материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике
Оглавление:
- Работа.
- Мощность.
- Механическая энергия.
- Кинетическая энергия.
- Потенциальная энергия тела вблизи поверхности Земли.
- Потенциальна яэнергия деформированной пружины.
- Закон изменения механической энергии.
Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: работа силы, мощность, кинетическая энергия, потенциальная энергия, закон сохранения механической энергии.
Мы приступаем к изучению энергии — фундаментального физического понятия. Но предварительно нужно разобраться с другой физической величиной — работой силы.
Работа.
Пусть на тело действует постоянная сила и тело, двигаясь прямолинейно по горизонтальной поерхности, совершило перемещение . Сила не обязательно является непосредственной причиной перемещения (так, сила тяжести не является непосредственной причиной перемещения шкафа, который передвигают по комнате).
Предположим сначала, что векторы силы и перемещения сонаправлены (рис. 1; остальные силы, действующие на тело, не указаны)
| Рис. 1.A=Fs |
В этом простейшем случае работа определяется как произведение модуля силы на модуль перемещения:
. (1)
Единицей измерения работы служит джоуль (Дж): Дж=Н м. Таким образом, если под действием силы 1 Н тело перемещается на 1 м, то сила совершает работу 1 Дж.
Работа силы, перпендикулярной перемещению, по определению считается равной нулю. Так, в данном случае сила тяжести и сила реакции опоры не совершают работы.
| Рис. 2. A=Fs cos |
Разложим силу на две составляющие: (параллельную перемещению) и (перпендикулярную перемещению).
Работу совершает только . Поэтому для работы силы получаем:
. Итак,
. (2)
Если вектор силы образует с вектором перемещения тупой угол , то работа по-прежнему определяется формулой (2). В этом случае работа оказывается отрицательной.
Например, работа силы трения скольжения, действующей на тело в рассмотренных ситуациях, будет отрицательной, так как сила трения направлена противоположно перемещению. В этом случае имеем:
, и для работы силы трения получаем:
,
где — масса тела, — коэффициент трения между телом и опорой.
Соотношение (2) означает, что работа является скалярным произведением векторов силы и перемещения:
.
Это позволяет вычислять работу через координаты данных векторов:
.
Пусть на тело действуют несколько сил и — равнодействующая этих сил. Для работы силы имеем:
,
или
,
где — работы сил . Итак, работа равнодействующей приложенных к телу сил равна сумме работ каждой силы в отдельности.
Мощность.
Часто имеет значение быстрота, с которой совершается работа. Скажем, на практике важно знать, какую работу сможет выполнить данное устройство за фиксированное время.
Мощность — это величина, характеризующая скорость совершения работы. Мощность есть отношение работы ко времени , за которое эта работа совершена:
.
Мощность измеряется в ваттах (Вт). 1 Вт = 1 Дж/с, то есть 1 Вт — это такая мощность, при которой работа в 1 Дж совершается за 1 с.
Предположим, что силы, действующие на тело, уравновешены, и тело движется равномерно и прямолинейно со скоростью . В этом случае существует полезная формула для мощности, развиваемой одной из действующих сил .
За время тело совершит перемещение . Работа силы будет равна:
.
Отсюда получаем мощность:
,
или
,
где -угол между векторами силы и скорости.
Наиболее часто эта формула используется в ситуации, когда — сила «тяги» двигателя автомобиля (которая на самом деле есть сила трения ведущих колёс о дорогу).
В этом случае , и мы получаем просто:
.
Механическая энергия.
Энергия является мерой движения и взаимодействия любых объектов в природе. Имеются различные формы энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная. . .
Опыт показывает, что энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, она лишь переходит из одной формы в другую. Это самая общая формулировка закона сохранения энергии.
Каждый вид энергии представляет собой некоторое математическое выражение. Закон сохранения энергии означает, что в каждом явлении природы определённая сумма таких выражений остаётся постоянной с течением времени.
Измеряется энергия в джоулях, как и работа.
Механическая энергия является мерой движения и взаимодействия механических объектов (материальных точек, твёрдых тел).
Мерой движения тела является кинетическая энергия. Она зависит от скорости тела.
