Energia cinetică: formula, definiția. Cum să găsim energia cinetică a moleculei, mișcarea translațională, izvorul, corpul, molecula de gaz?

Experiența de zi cu zi arată că corpurile imobile pot fi în mișcare, iar cele mobile pot fi oprite. În mod constant facem ceva, lumea din jur se agită, soarele strălucește ... Dar unde o persoană, animale și natură în general au puterea de a face această lucrare? dispare dacă mișcare mecanică fără urmă? Se va muta un singur corp fără a schimba mișcarea celuilalt? Toate acestea vom spune în articolul nostru.

Conceptul de energie

Pentru activitatea motoarelor care dau trafic autoturismelor, tractoarelor, locomotivelor diesel, aeronavelor, aveți nevoie de combustibil, care este sursa de energie. Motoarele electrice oferă mișcării mașinilor unelte prin intermediul energiei electrice. Datorită energiei căderii apei de la o înălțime, hidroturbinele sunt activate, conectate la mașinile electrice care produc curent electric. Ființele omului au nevoie și de energie pentru a exista și a lucra. Ei spun că, pentru a efectua o muncă, este nevoie de energie. Ce este energia?

• Observație 1. Ridicați mingea deasupra solului. În timp ce se află într-o stare de liniște, munca mecanică nu se desfășoară. Lasă-l să plece. Sub influența gravitației, mingea se prăbușește la sol de la o anumită înălțime. În timpul căderii mingii, se efectuează lucrări mecanice.
• Observație 2. Tăiați arcul, fixați-l cu un fir și puneți greutățile pe arc. Să fixăm firul, arcul se îndreaptă și ridică greutățile la o anumită înălțime. Arcul a efectuat lucrări mecanice.
• Observație 3. Pe cărucior fixați tija cu blocul de la capăt. Prin bloc, aruncăm un fir, un capăt al căruia este înfășurat pe axul căruciorului și pe cealaltă atârnă un cântar. Să eliberăm greutățile. Sub acțiunea lui gravitate el va coborî și va da carul mișcarea. Gruzik a muncit mecanic.

După analizarea tuturor observațiilor de mai sus, se poate concluziona că, dacă un corp sau mai multe corpuri efectuează lucrări mecanice în timpul unei interacțiuni, se spune că acestea au energie mecanică sau energie.

Conceptul de energie

Energie (din cuvintele grecești energie - activitate) este o cantitate fizică care caracterizează capacitatea organismelor de a-și desfășura activitatea. Unitatea de energie, precum și activitatea din sistemul SI, este un Joule (1 J). Pe scrisoare, energia este marcată de scrisoare E. Din experimentele de mai sus este evident că corpul efectuează lucrarea atunci când trece de la o stare la alta. Energia corpului se schimba (scade), iar munca mecanica efectuata de corp este egala cu rezultatul schimbarii energiei sale mecanice.

Tipuri de energie mecanică. Conceptul de energie potențială

Există 2 tipuri de energie mecanică: potențial și cinetic. Acum ne vom uita mai atent la energia potențială.

Energia potențială (PE) este energia determinată de poziția reciprocă a corpurilor care interacționează sau părți ale aceluiași corp. Pe măsură ce orice corp și pământ se atrage reciproc, adică interacționează, PE-ul corpului ridicat deasupra solului va depinde de înălțimea ridicării h. Cu cât corpul este ridicat, cu atât mai mult este PE. Sa stabilit experimental că PE depinde nu numai de înălțimea la care este ridicată, ci și de greutatea corporală. Dacă corpurile au fost ridicate la aceeași înălțime, atunci un corp cu o masă mare va avea un PE mai mare. Formula pentru această energie este după cum urmează: E_n = mgh, unde E_n - aceasta este o potențială energie, m - greutatea corporală, g = 9,81 N / kg, h - înălțime.

Energia potențială a unui izvor

Energia potențială a unui corp deformat elastic este cantitatea fizică E_n, care atunci când viteza de mișcare de translație sub acțiunea lui forțele elastice scade exact cât crește energia cinetică. Arcurile (ca și alte corpuri deformate elastic) au un astfel de PE, care este egal cu jumătate din produsul rigidității lor k pe pătratul deformării: x = kx²:2.

Energia cinetică: formula și definiția

Uneori, importanța muncii mecanice poate fi luată în considerare fără a folosi noțiunile de forță și deplasare, subliniind că lucrarea caracterizează schimbarea energiei corpului. Tot ceea ce am putea avea nevoie este masa unui anumit corp și vitezele sale inițiale și finale, care ne vor conduce la energia cinetică. Energia cinetică (KE) este energia care aparține corpului datorită propriei sale mișcări.

