 의해 작용하는 물체의 위치 에너지는 어떤 궤적을 따라 물체가 시작점으로 돌아간다면 어떻게 변합니까?

6. 용수철이 하는 일은 위치 에너지의 변화와 어떻게 관련되어 있습니까?

7. 변형되지 않은 스프링이 늘어날 때 스프링의 위치 에너지는 어떻게 변합니까? 그들이 짜내고 있습니까?

8. 볼이 스프링에 매달려 진동합니다. 스프링이 위아래로 움직일 때 스프링의 위치 에너지는 어떻게 변합니까?

몸의 연결고리를 움직이는 근육은 기계적인 일을 합니다.

일하다어떤 방향으로 - 이것은 신체가 이동한 경로에 의해 신체의 이동 방향으로 작용하는 힘(F)의 곱입니다.(S): A = F S.

일을 하려면 에너지가 필요합니다. 결과적으로 작업이 완료되면 시스템의 에너지가 감소합니다. 작업을 완료하려면 에너지 공급이 필요하므로 후자는 다음과 같이 결정할 수 있습니다. 에너지 – 그것은 작업을 수행할 수 있는 기회이며, 성능을 위해 기계 시스템에서 사용할 수 있는 "자원"의 특정 척도입니다.... 또한 에너지는 한 유형의 운동에서 다른 유형의 운동으로의 전환을 측정합니다.

생체 역학은 다음과 같은 주요 사항을 고려합니다. 에너지의 종류:

인체의 기계 시스템 요소의 상대적 위치에 따른 잠재력;

운동 병진 운동;

운동 회전 운동;

시스템 요소의 잠재적 변형;

열의;

프로세스를 교환합니다.

생체 역학 시스템의 총 에너지는 나열된 모든 유형의 에너지의 합과 같습니다.

몸을 들어 올리고 스프링을 압축하면 차후 사용할 수 있는 잠재력의 형태로 에너지를 축적할 수 있습니다. 위치 에너지는 항상 한 몸체에서 다른 몸체로 작용하는 하나 또는 다른 힘과 관련됩니다. 예를 들어, 지구는 낙하하는 물체에 중력에 의해 작용하고, 압축된 스프링(공에는, 늘어난 현)은 화살에 작용합니다.

잠재력 – 이것은 다른 신체와 관련된 위치 또는 한 신체 부분의 상호 배열로 인해 신체가 소유하는 에너지입니다..

따라서 중력과 탄성력은 잠재적입니다.

중력 위치 에너지:Еп = m g h

여기서 k는 스프링의 강성입니다. x는 변형입니다.

에너지는 나중에 사용하기 위해 위치 에너지(몸을 들어 올리거나 스프링을 압축)의 형태로 축적될 수 있다는 것을 주어진 예에서 알 수 있습니다.

생체 역학에서는 두 가지 유형의 위치 에너지가 고려되고 고려됩니다. 지구 표면에 대한 신체 연결의 상호 배열로 인해(중력 위치 에너지) 생체 역학 시스템 요소(뼈, 근육, 인대) 또는 외부 물체(스포츠 장비, 장비)의 탄성 변형과 관련됩니다.

운동 에너지움직일 때 몸에 저장됩니다. 움직이는 물체는 손실로 인해 작업을 수행합니다. 신체와 인체의 링크는 병진 및 회전 운동을 수행하므로 총 운동 에너지(Ek)는 다음과 같습니다. , 여기서 m은 질량, V는 선형 속도, J는 시스템의 관성 모멘트, ω는 각속도입니다.

에너지는 근육의 대사 대사 과정으로 인해 생체 역학 시스템에 들어갑니다. 작업이 수행되는 결과 에너지의 변화는 생체 역학 시스템에서 매우 효율적인 과정이 아닙니다. 즉, 모든 에너지가 유용한 작업으로 변환되는 것은 아닙니다. 에너지의 일부는 비가역적으로 손실되어 열로 변합니다. 25%만 작업에 사용되고 나머지 75%는 변환되어 체내에서 발산됩니다.

생체 역학 시스템의 경우 기계적 운동 에너지 보존 법칙이 다음과 같은 형식으로 적용됩니다.