Мерой взаимодействия тел является
Механическая энергия системы тел равна сумме кинетической энергии тел и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.
Кинетическая энергия.
Кинетической энергией тела (принимаемого за материальную точку) называется величина
,
где — масса тела, — его скорость.
Кинетической энергией системы из тел называется сумма кинетических энергий каждого тела:
.
Если тело движется под действием силы , то кинетическая энергия тела, вообще говоря, меняется со временем. Оказывается, именение кинетической энергии тела за некоторый промежуток времени равно работе силы . Покажем это для случая прямолинейного равноускоренного движения.
Пусть — начальная скорость, — конечная скорость тела. Выберем ось вдоль траектории тела (и, соответственно, вдоль вектора силы ).
.
(мы воспользовались формулой для , выведенной в статье «Равноускоренное движение»). Заметим теперь, что в данном случае проекция скорости отличается от модуля скорости разве что знаком; поэтому и . В результате имеем:
,
что и требовалось.
На самом деле соотношение справедливо и в самом общем случае криволинейного движения под действием переменной силы.
Теорема о кинетической энергии. Изменение кинетической энергии тела равно работе, совершённой приложенными к телу внешними силами за рассматриваемый промежуток времени.
Если работа внешних сил положительна, то кинетическая энергия увеличивается (, тело разгоняется).
Если работа внешних сил отрицательна, то кинетическая энергия уменьшается (, тело замедляет движение). Пример — торможение под действием силы трения, работа которой отрицательна.
Если же работа внешних сил равна нулю, то кинетическая энергия тела за это время не меняется.
Нетривиальный пример — равномерное движение по окружности, совершаемое грузом на нити в горизонтальной плоскости. Сила тяжести, сила реакции опоры и сила натяжения нити всегда перпендикулярны скорости, и работа каждой из этих сил равна нулю в течение любого промежутка времени. Соответственно, кинетическая энергия груза (а значит, и его скорость) остаётся постоянной в процессе движения.
Задача. Автомобиль едет по горизонтальной дороге со скоростью и начинает резко тормозить. Найти путь , пройденный автомобилем до полной остановки, если коэффициент трения шин о дорогу равен .
Решение. Начальная кинетическая энергия автомобиля , конечная кинетическая энергия . Изменение кинетической энергии .
На автомобиль действуют сила тяжести , реакция опоры и сила трения . Сила тяжести и реакция опоры, будучи перпендикулярны перемещению автомобиля, работы не совершают. Работа силы трения:
.
Из теоремы о кинетической энергии теперь получаем:
.
Потенциальная энергия тела вблизи поверхности Земли.
Рассмотрим тело массы , находящееся на некоторой высоте над поверхностью Земли. Высоту считаем много меньше земного радиуса. Изменением силы тяжести в процессе перемещения тела пренебрегаем.
Если тело находится на высоте , то потенциальная энергия тела по определению равна:
где — ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли.
Высоту не обязательно отсчитывать от поверхности Земли. Как мы увидим ниже (формулы (3), (4)), физическим смыслом обладает не сама по себе потенциальная энергия, но её изменение. А изменение потенциальной энергии не зависит от уровня отсчёта. Выбор нулевого уровня потенциальной энергии в конкретной задаче диктуется исключительно соображениями удобства.
Найдём работу, совершаемую силой тяжести при перемещении тела. Предположим, что тело перемещается по прямой из точки , находящейся на высоте , в точку , находящуюся на высоте (рис.
3).
| Рис. 3.A=mg(h2-h3)[/math] |
Угол между силой тяжести и перемещением тела обозначим . Для работы силы тяжести получим:
.
Но, как видно из рис. 3, . Поэтому
,
или
. (3)
Учитывая, что , имеем также:
. (4)
Можно доказать, что формулы (3) и (4) справедливы для любой траектории, по которой тело перемещается из точки в точку , а не только для прямолинейного отрезка.
Работа силы тяжести не зависит от формы траектории, по которой перемещается тело, и равна разности значений потенциальной энергии в начальной и конечной точках траектории. Иными словами, работа силы тяжести всегда равна изменению потенциальной энергии с противоположным знаком. В частности, работа силы тяжести по любому замкнутому пути равна нулю.
