Өдөр тутмын туршлагаас харахад үл хөдлөх биеийг хөдөлгөж, хөдөлгөж байгааг зогсоож болно. Бид байнга ямар нэг зүйл хийж байна, дэлхий эргэн тойрон бужигнаж, нар гийж байна … Гэхдээ хүн, амьтан, байгаль дэлхий тэр чигтээ энэ ажлыг хийх хүчийг хаанаас авдаг вэ? Механик хөдөлгөөн ул мөргүй алга болдог уу? Нэг бие нөгөөгийнх нь хөдөлгөөнийг өөрчлөхгүйгээр хөдөлж эхлэх үү? Энэ бүхний талаар бид нийтлэлдээ ярих болно.
Эрчим хүчний тухай ойлголт
Автомашин, трактор, дизель зүтгүүр, онгоцыг тэжээдэг хөдөлгүүрүүд нь эрчим хүчний эх үүсвэр болох түлш шаарддаг. Цахилгаан мотор нь цахилгааны тусламжтайгаар машинуудын хөдөлгөөнийг өгдөг. Өндөр дээрээс унасан усны энергийн улмаас гидротурбинуудыг эргүүлж, цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг цахилгаан машинд холбодог. Хүн оршин тогтнож, ажиллахын тулд бас эрчим хүч хэрэгтэй. Аливаа ажлыг хийхэд эрчим хүч хэрэгтэй гэж тэд хэлдэг. Эрчим хүч гэж юу вэ?
- Ажиглалт 1. Бөмбөгийг газраас дээш өргө. Тэр байдалд байхдаатайван амгалан, ямар ч механик ажил хийдэггүй. Түүнийг явуулъя. Таталцлын нөлөөгөөр бөмбөг тодорхой өндрөөс газарт унадаг. Бөмбөг унах үед механик ажил хийгдэнэ.
- Ажиглалт 2. Пүршийг хааж, утсаар бэхлээд пүршийг жинлэнэ. Утас руу гал тавьцгаая, пүрш нь шулуун, жинг тодорхой өндөрт өргөх болно. Пүрш механик ажил хийлээ.
- Ажиглалт 3. Барааг төгсгөлд нь блоктой тэргэнцэрт холбоно. Бид блокоор утас шидэх бөгөөд нэг төгсгөл нь тэрэгний тэнхлэгт ороож, нөгөө талд нь жин өлгөөтэй байна. Ачаа буулгая. Таталцлын нөлөөгөөр доошоо унаж, тэрэгний хөдөлгөөнийг өгөх болно. Жин нь механик ажил хийсэн.
Дээрх бүх ажиглалтад дүн шинжилгээ хийсний дараа бид харилцан үйлчлэлийн явцад бие эсвэл хэд хэдэн биет механик ажил гүйцэтгэж байвал тэдгээр нь механик энерги эсвэл энергитэй гэж дүгнэж болно.
Эрчим хүчний тухай ойлголт
Энерги (Грекийн энерги - үйл ажиллагаа гэсэн үг) нь биеийн ажил гүйцэтгэх чадварыг тодорхойлдог физик хэмжигдэхүүн юм. Эрчим хүчний нэгж, түүнчлэн SI систем дэх ажил нь нэг Жоуль (1 Дж) юм. Бичгээр энергийг Е үсгээр тэмдэглэдэг. Дээрх туршилтуудаас харахад бие нь нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих үед ажилладаг. Энэ тохиолдолд биеийн энерги өөрчлөгддөг (багасдаг), бие махбодийн гүйцэтгэсэн механик ажил нь түүний механик энергийн өөрчлөлтийн үр дүнтэй тэнцүү байна.
Механик энергийн төрлүүд. Боломжит энергийн тухай ойлголт
Механик энерги нь потенциал ба кинетик гэсэн 2 төрөлтэй. Одоо боломжит энергийн талаар дэлгэрэнгүй харцгаая.
