Зависимость кинетической и потенциальной энергии. Как вычисляется формула кинетической и потенциальной энергии

Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии

Понятие энергии

Энергия – скалярная величина. В системе СИ единицей измерения энергии является Джоуль.

Кинетическая и потенциальная энергия

Различают два вида энергии – кинетическую и потенциальную.

Потенциальная энергия в поле тяготения Земли – это энергия, обусловленная гравитационным взаимодействием тела с Землей. Она определяется положением тела относительно Земли и равна работе силы тяжести по перемещению тела из данного положения на нулевой уровень:

Потенциальная энергия упруго деформированного тела – энергия, обусловленная взаимодействием частей тела друг с другом. Она равна работе внешних сил по растяжению (сжатию) недеформированной пружины на величину :

Тело может одновременно обладать и кинетической, и потенциальной энергией.

Полная механическая энергия тела или системы тел равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела (системы тел):

Закон сохранения энергии

Для замкнутой системы тел справедлив закон сохранения энергии:

    полная механическая энергия замкнутой системы тел есть величина постоянная:

В случае, когда на тело (или систему тел) действуют внешние силы, например, сила трения, закон сохранения механической энергии не выполняется. В этом случае изменение полной механической энергии тела (системы тел) равно работе внешних сил:

Закон сохранения энергии позволяет установить количественную связь между различными формами движения материи. Так же, как и закон сохранения импульса, он справедлив не только для механических движений, но и для всех явлений природы. Закон сохранения энергии говорит о том, что в энергию в природе нельзя уничтожить так же, как и создать из ничего.

В наиболее общем виде закон сохранения энергии можно сформулировать так:

  • энергия в природе не исчезает и не создается вновь, а только превращается из одного вида в другой.

Примеры решения задач

Так как сила сопротивления вала противоположна направлению движения пули, работа этой силы:

Изменение кинетической энергии пули:

Таким образом, можно записать:

откуда сила сопротивления земляного вала:

Переведем единицы в систему СИ: г кг.

Вычислим силу сопротивления:

откуда скорость плиты с грузом после удара:

По закону сохранения энергии полная механическая энергия груза вместе с плитой после удара равна потенциальной энергии сжатой пружины:

Далее решаем квадратное уравнение:

Ускорение свободного падения м/с .

Отрицательный корень отбрасываем как неподходящий по смыслу задачи.

Кинетическая и потенциальная энергии

Энергия — важнейшее понятие в механике. Что такое энергия. Существует множество определений, и вот одно из них.

Читать еще:  Россия попала в пятерку худших стран для пенсионеров. Страшная пенсия

Что такое энергия?

Энергия — это способность тела совершать работу.

Кинетическая энергия

Рассмотрим тело, которое двигалось под действием каких-то сил изменило свою скорость с v 1 → до v 2 → . В этом случае силы, действующие на тело, совершили определенную работу A .

Работа всех сил, действующих на тело, равна работе равнодействующей силы.

F р → = F 1 → + F 2 →

A = F 1 · s · cos α 1 + F 2 · s · cos α 2 = F р cos α .

Установим связь между изменением скорости тела и работой, совершенной действующими на тело силами. Для простоты будем считать, что на тело действует одна сила F → , направленная вдоль прямой линии. Под действием этой силы тело движется равноускоренно и прямолинейно. В этом случае векторы F → , v → , a → , s → совпадают по направлению и их можно рассматривать как алгебраические величины.

Работа силы F → равна A = F s . Перемещение тела выражается формулой s = v 2 2 — v 1 2 2 a . Отсюда:

A = F s = F · v 2 2 — v 1 2 2 a = m a · v 2 2 — v 1 2 2 a

A = m v 2 2 — m v 2 2 2 = m v 2 2 2 — m v 2 2 2 .

Как видим, работа, совершенная силой, пропорционально изменению квадрата скорости тела.

Определение. Кинетическая энергия

Кинетическая энергия тела равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости.

Кинетическая энергия — энергия движения тела. При нулевой скорости она равна нулю.

Терема о кинетической энергии

Вновь обратимся к рассмотренному примеру и сформулируем теорему о кинетической энергии тела.

Теорема о кинетической энергии

Работа приложенной к телу силы равна изменению кинетической энергии тела. Данное утверждение справедливо и тогда, когда тело движется под действием изменяющейся по модулю и направлению силы.

