Care este energia mecanică a vaporilor, potențială sau cinetică. Energia potențială și cinetică. Legea conservării energiei mecanice

În paragraful anterior, s-a constatat că atunci când corpurile interacționează între ele prin forță elastică sau gravitație funcționează, atunci poziția relativă a corpurilor sau a părților lor se schimbă. Și când lucrarea este făcută de un corp în mișcare, atunci viteza acestuia se schimbă. Dar când lucrarea este terminată, energia corpurilor se schimbă. Prin urmare, putem concluziona că energia corpurilor care interacționează prin forța elasticității sau prin forța gravitațională depinde de poziția relativă a acestor corpuri sau a părților lor. Energia unui corp în mișcare depinde de viteza acestuia.

Energia corpurilor, pe care o posedă ca urmare a interacțiunii între ele, se numește energie potențială. Energia corpurilor, pe care o posedă datorită mișcării lor, se numește energie cinetică.

În consecință, energia pe care o posedă Pământul și corpul situat în apropierea acestuia este energia potențială a sistemului Pământ-corp. Pentru scurtitate, se obișnuiește să spunem că această energie este posedată de corpul însuși, care este aproape de suprafața Pământului.

Energia unui arc deformat este, de asemenea, energie potențială. Este determinat de poziția relativă a bobinelor arcului.

Energia cinetică este energia mișcării. Energia cinetică poate fi posedată de un corp care nu interacționează cu alte corpuri.

Corpurile pot avea atât energie potențială, cât și energie cinetică în același timp. De exemplu, un satelit artificial al Pământului are energie cinetică pentru că se mișcă și energie potențială deoarece interacționează cu Pământul prin forța gravitațională. Greutatea în scădere are, de asemenea, atât energie cinetică, cât și energie potențială.

Acum să vedem cum puteți calcula energia pe care o are un corp într-o stare dată și nu doar schimbarea sa. În acest scop, este necesar să selectați o stare specifică din diferite stări ale corpului sau ale sistemului de corpuri, cu care toate celelalte vor fi comparate.

Să numim această stare „starea zero”. Atunci energia corpurilor din orice stare va fi egală cu munca depusă

la trecerea de la această stare la starea glonț. (Evident, în starea zero, energia corpului este egală cu un glonț.) Amintiți-vă că lucrarea efectuată de forța gravitației și forța elasticității nu depinde de traiectoria corpului. Depinde doar de pozițiile sale inițiale și finale. În același mod, munca depusă atunci când viteza corpului se schimbă depinde doar de viteza inițială și finală a corpului.

Nu are nicio diferență ce stare a corpurilor să aleagă ca zero. Dar, în unele cazuri, alegerea stării zero sugerează ea însăși. De exemplu, când vine vorba de energia potențială a unui arc deformat elastic, este firesc să presupunem că un arc nedefinit este în stare zero. Energia unui arc neformat este zero. Apoi, energia potențială a arcului deformat va fi egală cu munca pe care ar fi făcut-o acest arc, trecând într-o stare nedeformată. Când suntem interesați de energia cinetică a unui corp în mișcare, este firesc să luăm pentru zero starea corpului în care viteza sa este egală cu zero. Obținem energia cinetică a unui corp în mișcare dacă calculăm munca pe care ar fi făcut-o mutându-se într-un punct complet.

Este o chestiune diferită când vine vorba de energia potențială a unui corp ridicat la o anumită înălțime deasupra Pământului. Această energie depinde, desigur, de înălțimea corpului. Dar nu există o alegere „naturală” a stării zero, adică a poziției corpului de la care ar trebui măsurată înălțimea sa. Puteți alege pentru zero starea corpului atunci când acesta se află pe podeaua camerei, la nivelul mării, la partea de jos a minei etc. Este necesar doar pentru determinarea energiei unui corp la diferite înălțimi pentru a le număra înălțimi de la același nivel, a cărui înălțime este presupusă a fi zero. Atunci valoarea energiei potențiale a corpului la o înălțime dată va fi egală cu munca care s-ar fi făcut atunci când corpul a trecut de la această înălțime la nivelul zero.

Se pare că, în funcție de alegerea stării zero, energia aceluiași corp are valori diferite! Aceasta nu este nicio problemă. Într-adevăr, pentru a calcula munca depusă de corp, trebuie să cunoaștem schimbarea energiei, adică diferența dintre cele două valori ale energiei. Și această diferență nu depinde în niciun fel de alegerea nivelului zero. De exemplu, pentru a determina cât de sus este un vârf al unui munte decât altul, nu are nicio diferență de unde se măsoară înălțimea fiecărui vârf. Este important doar să se măsoare de la același nivel (de exemplu, de la nivelul mării).

Schimbarea atât a energiei cinetice, cât și a energiei potențiale a corpurilor este întotdeauna egală în valoare absolută cu munca depusă de forțele care acționează asupra acestor corpuri. Dar există o diferență importantă între ambele tipuri de energie. Schimbarea energiei cinetice a unui corp sub acțiunea unei forțe asupra acestuia este cu adevărat egală cu munca efectuată de această forță, adică coincide cu ea atât în ​​valoare absolută, cât și în semn. Acest lucru rezultă direct din teorema de mai sus

energie cinetică (vezi § 76). Schimbarea energiei potențiale a corpurilor este egală cu munca depusă de forțele de interacțiune, doar în valoare absolută, iar în semn este opusă acesteia. Într-adevăr, atunci când corpul, asupra căruia acționează forța gravitațională, se deplasează în jos, se lucrează pozitiv și energia potențială a corpului scade. Același lucru este valabil și pentru un arc deformat: când arcul întins se contractă, forța elastică funcționează pozitiv, iar energia potențială a arcului scade. Amintiți-vă că o modificare a unei cantități este diferența dintre valoarea ulterioară și precedentă a acestei cantități. Prin urmare, atunci când o modificare a oricărei cantități constă în faptul că aceasta crește, această modificare are un semn pozitiv. În schimb, dacă valoarea scade, schimbarea acesteia este negativă.

Exercițiul nr. 54

1. În ce cazuri corpul are energie potențială?

2. În ce cazuri are corpul energie cinetică?

3. Ce energie are un corp care cade liber?

4. Cum se schimbă energia potențială a unui corp, care este acționată de forța gravitației, în timpul mișcării sale descendente?

5. Cum se va schimba energia potențială a unui corp, care este acționată de forța elasticității sau forța gravitațională, dacă, în urma oricărei traiectorii, corpul revine la punctul său de plecare?

6. Cum este legată munca depusă de arc cu o schimbare a energiei sale potențiale?

7. Cum se schimbă energia potențială a unui arc atunci când un arc neformat este întins? Se stoarce?

8. Mingea este suspendată de arc și vibrează. Cum se schimbă energia potențială a arcului pe măsură ce se deplasează în sus și în jos?

Mușchii care pun legăturile corpului în mișcare fac lucrări mecanice.

Muncăîntr-o anumită direcție - acesta este produsul forței (F) care acționează în direcția mișcării corpului pe calea parcursă de acesta(S): A = F S.

A face muncă necesită energie. În consecință, pe măsură ce se lucrează, energia din sistem scade. Deoarece pentru ca lucrările să fie finalizate, este necesară o alimentare cu energie, aceasta din urmă poate fi determinată după cum urmează: Energie – este o oportunitate de a face o treabă, este o anumită măsură a „resursei” disponibile într-un sistem mecanic pentru performanța sa... În plus, energia este o măsură a tranziției de la un tip de mișcare la altul.

Biomecanica are în vedere următoarele elemente principale tipuri de energie:

Potențial, în funcție de poziția relativă a elementelor sistemului mecanic al corpului uman;

Mișcare de translație cinetică;

Mișcare de rotație cinetică;

Deformarea potențială a elementelor sistemului;

Termic;

Procese de schimb.

Energia totală a sistemului biomecanic este egală cu suma tuturor tipurilor de energie enumerate.

Ridicând corpul, comprimând arcul, se poate acumula energie sub forma unui potențial pentru utilizarea sa ulterioară. Energia potențială este întotdeauna asociată cu una sau alta forță care acționează de la un corp la altul. De exemplu, Pământul acționează prin gravitație asupra unui obiect care cade, un arc comprimat - pe o minge, o coardă de arc întinsă - pe o săgeată.