Energia eoliană este utilizată pentru energia cinetică, este folosită pentru a transmite mișcări ale morilor de vânt. motivat din masa de aer exercită presiune asupra planurilor înclinate ale aripilor morilor de vânt și îi determină să se întoarcă. Mișcarea rotativă prin intermediul sistemelor de transmisie este transferată mecanismelor care efectuează o anumită activitate. Apa mobilă, care înfășoară turbinele unei centrale electrice, pierde o parte din CE, îndeplinind o activitate. Un avion care zboară în cer, pe lângă PE, are un CE. În cazul în care corpul este în repaus, adică viteza sa relativă la Pământ este zero, atunci CE față de Pământ este zero. S-a stabilit experimental că cu cât este mai mare masa corpului și viteza cu care acesta se mișcă, cu atât este mai mare FE. Formula energiei cinetice a mișcării translaționale în expresia matematică este după cum urmează:

unde K - energia cinetică, m - greutate corporală, v - viteză.

Schimbarea energiei cinetice

Întrucât viteza de mișcare a corpului este o cantitate care depinde de alegerea cadrului de referință, valoarea CE a corpului depinde, de asemenea, de alegerea sa. Schimbarea energiei cinetice (IKE) a corpului se datorează acțiunii unei forțe exterioare asupra corpului F. Cantitate fizică A, care este egal cu UEE Delta-E_la corp datorită acțiunii forței asupra lui F, se numește lucrare: A =Delta-E_la. În cazul în care organismul care se mișcă cu viteză v₁, vigoare forțe F, care coincide cu direcția, viteza de mișcare a corpului va crește într-o perioadă de timp T la o anumită valoare v₂. În acest caz, ICE este egal cu:

unde m - greutate corporală- d - calea corpului - V_f1 = (V₂ - V₁) - V_F2 = (V₂ + V₁) - a = F: m. În conformitate cu această formulă, energia cinetică se schimbă. Formula poate avea și următoarea interpretare: Delta-E_la = Flcosά, unde cosα este unghiul dintre vectorii de forță F și viteza V.

Energia cinetică medie

Energia cinetică este o energie determinată de viteza de mișcare a diferitelor puncte care aparțin acestui sistem. Cu toate acestea, trebuie amintit faptul că este necesar să se facă distincția între două energii care caracterizează diferite tipuri de trafic: traducere și rotație. Energia cinetică medie (SCE) este diferența medie dintre energia totală a întregului sistem și energia sa de liniște, adică, de fapt, magnitudinea lui este valoarea medie a energiei potențiale. Formula pentru energia cinetică medie este după cum urmează:

unde k este constanta Boltzmann-T este temperatura. Această ecuație este baza teoriei moleculare-cinetice.

Energia cinetică medie a moleculelor de gaz

Numeroase experimente au stabilit că energia cinetică medie a moleculelor de gaz în mișcarea translațională pentru o temperatură dată este aceeași și nu depinde de natura gazului. În plus, sa constatat că, atunci când gazul este încălzit cu 1 ^despreCu SCE crește cu aceeași valoare. Pentru a fi mai precis, această valoare este egală cu: Delta-E_la = 2,07 x 10^-23J /^despreS. Pentru a calcula valoarea energiei cinetice medii a moleculelor de gaze în mișcarea de translație, este necesar, pe lângă această cantitate relativă, să cunoaștem chiar și o valoare absolută mai mare a energiei mișcării translaționale. În fizică, aceste valori sunt determinate destul de precis pentru o gamă largă de temperaturi. De exemplu, la o temperatură t = 500 ^despreC energia cinetică a mișcării translaționale a unei molecule Ek = 1600 x 10^-23J .. Cunoașterea celor două cantități (Delta-E_la șiE_la) putem calcula energia mișcării translaționale a moleculelor la o anumită temperatură și rezolvăm problema inversă - pentru a determina temperatura de la valorile date de energie.

În cele din urmă, putem concluziona că energia cinetică medie a moleculelor, formula dată mai sus, depinde doar de temperatura absolută (și de orice stare agregată de substanțe).

Legea conservării energiei mecanice totale

Studiul mișcării corpurilor sub influența forțelor gravitaționale și elastice a arătat că există o anumită cantitate fizică, care se numește energia potențială E_n- depinde de coordonatele corpului, iar schimbarea sa este echivalentă cu ICE, care este luată cu semnul opus: delta-E_{n =} -Delta-E_la. Astfel, suma schimbărilor în FE și PE ale unui organism care interacționează cu forțele gravitaționale și forțele elastice este 0: delta-E_n + Delta-E_la = 0. Sunt chemate forțe care depind doar de coordonatele corpului conservatoare. Forțele de atracție și elasticitate sunt forțe conservatoare. Suma energiilor cinetice și potențiale ale corpului este energia mecanică totală: E_n + E_la = E.

