Механическая энергия и ее виды ? спадило.ру

Химическая энергия

Через

Химическая энергия сохраняется в связях между атомами.

Химическая энергия – это форма потенциальной энергии, которая сохраняется в связях между атомами в результате сил притяжения между ними.

Во время химической реакции одно или несколько соединений, называемых реагентами, превращаются в другие соединения, называемые продуктами. Эти превращения происходят из-за разрыва или образования химических связей, которые вызывают изменения в химической энергии.

Энергия высвобождается, когда связи разрушаются во время химических реакций. Это то, что известно как экзотермическая реакция. Например, автомобили используют химическую энергию бензина для выработки тепловой энергии, которая используется для движения автомобиля. Точно так же пища хранит химическую энергию, которую мы используем живыми существами, чтобы функционировать.

Когда соединения образуются, требуется энергия; Это реакция эндотермического типа. Фотосинтез – это эндотермическая реакция, энергия которой исходит от Солнца.

Что такое энергия?

В теории, выдвинутой Альбертом Эйнштейном, изучается взаимосвязь материи и энергии. Этот великий ученый смог доказать способность одной субстанции превращаться в другую. При этом выяснилось, что энергия является самым важным фактором существования тел, а материя вторична.

Энергия – это, по большому счету, способность выполнять какую-то работу. Именно она стоит за понятием силы, способной двигать тело или придавать ему новые свойства. Что же означает термин «энергия»? Физика – это фундаментальная наука, которой посвятили свою жизнь многие ученые разных эпох и стран. Еще Аристотель использовал слово «энергия» для обозначения деятельности человека. В переводе с греческого языка «энергия» — это «деятельность», «сила», «действие», «мощь». Первый раз это слово появилось в трактате ученого-грека под названием «Физика».

В общепринятом сейчас смысле данный термин был введен в обиход английским ученым-физиком Томасом Юнгом. Это знаменательное событие произошло в далеком 1807 году. В 50-х годах XIX в. английский механик Уильям Томсон впервые использовал понятие «кинетическая энгергия», а в 1853 г. шотландский физик Уильям Ренкин ввел термин «потенциальная энергия».

Сегодня эта скалярная величина присутствует во всех разделах физики. Она является единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи. Другими словами, она представляет собой меру преобразования одних форм в другие.

Ветер и вода на службе человека

Наверное, каждый семиклассник слышал эти два слова: «цунами» и «торнадо». Цунами – огромной силы волна, обладающая очень большой высотой, достигающей 30 м. Цунами сносят с берегов целые города. Сметающий все на своем пути ураган, потоки ветра которого образуют гигантскую воронку – торнадо.

Цунами Торнадо

Это стихийные бедствия, которые вызваны природными явлениями, обладающими огромным энергетическим потенциалом, неподвластным человеку и не всегда предсказуемы.

И все-таки издавна люди пытались приручить воду и ветер. Чего стоит применение ветра на старинных судах. Здесь ветер подхватывал паруса и нес корабли по волнам в те времена с очень приличной скоростью. Древними греками изобретение паруса ставилось в один ряд с приручением диких животных и освоением свойств огня. Сейчас парусные суда – это хобби, спорт и отдых. Однако в последнее время изобретены новые типы парусов, которые могут водить тяжелые корабли с использованием энергии ветров постоянного направления.

Людьми были придуманы и совсем небольшие приспособления. Так Ньютон еще в молодости придумал очень простое устройство — водяные часы. Стрелка в них соединялась с колесиком, у которого были небольшие деревянные лопасти. На них равномерно падали одинаковые капли воды из сосуда. Вода капала равномерно, так как отверстие в сосуде было маленькое и не давало воде вытекать струей. При падении капли на лопасть колесика, оно совершало резкий небольшой поворот, а стрелка на шаг передвигалась по циферблату. Падение капель было настроено довольно точно. Так энергия падающих капель заставляла двигаться часовой механизм.

Такого рода устройства были каплей в море деятельности человека.

Самыми используемыми были ветряные и водяные мельницы. Обладая кинетической энергией, ветер заставлял вращаться большие крылья мельницы.

Первые ветряные колеса были созданы тысячи лет назад. С помощью несложных передаточных механизмов вращение передавалось устройствам, мелющим зерно в муку (жерновам).

Ветряная мельница

Ветряные колеса нашли применение в откачке воды из больших емкостей, подъеме воды из колодцев.