Epol = Ek + Epot + U,

여기서 Epol은 시스템의 총 기계적 에너지입니다. Ek는 시스템의 운동 에너지입니다. Epot은 시스템의 잠재적 에너지입니다. U는 주로 열 에너지를 나타내는 시스템의 내부 에너지입니다.

생체 역학 시스템의 기계적 움직임의 총 에너지는 인체의 대사 반응과 외부 환경의 기계적 에너지(스포츠 장비, 장비, 지지 표면의 변형 요소, 접촉 상호 작용 중 상대)의 두 가지 에너지원을 기반으로 합니다. . 이 에너지는 외부 힘을 통해 전달됩니다.

생체 역학 시스템에서 에너지 생산의 특징은 운동하는 동안 에너지의 한 부분이 필요한 운동 활동을 수행하는 데 사용되고, 다른 부분은 저장된 에너지의 비가역적으로 소산되며, 세 번째는 저장되어 후속 운동 중에 사용된다는 것입니다. 운동 중에 소비되는 에너지와 그 동안 수행되는 기계적 작업을 계산할 때 인체는 해부학 적 구조와 유사한 다중 링크 생체 역학 시스템 모델의 형태로 표현됩니다. 개별 링크의 움직임과 몸 전체의 움직임은 병진 운동과 회전 운동의 두 가지 단순한 유형의 운동 형태로 고려됩니다.

일부 i번째 링크(Epol)의 총 기계적 에너지는 위치(Epot)와 운동 에너지(Ek)의 합으로 계산할 수 있습니다. 차례로, Ek는 링크의 전체 질량이 집중된 링크의 질량 중심(Ec.cm)의 운동 에너지와 링크의 상대 회전 운동 에너지의 합으로 나타낼 수 있습니다. 질량 중심(Ec.cc).

링크 운동의 운동학이 알려져 있는 경우 전체 링크 에너지에 대한 이 일반 표현식은 다음과 같은 형식을 갖습니다. 여기서 mi는 i번째 링크의 질량입니다. ĝ - 자유 낙하 가속도; hi - 어떤 0 레벨 위의 질량 중심의 높이(예를 들어, 주어진 장소에서 지구 표면 위); - 질량 중심의 병진 운동 속도; Ji - 질량 중심을 통과하는 순간 회전 축에 대한 i 번째 링크의 관성 모멘트. ω는 순간 축을 중심으로 한 순간 회전 각속도입니다.

순간 t1에서 순간 t2까지의 작동 시간 동안 링크의 총 기계적 에너지(Аi)를 변경하는 작업은 최종(Ep(t2))와 초기(Ep)에서의 에너지 값의 차이와 같습니다 (t1)) 운동 모멘트:

당연히이 경우 작업은 링크의 위치 및 운동 에너지를 변경하는 데 사용됩니다.

일의 양이 Аi> 0, 즉 에너지가 증가하면 링크에 긍정적 인 작업이 수행되었다고 말합니다. 만약 아이가< 0, то есть энергия звена уменьшилась, - отрицательная работа.

주어진 링크의 에너지를 변경하는 작업 모드는 근육이 링크에서 긍정적인 작업을 수행하는 경우 극복이라고 합니다. 근육이 링크에서 부정적인 작용을 하면 열등합니다.

포지티브 워크는 근육이 외부 하중에 대해 수축하고 신체, 신체 전체, 스포츠 장비 등의 링크를 가속할 때 수행됩니다. 근육이 외부 힘의 작용으로 인해 스트레칭에 저항하는 경우 네거티브 작업이 수행됩니다. 이것은 하중을 낮추거나 사다리를 내리거나 근력을 초과하는 힘을 반대할 때 발생합니다(예: 팔씨름).

긍정적인 근육 운동과 부정적인 근육 운동의 비율에 대한 흥미로운 사실이 발견되었습니다. 부정적인 근육 운동은 긍정적인 것보다 더 경제적입니다. 네거티브 작업의 사전 실행은 다음 포지티브 작업의 크기와 효율성을 높입니다.