Energie potențială – aceasta este energia pe care o posedă un corp datorită poziției sale în raport cu alte corpuri sau datorită aranjării reciproce a părților unui corp.

Prin urmare, forța gravitațională și forța elastică sunt potențiale.

Energia potențială gravitațională:Еп = m g h

Unde k este rigiditatea arcului; x este deformarea sa.

Din exemplele date, se poate observa că energia poate fi acumulată sub formă de energie potențială (ridicați un corp, comprimați un arc) pentru o utilizare ulterioară.

În biomecanică, sunt luate în considerare și luate în considerare două tipuri de energie potențială: datorită aranjării reciproce a legăturilor corpului cu suprafața Pământului (energia potențială gravitațională); asociat cu deformarea elastică a elementelor sistemului biomecanic (oase, mușchi, ligamente) sau a oricăror obiecte externe (echipament sportiv, echipament).

Energie kinetică depozitat în corp la mișcare. Un corp în mișcare efectuează munca datorită pierderii sale. Deoarece legăturile corpului și corpului uman efectuează mișcări de translație și rotație, energia cinetică totală (Ek) va fi egală cu: , unde m este masa, V este viteza liniară, J este momentul de inerție al sistemului, ω este viteza unghiulară.

Energia intră în sistemul biomecanic datorită proceselor metabolice metabolice din mușchi. Schimbarea energiei, în urma căreia se lucrează, nu este un proces extrem de eficient într-un sistem biomecanic, adică nu toată energia este convertită în muncă utilă. O parte din energie se pierde ireversibil, transformându-se în căldură: doar 25% este folosit pentru a lucra, restul de 75% este transformat și disipat în corp.

Pentru un sistem biomecanic, legea conservării energiei mișcării mecanice se aplică sub forma:

Epol = Ek + Epot + U,

unde Epol este energia mecanică totală a sistemului; Ek este energia cinetică a sistemului; Epot este energia potențială a sistemului; U este energia internă a sistemului, care este în principal energie termică.

Energia totală a mișcării mecanice a sistemului biomecanic se bazează pe următoarele două surse de energie: reacții metabolice în corpul uman și energia mecanică a mediului extern (elemente deformante ale echipamentelor sportive, echipamentelor, suprafețelor de susținere; adversarii în timpul contactului interacțiuni). Această energie este transmisă prin forțe externe.

O caracteristică a producției de energie într-un sistem biomecanic este că o parte a energiei în timpul mișcării este cheltuită pentru efectuarea acțiunii motorii necesare, cealaltă merge pe disiparea ireversibilă a energiei stocate, a treia este stocată și utilizată în timpul mișcării ulterioare. La calcularea energiei cheltuite în timpul mișcărilor și a muncii mecanice efectuate în acest timp, corpul uman este reprezentat ca un model al unui sistem biomecanic cu mai multe legături, similar cu structura anatomică. Mișcările unei legături individuale și mișcarea corpului în ansamblu sunt considerate sub forma a două tipuri mai simple de mișcare: translațională și rotațională.

Energia mecanică totală a unei i-a legături (Epol) poate fi calculată ca suma potențialului (Epot) și a energiei cinetice (Ek). La rândul său, Ek poate fi reprezentat ca suma energiei cinetice a centrului de masă al legăturii (Ec.cm), în care este concentrată întreaga masă a legăturii și energia cinetică de rotație a legăturii în raport cu centrul de masă (Ec.cc).

Dacă se cunoaște cinematica mișcării legăturii, această expresie generală pentru energia totală a legăturii va avea forma :, unde mi este masa legăturii i-a; ĝ - accelerarea căderii libere; hi - înălțimea centrului de masă peste un nivel zero (de exemplu, deasupra suprafeței Pământului la un loc dat); - viteza mișcării de translație a centrului de masă; Ji - momentul de inerție al legăturii i în raport cu axa instantanee de rotație care trece prin centrul de masă; ω este viteza unghiulară instantanee de rotație în jurul axei instantanee.

Lucrarea la schimbarea energiei mecanice totale a legăturii (Аi) în timpul funcționării din momentul t1 până în momentul t2 este egală cu diferența dintre valorile energetice la final (Ep (t2)) și inițial (Ep (t1)) momente de mișcare:

Bineînțeles, în acest caz, munca este cheltuită pentru schimbarea potențialului și a energiei cinetice a legăturii.