Откачивающее устройство

В основе работы водяных мельниц было колесо с лопастями. На лопасти падала речная вода, лопасти опускались вниз, под тяжестью воды, и приводили колесо в движение. Оно вращало жернова. Позднее на основе водяных мельниц стали появляться механизмы, получающие электроэнергию.

Водяная мельница

Водяное колесо легло в основу машины для производства медной проволоки в средние века. Вращающееся под напором воды колесо было соединено с коленообразным воротом, который приводил в движение одноместные качели. На них сидел рабочий, держащий в руках тиски. Напротив качелей находилась емкость с заготовками для проволоки, отгороженная доской с небольшими отверстиями. Когда качели приближались к доске, рабочий прихватывал тисками часть проволоки, торчащей из отверстия. Качели вместе с рабочим двигались назад, и рабочий тисками вытягивал через маленькие дырки в доске металлические нити. Доска с отверстиями называлась волочильной. Весь механизм называли волочильной установкой.

Современные аэро- и гидросооружения широко используются для выработки электрической энергии (изучается по физике 8 – 9 класса), без которой не представить человеческую жизнедеятельность сейчас.

Гидроэлектростанция Ветряная электростанция

Человечество потребляет маленькую долю возможностей волн, течений и ветров. Большая часть ветра связана с морскими волнами. В наши дни создаются проекты ветроэнергетики, связанные с морем.

Ветряная станция на море

С 70-х годов прошлого века люди работают над созданием волновых электростанций, расположенных в море. Однако это очень дорогостоящие проекты и пока труднодостижимы. Но вот приливные электростанции, где сила волн используется для превращения механической энергии в электроэнергию, встречаются уже довольно часто.

Приливная электростанция

От первого ветряного паруса до электростанций, использующих силу приливов и отливов, механическая энергия, преобразованная в необходимый вид (электрическую, световую, тепловую), на протяжении многих тысячелетий помогает людям. Обуздать стихийные волны и ветра человек пока еще не может. Это задача будущего.

Тепловая энергия

Тепловая энергия огня передается тепловой энергии горшка через тепло.

Тепловая энергия (внутренняя энергия) представляет собой тип кинетической энергии, являющейся продуктом движения или внутренней вибрации частиц в телах. Когда мы измеряем температуру с помощью термометра, мы измеряем то движение атомов и молекул, которые составляют тело. При более высокой температуре большее движение и, следовательно, большая тепловая энергия.

Кроме того, тепловая энергия перемещается между телами через тепло. Когда вы помещаете горячий предмет рядом с холодным, происходит передача энергии от самого горячего к самому холодному, до точки, где они имеют одинаковую температуру. Тепло также передается через инфракрасное излучение или движение горячих жидкостей или газов.

Закон сохранения механической энергии

Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только посредством сил тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком:

По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел (см 1.19):

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.

Пример применения закона сохранения энергии – нахождение минимальной прочности легкой нерастяжимой нити, удерживающей тело массой m при его вращении в вертикальной плоскости (задача Гюйгенса). Рис. 1.20.1 поясняет решение этой задачи.

К задаче Христиана Гюйгенса. – сила натяжения нити в нижней точке траектории

Закон сохранения энергии для тела в верхней и нижней точках траектории записывается в виде:

Обратим внимание на то, что сила натяжения нити всегда перпендикулярна скорости тела; поэтому она не совершает работы. При минимальной скорости вращения натяжение нити в верхней точке равно нулю и, следовательно, центростремительное ускорение телу в верхней точке сообщается только силой тяжести:

При минимальной скорости вращения натяжение нити в верхней точке равно нулю и, следовательно, центростремительное ускорение телу в верхней точке сообщается только силой тяжести:

Из этих соотношений следует:

Центростремительное ускорение в нижней точке создается силами и направленными в противоположные стороны:

Отсюда следует, что при минимальной скорости тела в верхней точке натяжение нити в нижней точке будет по модулю равно

Прочность нити должна, очевидно, превышать это значение.

Очень важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления среды.

Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую.

Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии (рис. 1.20.2).

Один из проектов «вечного двигателя». Почему эта машина не будет работать?

История хранит немалое число проектов «вечного двигателя». В некоторых из них ошибки «изобретателя» очевидны, в других эти ошибки замаскированы сложной конструкцией прибора, и бывает очень непросто понять, почему эта машина не будет работать. Бесплодные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и в наше время. Все эти попытки обречены на неудачу, так как закон сохранения и превращения энергии «запрещает» получение работы без затраты энергии.