Сила называется консервативной, если при перемещении тела работа этой силы не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением тела.
Сила тяжести, таким образом, является консервативной. Работа консервативной силы по любому замкнутому пути равна нулю. Только в случае консервативной силы возможно ввести такую величину, как потенциальная энергия.
Потенциальна яэнергия деформированной пружины.
Рассмотрим пружину жёсткости . Начальная деформация пружины равна . Предположим,
что пружина деформируется до некоторой конечной величины деформации . Чему равна при этом работа силы упругости пружины?
В данном случае силу на перемещение не умножишь, так как сила упругости меняется в процессе деформации пружины. Для нахождения работы переменной силы требуется интегрирование. Мы не будем приводить здесь вывод, а сразу выпишем конечный результат.
Оказывается, сила упругости пружины также является консервативной. Её работа зависит лишь от величин и и определяется формулой:
.
Величина
называется потенциальной энергией деформированной пружины (x — величина деформации).
Следовательно,
,
что полностью аналогично формулам (3) и (4).
Закон сохранения механической энергии.
Консервативные силы называются так потому, что сохраняют механическую энергию замкнутой системы тел.
Механическая энергия тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергий:
.
Механическая энергия системы тел равна сумме их кинетических энергий и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.
Предположим, что тело совершает движение под действием силы тяжести и/или силы упругости пружины. Будем считать, что трения нет. Пусть в начальном положении кинетическая и потенциальная энергии тела равны и , в конечном положении — и . Работу внешних сил при перемещении тела из начального положения в конечное обозначим .
По теореме о кинетической энергии
.
Но работа консервативных сил равна разности потенциальных энергий:
.
Отсюда получаем:
,
или
.
Левая и правая части данного равенства представляют собой механическую энергию тела в начальном и конечном положении:
.
Следовательно, при движении тела в поле силы тяжести и/или на пружине механическая энергия тела остаётся неизменной при отсутствии трения. Справедливо и более общее утверждение.
Закон сохранения механической энергии. Если в замкнутой системе действуют только консервативные силы, то механическая энергия системы сохраняется.
При этих условиях могут происходить лишь превращения энергии: из кинетической в потенциальную и наоборот. Общий запас механической энергии системы остаётся постоянным.
Закон изменения механической энергии.
Если между телами замкнутой системы имеются силы сопротивления (сухое или вязкое трение), то механическая энергия системы будет уменьшаться. Так, автомобиль останавливается в результате торможения, колебания маятника постепенно затухают и т.
д. Силы трения неконсервативны: работа силы трения очевидным образом зависит от пути, по которому перемещается тело между данными точками. В частности, работа силы трения по замкнутому пути не равна нулю.
Снова рассмотрим движение тела в поле силы тяжести и/или на пружине. Вдобавок на тело действует сила трения, которая за рассматриваемый промежуток времени совершает отрицательную работу . Работу консервативных сил (тяжести и упругости) по-прежнему обозначаем .
Изменение кинетической энергии тела равно работе всех внешних сил:
.
Но , следовательно
.
Отсюда
,
или
.
В левой части стоит величина — изменение механической энергии тела:
.
Итак,при движении тела в поле силы тяжести и/или на пружине изменение механической энергии тела равно работе силы трения. Так как работа силы трения отрицательна,изменение механической энергии также отрицательно: механическая энергия убывает.
Справедливо и более общее утверждение.
Закон изменения механической энергии. Изменение механической энергии замкнутой системы равно работе сил трения, действующих внутри системы.
Ясно, что закон сохранения механической энергии является частным случаем данного утверждения.
Конечно, убыль механической энергии не противоречит общефизическому закону сохранения энергии. В данном случае механическая энергия превращается в энергию теплового движения частиц вещества и их потенциальную энергию взаимодействия друг с другом, т. е. переходит во внутреннюю энергию тел системы.
Спасибо за то, что пользуйтесь нашими публикациями.
Информация на странице «Энергия.» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.
Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими статьями из данного раздела.
Публикация обновлена: 08.04.2023
Закон сохранения энергии. | Объединение учителей Санкт-Петербурга
Основные ссылки
CSS adjustments for Marinelli theme
Объединение учителей Санкт-Петербурга
Форма поиска
Поиск
Вы здесь
Главная » Закон сохранения энергии.
Закон сохранения механической энергии. | |
Сумма кинетической и потенциальной энергий системы тел называется полной механической энергиейсистемы. | E = Ep + Ek |
Учитывая, что при совершении работы A = ΔEk и, одновременно, A = — ΔEp, | ΔEk = — ΔEp |
Значит, полная энергия системы остается постоянной: E = Ep + Ek = const. В замкнутой системе, в которой действуют только консервативные силы, механическая энергия сохраняется. | E = Ep + Ek = const |
Например, для тела, движущегося под действием силы тяжести (падение; тело, брошенное под углом к горизонту, вертикально вверх или движущееся по наклонной плоскости без трения): | |
Работа силы трения и механическая энергия. | |
Если в системе действуют силы трения (сопротивления), которые не являются консервативными, то энергия не сохраняется. | E1 — E2 = Aтр |
Т.о. механическая энергия может превращаться в другие виды энергии, напр. | |
Столкновения тел. | |
З-н сохранения и превращения механической энергии применяется, например, при изучении столкновений тел. При этом он выполняется в системе с з-ном сохранения импульса. Если движение происходит так, что потенциальная энергия системы остается неизменной, то может сохраняться кинетическая энергия. | |
Удар, при котором сохраняется механическая энергия системы, наз. абсолютно упругим ударом. | |
Удар, при котором тела движутся после столкновения вместе, с одинаковой скоростью, наз. | |
Удар, при котором тела до соударения движутся по прямой, проходящей через их центр масс, наз. |
|
е. изменение полной механической энергии) системы равно нулю.
, во внутреннюю(деформация взаимодействующих тел, нагревание).
центральным ударом.Теги:
конспект
7.6 Сохранение энергии — Физика колледжа 2e
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объясните закон сохранения энергии.
- Опишите некоторые из множества форм энергии.
- Определить эффективность процесса преобразования энергии как часть, оставшуюся в виде полезной энергии или работы, а не преобразованную, например, в тепловую энергию.
Закон сохранения энергии
Энергия, как мы уже отмечали, сохраняется, что делает ее одной из самых важных физических величин в природе. Закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом:
Суммарная энергия постоянна в любом процессе. Она может изменяться по форме или переходить из одной системы в другую, но общая сумма остается неизменной.
Мы изучили некоторые формы энергии и способы ее передачи из одной системы в другую. Это исследование привело к определению двух основных типов энергии: механической энергии KE+PEKE+PE и энергии, передаваемой за счет работы неконсервативных сил (Wnc)(Wnc). Но энергии занимает многие другие формы, проявляющиеся в многими различными способами, и нам нужно уметь иметь дело со всеми ними, прежде чем мы сможем написать уравнение для приведенного выше общего утверждения о сохранении энергии.
Другие формы энергии, кроме механической энергии
На данный момент мы имеем дело со всеми другими формами энергии, объединяя их в единую группу, называемую другой энергией (OEOE). Тогда мы можем сформулировать сохранение энергии в форме уравнения как
KEi+PEi+Wnc+OEi=KEf+PEf+OEf.KEi+PEi+Wnc+OEi=KEf+PEf+OEf.
7,65
Все виды энергии и работы могут быть включены в это очень общее утверждение о сохранении энергии.
Кинетическая энергия обозначается как KEKE, работа, совершаемая консервативной силой, обозначается PEPE, работа, совершаемая неконсервативными силами, обозначается WncWnc, а все остальные энергии включаются как OEOE. Это уравнение применимо ко всем предыдущим примерам; в этих ситуациях OEOE был постоянным, поэтому он вычитался и напрямую не учитывался.
Установление связей: полезность принципа энергосбережения
Тот факт, что энергия сохраняется и имеет много форм, делает ее очень важной. Вы обнаружите, что энергия обсуждается во многих контекстах, потому что она участвует во всех процессах. Также станет очевидным, что многие ситуации лучше всего понять с точки зрения энергии и что проблемы часто легче всего осмыслить и решить, рассматривая энергию.