Потенциал энерги (PE) нь харилцан үйлчлэлцдэг биеүүд эсвэл нэг биеийн хэсгүүдийн харилцан байрлалаар тодорхойлогддог энерги юм. Аливаа бие ба дэлхий бие биенээ татдаг, өөрөөр хэлбэл харилцан үйлчилдэг тул газраас дээш өргөгдсөн биеийн PE нь дээшлэх өндрөөс хамаарна h. Биеийг өндөрт өргөх тусам түүний PE нь их байдаг. PE нь зөвхөн өсгөсөн өндрөөс гадна биеийн жингээс хамаардаг болохыг туршилтаар тогтоосон. Хэрэв биеийг ижил өндөрт өргөсөн бол том масстай бие нь том PE-тэй болно. Энэ энергийн томъёо нь дараах байдалтай байна: Ep=mgh, энд Ep нь потенциал энерги, m нь биеийн масс, g=9.81 Н/ кг, ц - өндөр.
Булгийн боломжит энерги
Уян гажигтай биеийн потенциал энерги нь уян харимхай хүчний нөлөөн дор хөрвүүлэх хөдөлгөөний хурд өөрчлөгдөхөд яг тэр хэмжээгээр буурдаг Ep, физик хэмжигдэхүүн юм. кинетик энерги нэмэгддэг. Пүршүүд (бусад уян хатан хэв гажилттай биетүүдийн нэгэн адил) PE нь тэдний хөшүүн чанар k ба хэв гажилтын квадратын үржвэрийн хагастай тэнцүү байна: x=kx2:2.
Кинетик энерги: томьёо ба тодорхойлолт
Заримдаа механик ажлын утгыг хүч, шилжилт гэсэн ойлголтыг ашиглахгүйгээр авч үзэж, ажил гэдэг зүйлд анхаарлаа хандуулж болно.биеийн энергийн өөрчлөлтийг тодорхойлдог. Бидэнд хэрэгтэй зүйл бол биеийн масс ба түүний анхны болон эцсийн хурдууд бөгөөд энэ нь биднийг кинетик энерги рүү хөтлөх болно. Кинетик энерги (KE) нь өөрийн хөдөлгөөний улмаас биед хамаарах энерги юм.
Кинетик энерги нь салхи бөгөөд үүнийг салхин турбинуудад хөдөлгөөн өгөхөд ашигладаг. Хөдөлгөөнт агаарын масс нь салхин турбины далавчны налуу хавтгайд дарамт учруулж, тэдгээрийг эргүүлэхэд хүргэдэг. Эргэдэг хөдөлгөөнийг дамжуулах системээр тодорхой ажил гүйцэтгэдэг механизмд дамжуулдаг. Цахилгаан станцын турбиныг эргүүлдэг хөдөлгөөнт ус нь ажил хийж байхдаа өөрийн CE-ийн тодорхой хэсгийг алддаг. Тэнгэрт өндөрт нисч буй онгоц нь PE-ээс гадна CE-тэй. Хэрэв бие нь тайван байдалд байгаа бол, өөрөөр хэлбэл түүний Дэлхийтэй харьцуулахад хурд нь тэг бол Дэлхийтэй харьцуулахад түүний CE нь тэг байна. Биеийн масс, хөдөлгөөний хурд их байх тусам түүний KE их байдаг нь туршилтаар тогтоогдсон. Математикийн хэллэгээр хөрвүүлэх хөдөлгөөний кинетик энергийн томъёо нь дараах байдалтай байна:
Энд K нь кинетик энерги, m нь биеийн жин, v нь хурд юм.
Кинетик энергийн өөрчлөлт
Биеийн хурд нь жишиг системийн сонголтоос хамаарах хэмжигдэхүүн тул биеийн FE-ийн утга нь түүний сонголтоос мөн хамаарна. Биеийн кинетик энерги (IKE) өөрчлөгдөх нь биед үзүүлэх гадны хүчний F нөлөөллөөс болж үүсдэг. IKE-тэй тэнцүү физик хэмжигдэхүүн АБиеийн ΔEk -д F хүч үйлчилснээр биеийг ажил гэнэ: A=ΔEk. Хэрэв v 1 хурдтай хөдөлж буй биед чиглэлтэй давхцах F хүч үйлчилбэл биеийн хурд t хугацааны явцад тодорхой хэмжээний v болж өснө. 2. Энэ тохиолдолд IKE нь:
Хаана m - биеийн жин; d - биеийн туулсан зай; Vf1=(V2 - V1); Vf2 =(V2 + V1); a=F: m. Энэ томъёоны дагуу кинетик энергийг хэр хэмжээгээр тооцдог. Томъёо нь дараах тайлбартай байж болно: ΔЕк =Flcos ά, энд cosά нь F хүчний векторууд ба V хурдны хоорондох өнцөг юм.
Дундаж кинетик энерги
Кинетик энерги нь энэ системд хамаарах янз бүрийн цэгүүдийн хөдөлгөөний хурдаар тодорхойлогддог энерги юм. Гэсэн хэдий ч янз бүрийн төрлийн хөдөлгөөнийг тодорхойлдог 2 энергийг ялгах шаардлагатай гэдгийг санах нь зүйтэй: орчуулга ба эргэлт. Энэ тохиолдолд дундаж кинетик энерги (SKE) нь бүхэл системийн энергийн нийлбэр ба түүний амрах энергийн хоорондох дундаж зөрүү, өөрөөр хэлбэл түүний утга нь боломжит энергийн дундаж утга юм. Дундаж кинетик энергийн томъёо дараах байдалтай байна:
энд k нь Больцманы тогтмол; T нь температур юм. Чухамхүү энэ тэгшитгэл нь молекул кинетик онолын үндэс болсон.
Хийн молекулын дундаж кинетик энерги
Өгөгдсөн температурт хөрвүүлэх хөдөлгөөнд байгаа хийн молекулуудын дундаж кинетик энерги ижил бөгөөд хийн төрлөөс хамаардаггүй болохыг олон тооны туршилтууд тогтоосон. Түүнчлэн хийг 1 оС-аар халаахад TEC мөн адил хэмжээгээр нэмэгддэг нь тогтоогдсон. Илүү нарийвчлалтай болгохын тулд энэ утга нь дараахтай тэнцүү байна: WITH. Хөрвүүлэх хөдөлгөөн дэх хийн молекулуудын дундаж кинетик энерги ямар хэмжээтэй тэнцүү болохыг тооцоолохын тулд энэ харьцангуй утгаас гадна хөрвүүлэх хөдөлгөөний энергийн дор хаяж нэг үнэмлэхүй утгыг мэдэх шаардлагатай. Физикийн хувьд эдгээр утгыг температурын өргөн хүрээний хувьд маш нарийн тодорхойлдог. Жишээлбэл, t=500 oС температурт молекулын хөрвүүлэх хөдөлгөөний кинетик энерги Ек=1600 x 10-23J. Бид 2 хэмжигдэхүүнийг (ΔЕк ба Ек) мэдэж байгаа тул өгөгдсөн температурт молекулуудын хөрвүүлэх хөдөлгөөний энергийг тооцоолж, шийдвэрлэх боломжтой. урвуу асуудал - тогтоосон эрчим хүчний утгуудаар температурыг тодорхойлох.
Эцэст нь томъёо нь дээр өгөгдсөн молекулуудын дундаж кинетик энерги нь зөвхөн үнэмлэхүй температураас (болон аливаа бодисын нэгдсэн төлөвийн хувьд) хамаарна гэж дүгнэж болно.
Нийт механик энерги хадгалагдах хууль
Таталцал ба уян харимхай хүчний үйлчлэл дор биетүүдийн хөдөлгөөнийг судалснаар тодорхой физик хэмжигдэхүүн байдгийг харуулсан ба түүнийг потенциал энерги гэж нэрлэдэг Ep;энэ нь биеийн координатаас хамаардаг ба түүний өөрчлөлт нь эсрэг тэмдгээр авсан IKE-тэй тэнцүү байна: Δ Ep= - ΔEkТэгэхээр таталцлын хүч ба уян харимхай хүчнүүдтэй харилцан үйлчлэх биеийн KE ба PE-ийн өөрчлөлтийн нийлбэр нь 0-тэй тэнцүү байна: Зөвхөн биеийн координатаас хамаарах хүчийг консерватив гэж нэрлэдэг. Таталцлын болон уян харимхай хүч нь консерватив хүч юм. Биеийн кинетик ба потенциал энергийн нийлбэр нь нийт механик энерги юм: Ep + Ek=E.
Хамгийн үнэн зөв туршилтаар батлагдсан энэ баримтыг
механик энерги хадгалагдах хууль гэж нэрлэдэг. Хэрэв бие нь харьцангуй хөдөлгөөний хурдаас хамаарах хүчнүүдтэй харилцан үйлчилдэг бол харилцан үйлчлэгч биетүүдийн систем дэх механик энерги хадгалагдахгүй. Консерватив бус гэж нэрлэгддэг ийм төрлийн хүчний жишээ бол үрэлтийн хүч юм. Хэрэв үрэлтийн хүч нь биед үйлчилдэг бол тэдгээрийг даван туулахын тулд энерги зарцуулах шаардлагатай, өөрөөр хэлбэл түүний нэг хэсгийг үрэлтийн хүчний эсрэг ажил гүйцэтгэхэд зарцуулдаг. Гэхдээ энд энерги хадгалагдах хуулийг зөрчиж байгаа нь зөвхөн төсөөлөл юм, учир нь энэ нь эрчим хүчний хадгалалт, хувирлын ерөнхий хуулийн тусдаа тохиолдол юм. Биеийн энерги хэзээ ч алга болдоггүй бөгөөд дахин гарч ирдэггүй: энэ нь зөвхөн нэг хэлбэрээс нөгөөд хувирдаг. Байгалийн энэ хууль маш чухал, хаа сайгүй хэрэгждэг. Үүнийг заримдаа энерги хадгалагдах, хувирах ерөнхий хууль гэж нэрлэдэг.
Дотоод хоорондын харилцаабиеийн энерги, кинетик болон боломжит энерги
Биеийн дотоод энерги (U) нь биеийн нийт энергийг бүхэлд нь биеийн KE ба гадаад хүчний орон дахь PE-ийг хассан байна. Эндээс бид дотоод энерги нь молекулуудын эмх замбараагүй хөдөлгөөний CE, тэдгээрийн хоорондын харилцан үйлчлэлийн PE, молекулын энерги зэргээс бүрддэг гэж дүгнэж болно. Дотоод энерги нь системийн төлөв байдлын нэг утгын функц бөгөөд энэ нь дараахь зүйлийг илэрхийлнэ: хэрэв систем өгөгдсөн төлөвт байгаа бол түүний дотоод энерги нь урьд нь юу тохиолдсоноос үл хамааран өөрийн өвөрмөц утгыг авдаг.
Харьцангуй үзэл
Биеийн хурд гэрлийн хурдтай ойролцоо байх үед кинетик энергийг дараах томъёогоор олно:
Томьёог нь дээр бичсэн биеийн кинетик энергийг мөн энэ зарчмын дагуу тооцоолж болно:
Кинетик энергийг олох асуудлын жишээ
1. 300 м/с хурдтай нисч буй 9 г жинтэй бөмбөг болон 18 км/ц хурдтай гүйж буй 60 кг жинтэй хүний кинетик энергийг харьцуул.
Тэгвэл бидэнд юу өгөгдсөн бэ: m1=0.009 кг; V1=300 м/с; m2=60 кг, V2=5 м/с.
Шийдэл:
- Кинетик энерги (томьёо): Ek =mv2 : 2.
- Бидэнд тооцоолол хийх бүх өгөгдөл байгаа тул хүн болон бөмбөгний аль алинд нь Ek -г олох болно.