Как рассчитать энергию

Кинетическая энергия – это характеристика любой системы, которая находится в движении. Но как найти кинетическую энергию?

Сделать это несложно, так как расчетная формула кинетической энергии весьма проста:

Конкретное значение определяется двумя основными параметрами: скоростью перемещения тела (V) и его массой (m). Чем больше данные характеристики, тем большей значением описываемого явления обладает система.

Но если объектом не совершаются перемещения (т.е. v = 0), то и кинетическая энергия равна нулю.

Потенциальная энергия – это характеристика, зависящая от положения и координат тел.

Любое тело подвержено земному притяжению и воздействию сил упругости. Такое взаимодействие объектов между собой наблюдается повсеместно, поэтому тела находятся в постоянном движении, меняют свои координаты.

Установлено, чем выше от поверхности земли находится предмет, чем больше его масса, тем большим показателем данной величины оно обладает.

Таким образом, зависит потенциальная энергия от массы (m) , высоты (h). Величина g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек2. Функция расчета ее количественного значения выглядит так:

Eп = mgh, (2)

Единицей измерения этой физической величины в системе СИ считается джоуль (1 Дж). Именно столько нужно затратить сил, чтобы переместить тело на 1 метр, приложив при этом усилие в 1 ньютон.

Важно! Джоуль как единица измерения утвержден на Международном конгрессе электриков, который проходил в 1889 году. До этого времени эталоном измерения была Британская термическая единица BTU, используемая в настоящее время для определения мощности тепловых установок

1.2. Энергия

Импульс тела: $\overrightarrow{p} = m\cdot \overrightarrow{v}$ , где $\overrightarrow{p}$ ― импульс тела (кг∙м/с), m ― масса тела (кг), $\overrightarrow{v}$ ― скорость тела (м/с).

Импульс ― векторная величина и сонаправлена со скоростью тела.

Тела могут обмениваться импульсами. Например, если движущийся шарик столкнется с покоящимся, то дальше они оба приобретут скорость и начнут двигаться. Для того, чтобы понять, как передается импульс и вычислить его, возникла необходимость распознавать разные виды ударов.

Удар, после которого объекты продолжают существовать отдельно ― абсолютно упругий удар.

Удар, после которого тела слипаются и двигаются вместе ― абсолютно неупругий.

Возникает вопрос: зачем вообще нужен этот импульс? На самом деле импульс ― это еще одна величина, которая, как и энергия сохраняется. Как и для энергии, для импульса существует закон сохранения и формулируется он очень похоже: в замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел системы постоянна

Именно свойство сохранения импульса делает его такой важной для нас величиной

$\overrightarrow{p_1} + \overrightarrow{p_2} = \overrightarrow{p_1}’ + \overrightarrow{p_2}’$ 

Закон сохранения импульса для разных ударов:

для абсолютно упругого удара: $m_1 \overrightarrow{v_1} + m_2 \overrightarrow{v_2} = m_1 \overrightarrow{u_1} + m_2\overrightarrow{u_2} $

для абсолютно неупругого удара: $m \overrightarrow{v_1} + m_2 \overrightarrow{v_2} = (m_1+m_2) \overrightarrow{u}$

Если при отсутствии внешних сил импульс сохраняется, то, когда появятся внешне силы он начнет изменяться

Причем важно не только значение воздействующей силы, но и время ее воздействия:. $\Delta\overrightarrow{p} = \overrightarrow{F}\Delta t $ , где $\Delta\overrightarrow{p}$ ― изменение импульса (кг·м/с), $\overrightarrow{F}$ ― сила (Н), ∆t ― время (с)

$\Delta\overrightarrow{p} = \overrightarrow{F}\Delta t $ , где $\Delta\overrightarrow{p}$ ― изменение импульса (кг·м/с), $\overrightarrow{F}$ ― сила (Н), ∆t ― время (с).

Прочитано
Отметь, если полностью прочитал текст

Многообещающее слово «энергия»

Отец с сыном решили построить у себя на даче летний домик для своей собаки. Выбрали место и стали подносить туда доски. Оба старательно трудились. Отец приносил каждый раз по три доски, а сын – по одной. Кто из них совершил большую работу? Конечно отец. В таком случае об отце говорят, что у него энергии больше, чем у сына.

Следует обратить внимание, что оба человека, перенося доски, совершали механическую работу. Со временем способность выполнять задуманное становилась все меньше и меньше, то есть энергия работников уменьшалась

По выражению физиков, когда телом совершается работа, энергия тела уменьшается.

Итак:

Если представить такую фантастическую ситуацию: неживые физические предметы смогли заговорить, тогда обладающее энергией тело произнесло бы: «Я обещаю вам выполнить любую работу, я могу это сделать, только воспользуйтесь моей возможностью».

На многочисленных фабриках и заводах, в автомобильном и воздушном транспорте, на теплоходах и тепловозах – везде расходуется энергия топлива. Машины, станки, сложные механизмы используют электроэнергию.

Растения живут за счет энергии солнца. Люди и животные дополнительно берут ее из ежедневно потребляемой пищи. Без этого вообще не возможно существование живой природы.

Это различные виды энергии, и изучаются они в старших классах. Здесь же идет разговор именно о механической энергии, напрямую связанной с механической работой.

Часть энергии теряется при совершении работы, то есть из энергии эта работа вычитается. Значит, как и работа, эта величина в СИ измеряется в джоулях. Обозначают механическую энергию буквой Е.

Само слово «энергия» получило статус международного слова от греческого «эргон», что означает «дело» или «работа». Составная часть слова «эрг» применяется для обозначения еще одной единицы измерения: 1 эрг = 10-7 Дж.

Изменение любой величины физики обозначают греческим символом Δ (дельта). Чтобы получить это значение Δ, надо из полученной величины вычесть первоначальную.

Пусть энергия тела первоначально была Е₁, после совершения работы стала Е₂. Тогда

ΔЕ = Е₂ – Е_1,

а это и есть работа А = Е₂– Е₁ = ΔЕ

Виды механической энергии

Механическая свободная энергия делится на два вида: кинетическую и потенциальную.

Кинетическая энергия — это механическая энергия тела, которая определяется скоростью его движения.

Е_k = 1/2mv2

Кинетическая энергия присуща подвижным телам. Останавливаясь, они выполняют механическую работу.

В различных системах отсчета скорости одного и того же тела в произвольный момент времени могут быть разными. Поэтому кинетическая энергия – относительная величина, она обуславливается выбором системы отсчета.

Если на тело во время движения действует сила (или одновременно несколько сил), кинетическая энергия тела меняется: тело ускоряется или останавливается. При этом работа силы или работа равнодействующей всех сил, которые приложены к телу, будет равняться разнице кинетических энергий:

A = E_k1 — E_k₂ = ∆Е_k

Этому утверждению и формуле дали название — теорема о кинетической энергии.

Потенциальной энергией именуют энергию, обусловленную взаимодействием между телами.

При падении тела массой m с высоты h сила притяжения выполняет работу. Поскольку работа и изменение энергии связаны уравнением, можно записать формулу для потенциальной энергии тела в поле силы тяжести:

E_p = mgh

В отличие от кинетической энергии E_k потенциальная E_p может иметь отрицательное значение, когда h<0 (например, тело, лежащее на дне колодца).

Еще одним видом механической потенциальной энергии является энергия деформации. Сжатая на расстояние x пружина с жесткостью k имеет потенциальную энергию (энергию деформации):

E_p = 1/2 kx2

Энергия деформации нашла широкое применение на практике (игрушки), в технике — автоматы, реле и другие.

E = E_p + E_k

Полной механической энергией тела именуют сумму энергий: кинетической и потенциальной.

Одна энергия превращается в другую

Наблюдая за движением подвешенных качелей, маятника часов, детской кроватки – качалки, пружинки с грузом, мяча, прыгающего по полу, обычный человек вряд ли может объяснить такое повторяющееся движение. А ученый-физик скажет, что в этих ситуациях происходит превращение энергии. Вот пример, как изменяется энергия для случая пружинного маятника (тела, соединенного с пружиной, способного двигаться в одну и другую сторону).