A = E K 2 — E K 1 .

Таким образом, кинетическая энергия тела массы m , движущегося со скоростью v → , равна работе, которую сила должна совершить, чтобы разогнать тело до этой скорости.

A = m v 2 2 = E K .

Чтобы остановить тело, нужно совершить работу

A = — m v 2 2 =- E K

Потенциальная энергия

Кинетическая энергия — это энергия движения. Наряду с кинетической энергией есть еще потенциальная энергия, то есть энергия взаимодействия тел, которая зависит от их положения.

Например, тело поднято над поверхностью земли. Чем выше оно поднято, тем больше будет потенциальная энергия. Когда тело падает вниз под действием силы тяжести, эта сила совершает работу. Причем работа силы тяжести определяется только вертикальным перемещением тела и не зависит от траектории.

Вообще о потенциальной энергии можно говорить только в контексте тех сил, работа которых не зависит от формы траектории тела. Такие силы называются консервативными (или диссипативными).

Примеры диссипативных сил: сила тяжести, сила упругости.

Когда тело движется вертикально вверх, сила тяжести совершает отрицательную работу.

Рассмотрим пример, когда шар переместился из точки с высотой h 1 в точку с высотой h 2 .

При этом сила тяжести совершила работу, равную

A = — m g ( h 2 — h 1 ) = — ( m g h 2 — m g h 1 ) .

Эта работа равна изменению величины m g h , взятому с противоположным знаком.

Величина Е П = m g h — потенциальна энергия в поле силы тяжести. На нулевом уровне (на земле) потенциальная энергия тела равна нулю.

Определение. Потенциальная энергия

Потенциальная энергия — часть полной механической энергии системы, находящейся в поле диссипативных(консервативных) сил. Потенциальная энергия зависит от положения точек, составляющих систему.

Читать еще:  Прекрасные слова любимой жене. Короткие признания любимой жене в прозе

Можно говорить о потенциальной энергии в поле силы тяжести, потенциальной энергии сжатой пружины и т.д.

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком.

A = — ( E П 2 — E П 1 ) .

Ясно, что потенциальная энергия зависит от выбора нулевого уровня (начала координат оси OY). Подчеркнем, что физический смысл имеет изменение потенциальной энергии при перемещении тел друг относительно друга. При любом выборе нулевого уровня изменение потенциальной энергии будет одинаковым.

При расчете движения тел в поле гравитации Земли, но на значительных расстояниях от нее, во внимание нужно принимать закон всемирного тяготения (зависимость силы тяготения от расстояния до цента Земли). Приведем формулу, выражающую зависимость потенциальной энергии тела.

Здесь G — гравитационная постоянная, M — масса Земли.

Потенциальная энергия пружины

Представим, что в первом случае мы взяли пружину и удлинили ее на величину x . Во втором случае мы сначала удлинили пружину на 2 x , а затем уменьшили на x . В обоих случаях пружина оказалась растянута на x , но это было сделано разными способами.

При этом работа силы упругости при изменении длины пружины на x в обоих случаях была одинакова и равна

A у п р = — A = — k x 2 2 .

Величина E у п р = k x 2 2 называется потенциальной энергией сжатой пружины. Она равна работе силы упругости при переходе из данного состояния тела в состояние с нулевой деформацией.

Кинетическая и потенциальная энергия

Содержание

  1. Как возникает кинетическая энергия
  2. Что такое потенциальная энергия
  3. Сила тяжести — источник потенциальной энергии
  4. Упругие деформации — источник энергии
  5. Что мы узнали?
  • Тест по теме

Как возникает кинетическая энергия

Под действием силы F тело массы m начинает движение, и его скорость v будет претерпевать изменения. Попробуем найти связь между работой A, совершенной силой F, и изменением скорости. По определению работа А будет равна произведению силы F на величину смещения s:

Сила, по второму закону Ньютона, равна:

где a — ускорение.

Из законов механики известно, что модуль смещения s при равноускоренном прямолинейном движении связан с модулями начальной v1 и конечной v2 скоростей и ускорения a следующей формулой;

Отсюда следует выражение для работы:

Физическая величина, равная половине произведения массы тела m на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела Ek. Слово “кинетическая” имеет латинское происхождение (“кинема” — движение).