Dacă cantitatea de muncă Аi> 0, adică energia a crescut, atunci se spune că s-a lucrat pozitiv la legătură. Dacă Аi< 0, то есть энергия звена уменьшилась, - отрицательная работа.

Modul de lucru pentru schimbarea energiei unei legături date se numește depășire dacă mușchii lucrează pozitiv la legătură; inferior dacă mușchii lucrează negativ la legătură.

Munca pozitivă se face atunci când un mușchi se contractă împotriva unei sarcini externe, merge pentru a accelera legăturile corpului, a corpului în ansamblu, a echipamentului sportiv etc. Se lucrează negativ dacă mușchii rezistă la întindere datorită acțiunii forțelor externe. Acest lucru se întâmplă atunci când coborâți o sarcină, coborâți o scară sau opuneți o forță care depășește forța musculară (de exemplu, în lupta cu brațele).

S-au observat fapte interesante despre raportul muncii musculare pozitive și negative: munca musculară negativă este mai economică decât pozitivă; executarea preliminară a lucrărilor negative crește dimensiunea și eficiența următoarei lucrări pozitive.

Cu cât este mai mare viteza de mișcare a corpului uman (în timpul alergării pe teren, patinaj, schi fond etc.), cu atât se lucrează mai mult nu pentru un rezultat util - mutarea corpului în spațiu, ci pentru deplasarea legături relative la GCM. Prin urmare, la modurile de viteză mare, lucrarea principală este cheltuită pe accelerarea și decelerarea legăturilor corpului, deoarece odată cu creșterea vitezei, accelerația legăturilor corpului crește brusc.

Una dintre caracteristicile oricărui sistem este energia sa cinetică și potențială. Dacă vreo forță F acționează asupra unui corp în repaus în așa fel încât acesta din urmă începe să se miște, atunci se execută dA. În acest caz, valoarea energiei cinetice dT devine cu atât mai mare, cu cât se lucrează mai mult. Cu alte cuvinte, puteți scrie egalitate:

Luând în considerare calea dR parcursă de corp și viteza dezvoltată dV, o vom folosi pe a doua pentru forță:

Un punct important: această lege poate fi utilizată dacă se ia un cadru de referință inerțial. Alegerea sistemului afectează valoarea energetică. În termeni internaționali, energia este măsurată în jouli (jouli).

Rezultă că o particulă sau un corp caracterizat printr-o viteză de mișcare V și masa m va fi:

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

Se poate concluziona că energia cinetică este determinată de viteză și masă, fiind de fapt o funcție a mișcării.

Energia cinetică și potențială vă permite să descrieți starea corpului. Dacă primul, așa cum sa menționat deja, este direct legat de mișcare, atunci al doilea se aplică unui sistem de corpuri care interacționează. Este cinetic și este de obicei luat în considerare pentru exemple atunci când forța care leagă corpurile nu depinde.În acest caz, sunt importante doar pozițiile inițiale și finale. Cel mai faimos exemplu este interacțiunea gravitațională. Dar dacă și traiectoria este importantă, atunci forța este disipativă (frecare).

În termeni simpli, energia potențială este abilitatea de a lucra. În consecință, această energie poate fi luată în considerare sub forma muncii care trebuie făcută pentru a muta un corp dintr-un punct în altul. Adică:

Dacă energia potențială este notată ca dP, atunci obținem:

O valoare negativă indică faptul că se lucrează din cauza scăderii dP. Pentru funcția cunoscută dP, este posibil să se determine nu numai modulul forței F, ci și vectorul direcției sale.

Schimbarea energiei cinetice este întotdeauna asociată cu potențialul. Acest lucru este ușor de înțeles dacă vă amintiți sistemele. Valoarea totală a T + dP la mișcarea corpului rămâne întotdeauna neschimbată. Astfel, schimbarea în T are loc întotdeauna în paralel cu schimbarea în dP, ele par să curgă una în cealaltă, transformându-se.

Deoarece energiile cinetice și potențiale sunt interconectate, suma lor este energia totală a sistemului în cauză. În raport cu moleculele, este și este întotdeauna prezent, atâta timp cât există cel puțin mișcare termică și interacțiune.