Этапы, которые проходит пружинный маятник:

Пружина свободна, не сжата и не растянута. Шар покоится. Полная энергия равна Е = 0.
Рукой пружина сжимается. В таком случае шар в состоянии выполнить работу, т.е. обладает Е_п (максимальной для примера): Е_п = max, E_k = 0.
Пружина разжимается, шар начинает двигаться, скорость его увеличивается. У движущегося тела становится меньше Е_п, так как деформация уменьшается. Зато становится больше Е_к, так как скорость тела растет. Наблюдается переход одной энергии в другую: Е_п Е_к.
Положение шара внешне похоже на начальное положение. Но, если в начальном положении Е была равна 0, то в данном случае равна 0 потенциальная энергия, а кинетическая наоборот достигает максимального значения: Е_п = 0 и Е_к = max.
Пружина растягивается за счет кинетической энергии. Шар движется с уменьшающейся скоростью. Е_к уменьшается. Зато растет потенциальная (опять увеличивается деформация). Вновь наблюдается превращение энергии: Е_к Е_п .
Пружина достигает максимального растяжения и останавливается. Е_к = 0. Е_п = max. Это значит, что тело опять способно совершить работу. Ситуация такая же, как и в п.2, только с другой стороны движения. Под действием силы упругости начинается обратное движение шара.

Пройдя обратный путь, шар попадает в положение 2 и все начинается заново. Если бы не существовало сил сопротивления, это движение происходило бы бесконечно. Группа тел в этом случае образовала бы замкнутую систему (систему, когда на движение тел не оказывают влияния силы, не участвующие в движении). Но так бывает лишь в теории.

Проводя многочисленные наблюдения и исследования за превращениями в природе, ученые пришли к выводу:

Этот вывод называют законом сохранения энергии. В механике он выглядит так:

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Два тела находятся на одной и той же высоте над поверхностью Земли. Масса одного тела $ m_1 $ в три раза больше массы другого тела $ m_2 $. Относительно поверхности Земли потенциальная энергия

1) первого тела в 3 раза больше потенциальной энергии второго тела
2) второго тела в 3 раза больше потенциальной энергии первого тела
3) первого тела в 9 раз больше потенциальной энергии второго тела
4) второго тела в 9 раз больше потенциальной энергии первого тела

2. Сравните потенциальную энергию мяча на полюсе $ E_п $ Земли и на широте Москвы $ E_м $, если он находится на одинаковой высоте относительно поверхности Земли.

1) $ E_п=E_м $
2) $ E_п>E_м $
3) $ E_п<E_м $
4) $ E_п\geq E_м $

3. Тело брошено вертикально вверх. Его потенциальная энергия

1) одинакова в любые моменты движения тела
2) максимальна в момент начала движения
3) максимальна в верхней точке траектории
4) минимальна в верхней точке траектории

4. Как изменится потенциальная энергия пружины, если её удлинение уменьшить в 4 раза?

1) увеличится в 4 раза
2) увеличится в 16 раз
3) уменьшится в 4 раза
4) уменьшится в 16 раз

5. Лежащее на столе высотой 1 м яблоко массой 150 г подняли относительно стола на 10 см. Чему стала равной потенциальная энергия яблока относительно пола?

1) 0,15 Дж
2) 0,165 Дж
3) 1,5 Дж
4) 1,65 Дж

6. Скорость движущегося тела уменьшилась в 4 раза. При этом его кинетическая энергия

1) увеличилась в 16 раз
2) уменьшилась в 16 раз
3) увеличилась в 4 раза
4) уменьшилась в 4 раза

7. Два тела движутся с одинаковыми скоростями. Масса второго тела в 3 раза больше массы первого. При этом кинетическая энергия второго тела

1) больше в 9 раз
2) меньше в 9 раз
3) больше в 3 раза
4) меньше в 3 раза

8. Тело падает на пол с поверхности демонстрационного стола учителя. (Сопротивление воздуха не учитывать.) Кинетическая энергия тела

1) минимальна в момент достижения поверхности пола
2) минимальна в момент начала движения
3) одинакова в любые моменты движения тела
4) максимальна в момент начала движения

9. Книга, упавшая со стола на пол, обладала в момент касания пола кинетической энергией 2,4 Дж. Высота стола 1,2 м. Чему равна масса книги? Сопротивлением воздуха пренебречь.

1) 0,2 кг
2) 0,288 кг
3) 2,0 кг
4) 2,28 кг

10. С какой скоростью следует бросить тело массой 200 г с поверхности Земли вертикально вверх, чтобы его потенциальная энергия в наивысшей точке движения была равна 0,9 Дж? Сопротивлением воздуха пренебречь. Потенциальную энергию тела отсчитывать от поверхности земли.

1) 0,9 м/с
2) 3,0 м/с
3) 4,5 м/с
4) 9,0 м/с

11. Установите соответствие между физической величиной (левый столбец) и формулой, по которой она вычисляется (правый столбец). В ответе запишите подряд номера выбранных ответов

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A. Потенциальная энергия взаимодействия тела с Землёй
Б. Кинетическая энергия
B. Потенциальная энергия упругой деформации

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
1) $ E=mv^2/2 $
2) $ E=kx^2/2 $
3) $ E=mgh $

12. Мяч бросили вертикально вверх. Установите соответствие между энергией мяча (левый столбец) и характером её изменения (правый столбец) при растяжении пружины динамометра. В ответе запишите подряд номера выбранных ответов.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A. Потенциальная энергия
Б. Кинетическая энергия
B. Полная механическая энергия

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
1) Уменьшается
2) Увеличивается
3) Не изменяется

Часть 2

13. Пуля массой 10 г, движущаяся со скоростью 700 м/с, пробила доску толщиной 2,5 см и при выходе из доски имела скорость 300 м/с. Определить среднюю силу сопротивления, воздействующую на пулю в доске.

Сохранение механической энергии

Профессор Массачусетского технологического института Уолтер Левин демонстрирует сохранение механической энергии

Согласно принципу сохранения механической энергии, механическая энергия изолированной системы остается постоянной во времени, пока система свободна от трения и других неконсервативных сил. В любой реальной ситуации присутствуют силы трения и другие неконсервативные силы, но во многих случаях их влияние на систему настолько мало, что принцип сохранения механической энергии может использоваться в качестве справедливого приближения . Хотя энергия не может быть создана или уничтожена в изолированной системе, ее можно преобразовать в другую форму энергии.

Качающийся маятник

Качающийся маятник с вектором скорости (зеленый) и вектором ускорения (синий). Величина вектора скорости, скорость маятника наибольшая в вертикальном положении, а маятник находится дальше всего от Земли в своих крайних положениях.

В механической системе, такой как качающийся маятник, подверженный консервативной гравитационной силе, где силы трения, такие как сопротивление воздуха и трение в оси, пренебрежимо малы, энергия передается назад и вперед между кинетической и потенциальной энергией, но никогда не покидает систему. Маятник достигает наибольшей кинетической энергии и наименьшей потенциальной энергии в вертикальном положении, поскольку в этой точке он будет иметь наибольшую скорость и находиться ближе всего к Земле. С другой стороны, у него будет наименьшая кинетическая энергия и наибольшая потенциальная энергия в крайних положениях своего поворота, потому что он имеет нулевую скорость и в этих точках находится дальше всего от Земли

Однако, принимая во внимание силы трения, система теряет механическую энергию при каждом качании из-за отрицательной работы, совершаемой на маятник этими неконсервативными силами.

Необратимость

То, что потеря механической энергии в системе всегда приводила к повышению температуры системы, было известно давно, но физик-любитель Джеймс Прескотт Джоуль первым экспериментально продемонстрировал, как определенная работа, проделанная против трения, приводит к определенное количество тепла, которое следует рассматривать как случайные движения частиц, составляющих материю. Эта эквивалентность механической энергии и тепла особенно важна при рассмотрении сталкивающихся объектов. При упругом столкновении механическая энергия сохраняется — сумма механических энергий сталкивающихся объектов одинакова до и после столкновения. Однако после неупругого столкновения механическая энергия системы изменится. Обычно механическая энергия до столкновения больше, чем механическая энергия после столкновения. При неупругих столкновениях часть механической энергии сталкивающихся объектов преобразуется в кинетическую энергию составляющих частиц. Это увеличение кинетической энергии составляющих частиц воспринимается как повышение температуры. Столкновение можно описать, сказав, что некоторая часть механической энергии сталкивающихся объектов была преобразована в такое же количество тепла. Таким образом, общая энергия системы остается неизменной, хотя механическая энергия системы уменьшилась.