Когда OEOE играет роль? Один пример возникает, когда человек ест. Пища окисляется с выделением углекислого газа, воды и энергии. Часть этой химической энергии преобразуется в кинетическую энергию, когда человек движется, в потенциальную энергию, когда человек меняет высоту, и в тепловую энергию (еще одна форма OEOE).
Некоторые из множества форм энергии
Какие существуют другие формы энергии? Вероятно, вы можете назвать ряд форм энергии, которые еще не обсуждались. Многие из них будут рассмотрены в следующих главах, но давайте остановимся на некоторых здесь. Электрическая энергия является обычной формой, которая преобразуется во многие другие формы и работает в широком диапазоне практических ситуаций. Топливо, такое как бензин и продукты питания, несут химическую энергию, которая может быть передана системе посредством окисления. Химическое топливо также может производить электрическую энергию, например, в батареях. Батареи, в свою очередь, могут производить свет, который является очень чистой формой энергии. Большинство источников энергии на Земле на самом деле представляют собой накопленную энергию энергии, которую мы получаем от Солнца. Иногда мы называем это лучистой энергией или электромагнитным излучением, которое включает в себя видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.
Ядерная энергия возникает в результате процессов, которые преобразуют измеримые количества массы в энергию. Ядерная энергия преобразуется в энергию солнечного света, в электрическую энергию в электростанциях, в энергию теплопередачи и взрыва в оружии. Атомы и молекулы внутри всех объектов находятся в хаотическом движении. Эта внутренняя механическая энергия от случайных движений называется тепловой энергией, потому что она связана с температурой объекта. Эти и все другие формы энергии могут превращаться друг в друга и совершать работу.
В таблице 7.1 указано количество энергии, хранящейся, используемой или высвобождаемой различными объектами и в различных явлениях. Диапазон энергий и разнообразие типов и ситуаций впечатляет.
Стратегии решения проблем в области энергетики
Вы найдете следующие стратегии решения проблем полезными всякий раз, когда вы имеете дело с энергией. Стратегии помогают в организации и укреплении энергетических концепций.
Фактически, они используются в примерах, представленных в этой главе. Знакомые общие стратегии решения проблем, представленные ранее, включая определение физических принципов, известных и неизвестных, проверку единиц измерения и т. д., продолжают оставаться актуальными и здесь.
Шаг 1. Определите интересующую систему и определите, какая информация предоставляется и какое количество должно быть рассчитано. Эскиз поможет.
Шаг 2. Изучите все задействованные силы и определите, знаете ли вы или получаете ли вы потенциальную энергию от работы, совершаемой этими силами. Затем используйте шаг 3 или шаг 4.
Шаг 3. Если вы знаете потенциальные энергии сил, входящих в задачу, то все силы консервативны, и вы можете применить закон сохранения механической энергии просто в терминах потенциальной и кинетическая энергия. Уравнение, выражающее сохранение энергии, имеет вид
KEi+PEi=KEf+PEf.
KEi+PEi=KEf+PEf.
7,66
Шаг 4. Если вы знаете потенциальную энергию только некоторых сил, возможно, потому, что некоторые из них неконсервативны и не имеют потенциальной энергии, или если есть другие энергии, которые нелегко рассматривать в с точки зрения силы и работы, то необходимо использовать закон сохранения энергии в его наиболее общей форме.
KEi+PEi+Wnc+OEi=KEf+PEf+OEf.KEi+PEi+Wnc+OEi=KEf+PEf+OEf.
7,67
В большинстве задач один или несколько членов равны нулю, что упрощает их решение. Не вычисляйте WcWc, работу консервативных сил; он уже включен в условия PEPE.
Шаг 5. Вы уже определили виды работы и энергии (на шаге 2). Прежде чем найти неизвестное, исключите члены везде, где это возможно , чтобы упростить алгебру. Например, выберите h=0h=0 либо в начальной, либо в конечной точке, чтобы PEgPEg было равно нулю. Затем решите неизвестное обычным способом.