- Ek1 =(0.009 кг x (300 м/с)2): 2=405 Ж;
- Ek2 =(60 кг x (5)м/с)2): 2=750 Ж.
- Ek1 < Ek2.
Хариулт: Бөмбөгний кинетик энерги хүнийхээс бага.
2. 10 кг жинтэй биеийг 10 м өндөрт өргөсний дараа түүнийг суллав. 5 м-ийн өндөрт ямар FE байх вэ? Агаарын эсэргүүцлийг үл тоомсорлож болно.
Тэгвэл бидэнд юу өгөгдсөн бэ: м=10 кг; h=10 м; ц 1 =5 м; g=9.81 Н/кг. Ek1 - ?
Шийдэл:
- Тодорхой масстай, тодорхой өндөрт өргөгдсөн бие нь потенциал энергитэй: Ep=mgh. Хэрэв бие унавал өндөрт h1 хөлрөх болно. эрчим хүч Ep=mgh1 болон төрөл төрөгсөд. эрчим хүч Ek1. Кинетик энергийг зөв олохын тулд дээр өгсөн томьёо тус болохгүй тул бид дараах алгоритмыг ашиглан асуудлыг шийдэх болно.
- Энэ алхамд бид энерги хадгалагдах хуулийг ашиглаж дараахийг бичнэ: Ep1 + Ek1=E х.
- Дараа нь Ek1=E p - Ep1 =mgh - mgh 1 =мг(h-h1).
- Томьёонд өөрийн утгыг орлуулснаар бид дараахь зүйлийг авна.
Хариулт: Ek1=490.5 Ж.
3. m масстай, R радиустай нисдэг дугуй нь төвийг нь дайран өнгөрөх тэнхлэгийг тойрон эргэдэг. Flywheel ороох өнцгийн хурд - ω. Ffriction хүчээр үйлчилдэг дугуйны дугуйг зогсоохын тулд тоормосны гутлыг ирмэг дээр нь дардаг. Бүрэн зогсохоосоо өмнө нисдэг дугуй хэдэн эргэлт хийдэг вэ? Flywheel-ийн масс гэдгийг анхаарна уухүрээний эргэн тойронд төвлөрсөн.
Тэгвэл бидэнд юу өгөгдсөн бэ: м; R; ω; Fүрэлтийн. N - ?
Шийдэл:
- Асуудлыг шийдэхдээ бид нисдэг дугуйны эргэлтийг ω өнцгийн хурдаар эргэдэг R радиустай, m масстай нимгэн нэгэн төрлийн цагирагны эргэлттэй төстэй гэж үзнэ.
- Ийм биеийн кинетик энерги нь: Ек =(J ω 2): 2, энд J=m R2.
- Тоормосны гутал ба хүрээний хооронд үүсэх үрэлтийн хүчийг F үрэлтийн хүчийг даван туулах ажилд FE-ийг бүхэлд нь зарцуулсан нөхцөлд нисдэг дугуй зогсох болно: E to=Ffrictions, хаана s нь зогсох зай бөгөөд 2 πRN-тэй тэнцүү.
- Тиймээс Ffriction 2 πRN =(m R 2 ω2): 2, эндээс N=(m ω 2R): (4 π Ftr).
Хариулт: N=(mω2R): (4πFtr).
дүгнэлтэнд
Эрчим хүч бол амьдралын бүхий л талын хамгийн чухал бүрэлдэхүүн хэсэг, учир нь энергигүйгээр ямар ч бие махбодь, тэр дундаа хүн ч ажил хийж чадахгүй. Энэхүү нийтлэл нь энерги гэж юу болохыг тодорхой харуулсан бөгөөд түүний нэг бүрэлдэхүүн хэсэг болох кинетик энергийн бүх талыг нарийвчлан харуулсан нь манай гариг дээр болж буй олон үйл явцыг ойлгоход тусална гэж бид бодож байна. Мөн кинетик энергийг хэрхэн олох талаар дээрх томьёо болон бодлого шийдвэрлэх жишээнүүдээс суралцаж болно.