Acest fapt, dovedit de cele mai exacte experimente,
este numit legea conservării energiei mecanice. Dacă organismele interacționează cu forțele care depind de viteza mișcării relative, energia mecanică din sistemul de corpuri care interacționează nu este conservată. Un exemplu de forțe de acest tip, care sunt numite non-conservatoare, sunt forțe de fricțiune. Dacă forțele de frecare acționează asupra corpului, atunci este necesar să exercite energie pentru a le depăși, adică o parte din acesta este folosită pentru a efectua lucrul împotriva forțelor de frecare. Cu toate acestea, încălcarea legii conservării energiei este doar imaginară, deoarece este un caz separat al legii generale de conservare și transformare a energiei. Energia trupurilor nu dispare niciodată și nu reapare: este transformat doar dintr-o specie în alta. Această lege a naturii este foarte importantă, se desfășoară peste tot. Se numește uneori legea generală de conservare și transformare a energiei.

Relația dintre energia internă a corpului, energiile cinetice și cele potențiale

Energia internă (U) a unui corp este energia sa totală a corpului, după deducerea CE a corpului în ansamblu și a lui PE în câmpul exterior al forțelor. Din aceasta putem concluziona că energia internă constă în CE a mișcării haotice a moleculelor, interacțiunea PE între ele și energia intramoleculară. Energia internă este o funcție unică a stării sistemului, care sugerează următoarele: dacă sistemul este într-o stare dată, energia sa internă își asumă valorile sale intrinseci, indiferent de ceea ce sa întâmplat mai devreme.

relativism

Când viteza corpului este apropiată de viteza luminii, energia cinetică se găsește prin următoarea formulă:

Energia cinetică a corpului, a cărei formulă a fost scrisă mai sus, poate fi calculată și pe baza acestui principiu:

Exemple de probleme în găsirea energiei cinetice

1. Comparați energia cinetică a unei mingi cântărind 9 g, zboară la o viteză de 300 m / s, și un om cântărind 60 kg, alergând la o viteză de 18 km / h.

Deci, ce ne este dat: m₁ = 0,009 kg-V₁ = 300 m / s - m₂ = 60 kg, V₂ = 5 m / s.

soluţie:

• Energia cinetică (formula): E_la = mv² :2.
• Avem toate datele pentru calcul și, prin urmare, găsim E_la și pentru om, și pentru minge.
• 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.

Răspuns: Energia cinetică a mingii este mai mică decât cea a unei persoane.

2. Corpul cu o greutate de 10 kg a fost ridicat la o înălțime de 10 m, după care a fost eliberat. Ce CE va avea la o înălțime de 5 m? Rezistența la aer poate fi neglijată.

Deci, ce ne este dat: m = 10 kg-h = 10 m-h₁ = 5 m-g = 9,81 N / kg. E_k1 - ?

soluţie:

• Corpul unei anumite mase, ridicat la o anumită înălțime, are o potențială energie: E_n = mgh. Dacă corpul cade, atunci la o anumită înălțime h₁ va avea sudoare. energie E_n = mgh₁ și rude. energie E_k1. Pentru ca energia cinetică să fie găsită corect, formula dată mai sus nu ajută și, prin urmare, rezolvăm problema prin următorul algoritm.
• În acest pas folosim legea conservării energiei și scriem: E_n1 + E_k1 = E_n.
• atunciE_k1 =E_n - E_n1 =mgh -MGH₁ = mg (h-h₁).
• Înlocuind valorile noastre în formula, obținem:E_k1 = 10 x 9,81 (10-5) = 490,5 J.

Răspuns: E_k1 = 490,5 J.

3. Un volant care are o masă m și raza R, se întoarce în jurul unei axe care trece prin centrul său. Viteza unghiulară a volantului de împachetare - omega-. Pentru a opri volantul, un pantof de frână este presat pe jantă, acționând cu forța F_frecare. Câte schimbări fac volantul să se oprească complet? Luați în considerare faptul că masa volantului este concentrată de-a lungul jantei.

Deci, ce ne este dat: M `R-omega--F_frecare. N -?

soluţie:

• Atunci când rezolvăm problema, vom considera că volantul se transformă într-o formă asemănătoare cu cea a unui cerc subțire omogen cu o rază R și masa m, care se întoarce cu viteză unghiulară omega-.
• Energia cinetică a unui astfel de corp este: E_la = (Jomega-²): 2, unde J =mR².
• Volantul se va opri, cu condiția ca toate FE să fie folosite pentru a depăși forța de frecare F_frecare care apar între pantoful de frână și jantă: E_la =F_frecare* s_, undes - aceasta este distanța de oprire, care este 2pi-RN.
• Prin urmare, F_frecare*2pi-RN= (mR²omega-²): 2, de unde N = (momega-²R): (4PI-F_mp).

Răspunsul este: N = (momega-²R): (4pi-F_mp).

În concluzie

Energia - este o componentă esențială în toate aspectele vieții, pentru că fără ea, nici un organism nu ar fi capabil de a efectua munca, inclusiv oameni. Credem că articolul pe care a indicat în mod clar că aceasta este o putere, și o descriere detaliată a tuturor aspectelor legate de una dintre componentele sale - energia cinetică - va ajuta să înțelegeți mai multe procese care au loc pe planeta noastră. Și cum să găsească energia cinetică, puteți învăța din exemplele de formule și de rezolvare a problemelor de mai sus.