Шаг 6. Проверьте правильность ответа . После того, как вы решили проблему, еще раз проверьте формы работы и энергии, чтобы убедиться, что вы правильно установили уравнение сохранения энергии. Например, работа, совершаемая против трения, должна быть отрицательной, потенциальная энергия у подножия холма должна быть меньше, чем у вершины, и так далее. Также убедитесь, что полученное численное значение является разумным. Например, конечная скорость скейтбордиста, спускающегося по рампе высотой 3 м, может составлять 20 км/ч, но 9 км/ч.0019 вместо 80 км/ч.
Преобразование энергии
Преобразование энергии из одной формы в другую происходит постоянно. Химическая энергия пищи преобразуется в тепловую посредством обмена веществ; световая энергия преобразуется в химическую посредством фотосинтеза. В более широком примере химическая энергия, содержащаяся в угле, преобразуется в тепловую энергию, когда он сгорает, превращая воду в пар в котле.
Эта тепловая энергия пара, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию, поскольку он вращает турбину, которая соединена с генератором для производства электроэнергии. (Во всех этих примерах не вся первоначальная энергия преобразуется в упомянутые формы. Этот важный момент обсуждается далее в этом разделе.)
Еще один пример преобразования энергии происходит в солнечной батарее. Солнечный свет, падающий на солнечный элемент (см. рис. 7.19), производит электричество, которое, в свою очередь, можно использовать для запуска электродвигателя. Энергия первичного источника солнечной энергии преобразуется в электрическую энергию, а затем в механическую энергию.
Рисунок 7.19 Солнечная энергия преобразуется в электрическую с помощью солнечных элементов, которые используются для запуска двигателя этого самолета, работающего на солнечной энергии. (кредит: НАСА)
| Объект/явление | Энергия в джоулях |
|---|---|
| Большой взрыв | 10681068 |
| Энергия, выпущенная сверхновой | 10441044 |
| Синтез всего водорода в океанах Земли | 10341034 |
| Годовое потребление энергии в мире | 4×10204×1020 |
| Большая термоядерная бомба (9 мегатонн) | 3,8×10163,8×1016 |
| 1 кг водорода (плавление в гелий) | 6,4×10146,4×1014 |
| 1 кг урана (атомного деления) | 8,0×10138,0×1013 |
| Бомба деления размером с Хиросиму (10 килотонн) | 4,2×10134,2×1013 |
| Авианосец водоизмещением 90 000 тонн на скорости 30 узлов | 1,1×10101,1×1010 |
| 1 баррель сырой нефти | 5,9×1095,9×109 |
| 1 тонна тротила | 4,2×1094,2×109 |
| 1 галлон бензина | 1,2×1081,2×108 |
| Ежедневное бытовое потребление электроэнергии (развитые страны) | 7×1077×107 |
| Суточная доза взрослого человека (рекомендуется) | 1,2×1071,2×107 |
| Автомобиль массой 1000 кг при скорости 90 км/ч | 3,1×1053,1×105 |
| 1 г жира (9,3 ккал) | 3,9×1043,9×104 |
| Реакция гидролиза АТФ | 3,2×1043,2×104 |
| 1 г углеводов (4,1 ккал) | 1,7×1041,7×104 |
| 1 г белка (4,1 ккал) | 1,7×1041,7×104 |
| Теннисный мяч на скорости 100 км/ч | 2222 |
| Комар (10–2 г при 0,5 м/с) (10–2 г при 0,5 м/с) | 1,3×10-61,3×10-6 |
| Одиночный электрон в пучке телевизионной трубки | 4,0×10−154,0×10−15 |
| Энергия для разрыва одной нити ДНК | 10−1910−19 |
Стол
7.
1
Энергия различных объектов и явлений
Эффективность
Несмотря на то, что энергия сохраняется в процессе преобразования энергии, выход полезная энергия или работа будет меньше, чем потребляемая энергия. Эффективность EffEff процесса преобразования энергии определяется как
Эффективность (Eff) = полезная энергия или выходная мощность, общая потребляемая энергия = WoutEin. Эффективность (Eff) = полезная энергия или выходная мощность, общая потребляемая энергия = WoutEin.