La efectuarea calculelor, se selectează un sistem de referință și orice moment arbitrar luat ca inițial. Este posibil să se determine cu exactitate valoarea energiei potențiale numai în zona de acțiune a unor astfel de forțe care, atunci când efectuează lucrări, nu depind de traiectoria mișcării oricărei particule sau corpuri. În fizică, astfel de forțe sunt numite conservatoare. Ele sunt întotdeauna interconectate cu legea conservării energiei totale.

Un punct interesant: într-o situație în care influențele externe sunt minime sau nivelate, orice sistem studiat tinde întotdeauna spre o astfel de stare atunci când energia sa potențială tinde la zero. De exemplu, o minge aruncată atinge limita energiei sale potențiale în punctul de sus al traiectoriei, dar în același moment începe să se miște în jos, transformând energia acumulată în mișcare, în munca efectuată. Este demn de remarcat încă o dată că pentru energia potențială există întotdeauna o interacțiune de cel puțin două corpuri: de exemplu, în exemplul cu o minge, este influențată de gravitația planetei. Energia cinetică poate fi calculată individual pentru fiecare corp în mișcare.

Cuvântul „energie” în traducere din limba greacă înseamnă „acțiune”. Numim energic o persoană care se mișcă activ, în timp ce efectuează multe acțiuni diferite.

Energia în fizică

Și dacă în viață putem evalua energia unei persoane în principal prin consecințele activităților sale, atunci în fizică, energia poate fi măsurată și studiată în multe moduri diferite. Prietenul sau vecinul tău vesel, cel mai probabil, va refuza să repete aceeași acțiune de treizeci până la cincizeci de ori, când dintr-o dată îți vine în minte să investighezi fenomenul energiei sale.

Dar în fizică, puteți repeta aproape orice experiment de câte ori doriți, făcând cercetările de care aveți nevoie. La fel și cu studiul energiei. Cercetătorii au studiat și identificat multe tipuri de energie în fizică. Acestea sunt energie electrică, magnetică, atomică și așa mai departe. Dar acum vom vorbi despre energia mecanică. Și mai precis despre energia cinetică și potențială.

Energia cinetică și potențială

În mecanică, este studiată mișcarea și interacțiunea corpurilor între ele. Prin urmare, se obișnuiește să se facă distincția între două tipuri de energie mecanică: energia datorată mișcării corpurilor sau energia cinetică și energia datorată interacțiunii corpurilor sau energia potențială.

În fizică, există o regulă generală care leagă energia și munca. Pentru a găsi energia unui corp, este necesar să găsiți o muncă necesară pentru a transfera corpul într-o stare dată de la zero, adică una în care energia sa este egală cu zero.

Energie potențială

În fizică, energia potențială se numește energie, care este determinată de poziția reciprocă a corpurilor care interacționează sau a părților aceluiași corp. Adică, dacă corpul este ridicat deasupra solului, atunci are capacitatea de a cădea și de a face niște lucrări.

Și cantitatea posibilă a acestei lucrări va fi egală cu energia potențială a corpului la înălțimea h. Pentru energia potențială, formula este determinată conform următoarei scheme:

A = Fs = Ft * h = mgh sau Ep = mgh,

unde Ep este energia potențială a corpului,
m greutate corporală,
h - înălțimea corpului deasupra solului,
g accelerația gravitației.

Mai mult, orice poziție convenabilă pentru noi poate fi luată pentru poziția zero a corpului, în funcție de condițiile experimentului și de măsurători, nu numai de suprafața Pământului. Aceasta poate fi suprafața unei podele, a unei mese și așa mai departe.

Energie kinetică

În cazul în care corpul se mișcă sub influența forței, nu numai că poate, ci și funcționează. În fizică, energia cinetică este energia pe care un corp o posedă datorită mișcării sale. Corpul, în mișcare, își consumă energia și funcționează. Pentru energia cinetică, formula se calculează după cum urmează:

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

unde Eк este energia cinetică a corpului,
m greutate corporală,
v viteza corpului.

Formula arată că, cu cât masa și viteza corpului sunt mai mari, cu atât energia cinetică este mai mare.

Fiecare corp are energie cinetică sau potențială sau ambele simultan, ca, de exemplu, un avion zburător.