인체의 움직임 속도가 빠를수록 (트랙 및 필드 달리기, 아이스 스케이팅, 크로스 컨트리 스키 등) 유용한 결과가 아닌 공간에서 몸을 움직이는 데 더 많은 작업이 소요됩니다. GCM과 관련된 링크. 따라서 고속 모드에서는 속도가 증가함에 따라 바디 링크의 가속도가 급격히 증가하기 때문에 주요 작업은 바디 링크의 가속 및 감속에 소비됩니다.

모든 시스템의 특성 중 하나는 운동 에너지와 위치 에너지입니다. 어떤 힘 F가 정지해 있는 물체에 작용하여 후자가 움직이기 시작하면 일 dA가 수행됩니다. 이 경우 운동 에너지 dT의 값이 높을수록 더 많은 작업이 수행됩니다. 즉, 평등을 작성할 수 있습니다.

몸체가 가로지르는 경로 dR과 전개된 속도 dV를 고려하여 힘에 두 번째 경로를 사용합니다.

중요한 점: 이 법칙은 관성 좌표계를 사용하는 경우 사용할 수 있습니다. 시스템의 선택은 에너지 가치에 영향을 미칩니다. 국제 용어로 에너지는 줄(줄)로 측정됩니다.

운동 속도 V와 질량 m을 특징으로 하는 입자 또는 물체는 다음과 같습니다.

T = ((V * V) * m) / 2

운동 에너지는 실제로 운동의 함수인 속도와 질량에 의해 결정된다는 결론을 내릴 수 있습니다.

운동 에너지와 잠재적 에너지는 신체의 상태를 설명합니다. 이미 언급했듯이 첫 번째가 모션과 직접 관련되어 있다면 두 번째는 상호 작용하는 신체 시스템에 적용됩니다. 동역학적이며 일반적으로 몸체를 묶는 힘이 의존하지 않는 경우의 예로 고려되며 이 경우 초기 및 최종 위치만 중요합니다. 가장 유명한 예는 중력 상호 작용입니다. 그러나 궤적도 중요하다면 힘은 소산(마찰)입니다.

간단히 말해서, 위치 에너지는 일을 할 수 있는 능력입니다. 따라서 이 에너지는 신체를 한 지점에서 다른 지점으로 이동하기 위해 수행해야 하는 작업의 형태로 간주될 수 있습니다. 그건:

위치 에너지가 dP로 표시되면 다음을 얻습니다.

음수 값은 dP 감소로 인해 작업이 수행되고 있음을 나타냅니다. 알려진 함수 dP에 대해 힘 F의 계수뿐만 아니라 방향의 벡터도 결정할 수 있습니다.

운동 에너지의 변화는 항상 전위와 관련이 있습니다. 시스템을 기억하면 이해하기 쉽습니다. 몸을 움직일 때 T + dP의 총 값은 항상 변경되지 않습니다. 따라서 T의 변화는 항상 dP의 변화와 병행하여 일어나며 서로에게 흘러들어가 변형되는 것처럼 보인다.

운동 에너지와 위치 에너지는 서로 연결되어 있으므로, 그 합은 고려 중인 시스템의 총 에너지입니다. 분자와 관련하여 최소한 열 운동과 상호 작용이 있는 한 항상 존재하고 있습니다.

계산을 수행할 때 기준 시스템과 초기 것으로 취한 임의의 모멘트가 선택됩니다. 작업을 수행 할 때 입자 또는 물체의 이동 궤적에 의존하지 않는 힘의 작용 영역에서만 위치 에너지의 값을 정확하게 결정할 수 있습니다. 물리학에서는 이러한 힘을 보수적이라고 합니다. 그들은 항상 총 에너지 보존 법칙과 상호 연결되어 있습니다.