спутниковое

график кинетической энергии , гравитационной потенциальной энергии и механической энергии в зависимости от расстояния от центра Земли, r при R = Re, R = 2 * Re, R = 3 * Re и, наконец, R = геостационарный радиусK{\ displaystyle K}U{\ displaystyle U}Eмеcчасапяcал{\ Displaystyle E _ {\ mathrm {механический}}}

Спутник массы на расстоянии от центра Земли обладает как кинетической энергией, (в силу своего движения), так и гравитационной потенциальной энергией , (в силу своего положения в гравитационном поле Земли; масса Земли равна ). Следовательно, механическая энергия системы спутник-Земля определяется выражением
м{\ displaystyle m}р{\ displaystyle r}K{\ displaystyle K}U{\ displaystyle U}M{\ displaystyle M}Eмеcчасапяcал{\ Displaystyle E _ {\ mathrm {механический}}}

Eмеcчасапяcалзнак равноU+K{\ Displaystyle E _ {\ mathrm {механический}} = U + K}

Eмеcчасапяcалзнак равно-граммMмр +12 мv2{\ displaystyle E _ {\ mathrm {Mechanical}} = — G {\ frac {Mm} {r}} \ + {\ frac {1} {2}} \ mv ^ {2}}

Если спутник находится на круговой орбите, уравнение сохранения энергии можно упростить до

Eмеcчасапяcалзнак равно-граммMм2р {\ displaystyle E _ {\ mathrm {Mechanical}} = — G {\ frac {Mm} {2r}} \}

так как в круговом движении второй закон движения Ньютона можно считать

граммMмр2 знак равномv2р {\ displaystyle G {\ frac {Mm} {r ^ {2}}} \ = {\ frac {mv ^ {2}} {r}} \}

Работа и энергия

Механическую работу можно определить, если известны сила, действующая на тело, и перемещение тела. Существует и другой способ для расчета механической работы. Рассмотрим пример:

На рисунке изображено тело, которое может находиться в различных механических состояниях (I и II). Процесс перехода тела из состояния I в состояние II характеризуется механической работой, то есть при переходе из состояния I в состояние II тело может осуществить работу. При осуществлении работы меняется механическое состояние тела, а механическое состояние можно охарактеризовать одной физической величиной — энергией.

Энергия — это скалярная физическая величина всех форм движения материи и вариантов их взаимодействия.

Лучистая энергия

Свет – это лучистая энергия, которая распространяется волнами.

Энергия в форме света или тепла – это лучистая энергия, более известная как излучение. Излучение – это электромагнитные волны, которым не нужны средства для перемещения подобно звуковым волнам, чтобы они могли перемещаться в космическом пространстве. Источником электромагнитных волн являются электроны, которые вибрируют, создавая электрическое поле и магнитное поле.

Различные типы лучистой энергии или излучения (потоки) упорядочены по уровням энергии в электромагнитном спектре. Они путешествуют в космосе со скоростью 300 миллионов метров в секунду, то есть со скоростью света.

Рентгеновские и гамма-лучи – это невидимые излучения с большим количеством энергии. Оба имеют важные применения в медицине. Рентген используется для диагностики переломов костей, в то время как гамма-излучение используется для диагностики неврологических заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, или при заболеваниях сердца.

В ультрафиолетовых (УФ) лучей представляют собой тип невидимого излучения , создаваемого Солнцем и некоторых специальных ламп. Эти лучи отвечают за загар, который мы приобретаем, когда подвергаем себя воздействию солнца. Однако чрезмерное воздействие ультрафиолетовых лучей может вызвать ожоги и рак кожи. Вот почему вы должны защищать свое тело, когда вы долго на солнце, особенно кожу (чтобы защититься от рака кожи) и глаза.

Видимый свет излучения – это то, что человеческий глаз может воспринимать. Обычно мы видим белый свет, который является не более чем смесью огней разных цветов. Свет находится в энергетических пакетах, называемых фотонами, которые не имеют массу.

Инфракрасное излучение, микроволна и радиоволны менее энергичное излучение электромагнитного спектра. Радиоволны и микроволны – это волны, используемые в коммуникациях для передачи звука и изображений.

Вибрирующие стереодинамики

Форма звуковой энергии

Звук — это движение энергии через среду (такую как вода или воздух) и вызвано вибрациями. Звуковая энергия распространяется в виде волн и достигает наших барабанных перепонок, которые затем вибрируют, и наш мозг интерпретирует ее как звук.

Стереодинамики (или все, что производит звук) работает таким же образом. Если вы проигрываете его громче и кладете на него руку, вы почувствуете, как он вибрирует. Что на самом деле происходит, так это то, что колонка движется вперед и назад, надавливая на частицы воздуха, что изменяет давление воздуха и генерирует звуковые волны.

Еще одним отличным примером может служить игра на барабанах; когда вы бьете по барабану, его поверхность вибрирует и вызывает звук.
В отличие от света, звук не может проходить через вакуум, так как нет атомов, которые могли бы передавать вибрацию.