7,68
В таблице 7.2 перечислены некоторые КПД механических устройств и деятельность человека. Например, на угольной электростанции около 40% химической энергии угля превращается в полезную электрическую энергию. Остальные 60% преобразуются в другие (возможно, менее полезные) формы энергии, такие как тепловая энергия, которая затем выбрасывается в окружающую среду через дымовые газы и градирни.
| Действие/устройство | Эффективность (%) 1 |
|---|---|
| Велоспорт и альпинизм | 20 |
| Плавание, поверхность | 2 |
| Плавание под водой | 4 |
| Копание лопатой | 3 |
| Тяжелая атлетика | 9 |
| Паровая машина | 17 |
| Бензиновый двигатель | 30 |
| Дизельный двигатель | 35 |
| Атомная электростанция | 35 |
| Угольная электростанция | 42 |
| Электродвигатель | 98 |
| Компактная люминесцентная лампа | 20 |
| Газовый обогреватель (бытовой) | 90 |
| Солнечная батарея | 10 |
Стол
7.
2
Работоспособность человеческого организма и механических устройств
Исследования ФЕТ
Массы и пружины
Реалистичная лаборатория масс и пружин. Подвесьте грузы к пружинам и отрегулируйте жесткость пружины и демпфирование. Вы даже можете замедлить время. Перевозите лабораторию на разные планеты. Диаграмма показывает кинетическую, потенциальную и тепловую энергию для каждой пружины.
Законы о сохранении
Законы о сохранении Если система никак не взаимодействует с окружающей средой, то определенные механические свойства системы не могут измениться. Их иногда называют «константами движения». Эти величины называются «сохраняющимися», а вытекающие из них законы сохранения можно считать наиболее фундаментальными принципами механики. В механике примерами сохраняющихся величин являются энергия, импульс и угловой момент. Законы сохранения точны для изолированной системы. Сформулированные здесь как принципы механики, эти законы сохранения имеют далеко идущие последствия как симметрии природы, которые, как мы видим, не нарушаются. Они служат сильным ограничением для любой теории в любой отрасли науки. Существуют и другие типы законов сохранения, управляющие поведением природы в квантовой сфере. | Индекс | ||
| Назад |
Импульс изолированной системы является константой. Векторная сумма импульсов mv всех объектов системы не может быть изменена взаимодействиями внутри системы. Это накладывает сильное ограничение на типы движений, которые могут происходить в изолированной системе. Если одной части системы придан импульс в заданном направлении, то какой-то другой части или частям системы одновременно должен быть придан точно такой же импульс в противоположном направлении. | Индекс | ||
| Назад |
Насколько мы можем судить, сохранение импульса — это абсолютная симметрия природы. То есть мы не знаем ничего в природе, что бы ее нарушало.Энергия может быть определена как способность выполнять работу. Она может существовать в различных формах и может трансформироваться из одного вида энергии в другой. Однако эти преобразования энергии ограничиваются фундаментальным принципом сохранения энергии. Один из способов сформулировать этот принцип: «Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена». Другой подход состоит в том, чтобы сказать, что полная энергия изолированной системы остается постоянной. | Индекс Энергетические концепции | ||
| Назад |
Принцип сохранения энергии является одним из основополагающих принципов всех научных дисциплин.
| Индекс Энергетические концепции | |||||
| Назад |
В различных областях науки будут первичные уравнения, которые можно рассматривать как подходящую переформулировку принципа сохранения энергии. Угловой момент изолированной системы остается постоянным как по величине, так и по направлению. Угловой момент определяется как произведение момента инерции I на угловую скорость. Момент количества движения является векторной величиной, и векторная сумма моментов количества движения частей изолированной системы постоянна.
| Индекс | ||
| Назад |
Это накладывает сильное ограничение на типы вращательных движений, которые могут возникать в изолированной системе. Если одной части системы придан момент количества движения в заданном направлении, то какой-то другой части или частям системы одновременно должен быть придан точно такой же момент количества движения в противоположном направлении. Насколько мы можем судить, сохранение углового момента является абсолютной симметрией природы. То есть мы не знаем ничего в природе, что бы ее нарушало. Изолированная система подразумевает совокупность материи, которая вообще не взаимодействует с остальной вселенной — и, насколько нам известно, таких систем на самом деле не существует. |