흥미로운 점: 외부 영향이 최소화되거나 평준화된 상황에서 연구된 시스템은 위치 에너지가 0이 되는 경향이 있을 때 항상 그러한 상태가 되는 경향이 있습니다. 예를 들어, 던진 공은 궤적의 정점에서 위치 에너지의 한계에 도달하지만 동시에 아래쪽으로 움직이기 시작하여 축적된 에너지를 운동으로 변환하여 수행 중인 작업으로 전환합니다. 위치 에너지의 경우 항상 적어도 두 개의 몸체의 상호 작용이 있다는 점에 다시 한 번 주목할 가치가 있습니다. 예를 들어 공이 있는 예에서는 행성의 중력에 의해 영향을 받습니다. 운동 에너지는 각 움직이는 물체에 대해 개별적으로 계산할 수 있습니다.

그리스어로 번역 된 "에너지"라는 단어는 "행동"을 의미합니다. 우리는 다양한 행동을 하면서 활발하게 움직이는 활기찬 사람이라고 부릅니다.

물리학의 에너지

그리고 삶에서 사람의 에너지를 주로 그의 활동의 결과로 평가할 수 있다면 물리학에서 에너지는 다양한 방식으로 측정되고 연구될 수 있습니다. 당신의 쾌활한 친구나 이웃은 그의 에너지 현상을 조사해야 한다는 생각이 갑자기 떠오를 때 같은 행동을 30~50번 반복하기를 거부할 것입니다.

그러나 물리학에서는 거의 모든 실험을 원하는 만큼 반복할 수 있으므로 필요한 연구를 수행할 수 있습니다. 에너지 연구도 마찬가지입니다. 연구 과학자들은 물리학에서 많은 유형의 에너지를 연구하고 확인했습니다. 이들은 전기, 자기, 원자 에너지 등입니다. 그러나 이제 우리는 기계적 에너지에 대해 이야기 할 것입니다. 그리고 더 구체적으로 운동 및 위치 에너지에 대해.

운동 및 위치 에너지

역학에서는 신체의 움직임과 상호 작용을 연구합니다. 따라서 두 가지 유형의 기계적 에너지, 즉 물체의 움직임으로 인한 에너지 또는 운동 에너지와 물체의 상호 작용으로 인한 에너지 또는 위치 에너지를 구별하는 것이 일반적입니다.

물리학에는 에너지와 일을 연결하는 일반적인 규칙이 있습니다. 몸의 에너지를 찾으려면 몸을 0에서 주어진 상태, 즉 에너지가 0과 같은 상태로 옮기는 데 필요한 일을 찾아야합니다.

잠재력

물리학에서 위치 에너지는 에너지라고 하며, 이는 상호 작용하는 신체 또는 같은 신체의 부분 간의 상호 위치에 의해 결정됩니다. 즉, 몸이 땅 위로 올라가면 넘어지고 일을 할 수 있는 능력이 있습니다.

그리고 이 작업의 가능한 양은 높이 h에서 신체의 위치 에너지와 같습니다. 위치 에너지의 경우 공식은 다음 계획에 따라 결정됩니다.

A = Fs = Ft * h = mgh, 또는 Ep = mgh,

여기서 Ep는 신체의 잠재적 에너지이고,
m 체중,
h -지면 위의 신체 높이,
g 중력 가속도.

또한 지구 표면뿐만 아니라 수행되는 실험 및 측정 조건에 따라 신체의 영점 위치에 대해 우리에게 편리한 모든 위치를 취할 수 있습니다. 이것은 바닥, 테이블 등의 표면이 될 수 있습니다.

운동 에너지

몸이 힘의 영향을 받아 움직일 때, 그것은 할 수 있을 뿐만 아니라 어떤 일을 한다. 물리학에서 운동 에너지는 운동으로 인해 신체가 보유하는 에너지입니다. 몸은 움직이며 에너지를 소비하고 일을 합니다. 운동 에너지의 경우 공식은 다음과 같이 계산됩니다.

A = Fs = mas = m * v / t * vt / 2 = (mv ^ 2) / 2 또는 Eк = (mv ^ 2) / 2,

여기서 Eк는 신체의 운동 에너지이고,
m 체중,
v 신체 속도.

공식은 신체의 질량과 속도가 클수록 운동 에너지가 높다는 것을 보여줍니다.

각 몸체는 운동 에너지나 위치 에너지, 또는 예를 들어 비행하는 비행기와 같이 동시에 둘 다 있습니다.