Тогда для работы A получим следующую формулу:

Таким образом, работа силы, приложенной к телу, равна изменению кинетической энергии тела. Поэтому любое движущееся тело обладает кинетической энергией.

Рис. 1. Примеры кинетической энергии:.

Что такое потенциальная энергия

Потенциальная энергия — это энергия, которая основывается на взаимном расположении взаимодействующих тел (или частей одного тела). Слово “потенциальная” имеет латинское происхождение (“potentialis” — мощный, могущий). Одно тело, не взаимодействующее с другими телами, не может обладать потенциальной энергией. Потенциальная энергия — это энергия взаимодействия тел. Разберем два основных примера по теме потенциальной энергии: энергия тела, на которое воздействует сила земного притяжения и энергия упруго деформированного тела.

Сила тяжести — источник потенциальной энергии

По аналогии с кинетической энергией определим работу A, совершенную силой тяжести FТ по перемещению тела массой m с высоты h1 от поверхности Земли до высоты h2. При этом h1 > h2, то есть тело переместилось сверху вниз. Считаем силу тяжести постоянной, независящей от высоты и равной m*g, где g = 9,8 м/с 2 — ускорение свободного падения. Тогда, воспользовавшись формулой (1), получим:

Читать еще:  Можно ли справить день рождения заранее. Почему нельзя отмечать день рождения раньше времени

$A = m*g*(h_1 – h_2)$ (7)

Таким образом, работа силы тяжести по переходу тела с высоты h1 на высоту h2 от поверхности Земли равна изменению величины m*g*h, которая и называется потенциальной энергией тела Ep:

Величина работы есть ничто иное, как изменение энергии тела, в данном случае потенциальной:

Рис. 2. Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести:.

Если за нулевой уровень (точку отсчета) взята поверхность Земли, то на глубине h тело будет обладать отрицательной потенциальной энергией:

Упругие деформации — источник энергии

Если к пружине с жесткостью k на горизонтальной поверхности присоединить грузик, вытянуть пружину, а затем отпустить грузик, то под действием силы упругости пружины грузик придет в движение и сдвинется на определенное расстояние. Попробуем снова вычислить работу, которую совершит сила упругости при удлинении пружины от начального положения x1 до конечного х2.

Рис. 3. Потенциальная энергия пружины:.

Сила упругости будет изменяться в зависимости от размера деформации. Работа, произведенная силой упругости Fу при смещении пружины из точки x1 в точку x2, будет равна:

$A = F_у (x_1 – x_2)$ (10).

Сила упругости по закону Гука прямо пропорциональна деформации пружины, и среднее ее значение равно:

Подставив в (10) вместо Fу значение из уравнения (11), получаем:

Уравнение (12) можно представить в несколько другом виде:

Из уравнения (13) видно, что работа равна разности величины потенциальной энергии Ep в точках х1 и х2:

Из уравнений (13) и (14) следует, что работа силы упругости равна изменению потенциальной энергии пружины. Если в конечной точке х2=0, т.е. пружина не деформирована, то:

Значит потенциальная энергия деформированного тела равна работе, совершенной силой упругости при переходе тела в состояние с нулевой деформацией.

Причина возникновения сил упругости кроется во взаимодействии атомов и молекул тела. При сжимании возникают силы отталкивания между атомами, а при растяжении — силы притяжения, которые стремятся восстановить начальные размеры. Атомы и молекулы в своем составе имеют электроны и протоны — частицы с электрическими зарядами. В результате деформаций изменяются взаимные положения атомов и молекул. Электрические силы стремятся вернуть атомы в начальное положение. Так возникает сила упругости.

Модули упругости различных тел рассчитываются с помощью специальных математических моделей на основании экспериментальных данных. Значения модулей упругости для различных материалов приведены в справочных таблицах.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что такое кинетическая и потенциальная энергии. С помощью базовых определений выведены формулы кинетической и потенциальной энергии (5), (8) и (14). Потенциальной энергией не может обладать одно тело — это энергия взаимодействия тел. Кинетической энергией обладает любое движущееся тело.

Источники:

http://ru.solverbook.com/spravochnik/mexanika/dinamika/zakon-soxraneniya-energii/
http://zaochnik.com/spravochnik/fizika/zakony-sohranenija-v-mehanike/kineticheskaja-i-potentsialnaja-energii/
http://obrazovaka.ru/fizika/kineticheskaya-i-potencialnaya-energiya-primery.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector