Күнүмдүк тажрыйба көрсөткөндөй, кыймылсыз денелерди кыймылга келтирсе болот, ал эми кыймылдаткычтарды токтотсо болот. Биз тынымсыз бир нерсе кылып жатабыз, дүйнө дүрбөлөңгө түшүп, күн жаркырап турат… Бирок, адамдар, жаныбарлар, жалпы жаратылыш бул ишти аткарууга кайдан күч алат? Механикалык кыймыл изсиз жоголуп кетеби? Бир дене экинчисинин кыймылын өзгөртпөстөн кыймылдай баштайбы? Мунун баары жөнүндө макалабызда сүйлөшөбүз.
Энергия түшүнүгү
Автомобилдерди, тракторлорду, тепловоздорду жана учактарды иштеткен кыймылдаткычтар энергиянын булагы болгон отун талап кылат. Электр кыймылдаткычтары электр энергиясынын жардамы менен машиналарга кыймыл берет. Бийиктиктен түшкөн суунун энергиясынын эсебинен гидротурбиналар айланып, электр тогун чыгарган электр машиналарына кошулат. Адамга жашоо жана иштөө үчүн да энергия керек. Ар кандай жумушту аткаруу үчүн энергия керек дешет. Энергия деген эмне?
- Байкоо 1. Топту жерден өйдө көтөрүңүз. Ал абалда тургандатынчтык, эч кандай механикалык жумуш аткарылбайт. Аны коё берели. Тартылыштын таасири астында топ белгилүү бир бийиктиктен жерге түшөт. Топ түшкөндө механикалык жумуш аткарылат.
- Байкоо 2. Пружинаны жаап, жип менен бекитип, пружинага салмак салыңыз. Жипке от коёлу, пружина түздөп, салмакты белгилүү бир бийиктикке көтөрөт. Жаз механикалык жумуштарды аткарды.
- Байкоо 3. Таякчаны учундагы блок менен троллейбуска бекитиңиз. Блок аркылуу жипти ыргытабыз, анын бир учу арабанын огуна оролуп, экинчи жагына салмак илинип турат. Жүктү таштайлы. Гравитациянын таасири астында ал түшүп, араба кыймылын берет. Салмак механикалык жумуш аткарды.
Жогорудагы бардык байкоолорду талдап чыккандан кийин, өз ара аракеттенүү учурунда дене же бир нече дене механикалык жумуш аткарса, анда алар механикалык энергия же энергияга ээ деп айтышат деген жыйынтыкка келүүгө болот.
Энергия түшүнүгү
Энергетика (грек тилинен энергия – активдүүлүк) – денелердин иштөө жөндөмдүүлүгүн мүнөздөгөн физикалык чоңдук. Энергиянын бирдиги, ошондой эле SI системасындагы жумуш, бир Джоуль (1 Дж). Жазууда энергия Е тамгасы менен белгиленет. Жогорудагы эксперименттерден дене бир абалдан экинчи абалга өткөндө иштей турганын көрүүгө болот. Бул учурда дененин энергиясы өзгөрөт (азаят), ал эми дене аткарган механикалык жумуш анын механикалык энергиясынын өзгөрүшүнүн натыйжасына барабар болот.
Механикалык энергиянын түрлөрү. Потенциалдуу энергия түшүнүгү
Механикалык энергиянын 2 түрү бар: потенциалдык жана кинетикалык. Келиңиз, потенциалдуу энергияны кененирээк карап чыгалы.
Потенциалдык энергия (ПЭ) – өз ара аракеттенген денелердин же бир дененин бөлүктөрүнүн өз ара абалы менен аныкталуучу энергия. Кандайдыр бир дене менен жер бири-бирин өзүнө тартып тургандыктан, башкача айтканда, алар өз ара аракеттенгендиктен, жерден жогору көтөрүлгөн дененин ПЭ көтөрүлүү бийиктиги h көз каранды болот. Дене канчалык бийик көтөрүлсө, анын ПЭ да ошончолук чоң болот. PE анын көтөрүлгөн боюна гана эмес, дене салмагына да көз каранды экени эксперименталдык түрдө аныкталган. Эгерде денелер бирдей бийиктикке көтөрүлсө, анда чоң массалуу денеде да чоң ПЭ болот. Бул энергиянын формуласы төмөнкүчө: Ep=mgh, мында Ep – потенциалдык энергия, m – дененин массасы, g=9,81 Н/кг, ч. - бийиктик.
Жаздын потенциалдык энергиясы
Эластикалык деформацияланган дененин потенциалдык энергиясы деп Ep, физикалык чоңдук саналат, ал серпилгич күчтөрдүн таасири астында которуу кыймылынын ылдамдыгы өзгөргөндө дал ошончо азаят. кинетикалык энергия жогорулайт. Пружиналар (башка ийкемдүү деформацияланган денелер сыяктуу) алардын катуулук k жана деформация квадратынын жарымына барабар болгон ПЭге ээ: x=kx2:2.
Кинетикалык энергия: формула жана аныктама
Кээде механикалык жумуштун маанисин күч жана орун алмаштыруу түшүнүктөрүн колдонбостон кароого болот.дене энергиясынын өзгөрүшүн мүнөздөйт. Бизге керек болгон нерсе - бул дененин массасы жана анын баштапкы жана акыркы ылдамдыгы, ал бизди кинетикалык энергияга алып барат. Кинетикалык энергия (KE) – бул дененин өзүнүн кыймылынан улам болгон энергия.
Кинетикалык энергия шамал, ал шамал турбиналарына кыймыл берүү үчүн колдонулат. Кыймылдуу аба массалары шамал турбиналарынын канаттарынын жантайыңкы тегиздигине басым жасап, алардын айлануусуна себеп болот. Айлануучу кыймыл берүү системалары аркылуу белгилүү бир ишти аткарган механизмдерге берилет. Электр станциясынын турбиналарын айландыруучу кыймылдуу суу жумуш учурунда өзүнүн CEнин бир бөлүгүн жоготот. Асманда бийик учкан учакта PEден тышкары CE бар. Эгерде дене тынч абалда болсо, башкача айтканда, анын Жерге карата ылдамдыгы нөлгө барабар болсо, анда анын Жерге карата CE көрсөткүчү нөлгө барабар. Дененин массасы жана кыймылынын ылдамдыгы канчалык чоң болсо, анын КЭ да ошончолук чоң болору эксперименталдык түрдө аныкталган. Математикалык жактан которуу кыймылынын кинетикалык энергиясынын формуласы төмөнкүдөй:
Бул жерде K – кинетикалык энергия, m – дененин массасы, v – ылдамдык.
Кинетикалык энергиянын өзгөрүүсү
Дененин ылдамдыгы эталондук системаны тандоого көз каранды чоңдук болгондуктан, дененин FE мааниси да анын тандоосуна жараша болот. Дененин кинетикалык энергиясынын (ИКЭ) өзгөрүшү сырткы күчтүн F денеге тийгизген таасиринен пайда болот. IKEге барабар болгон физикалык чоңдук АΔEk дененин ага болгон F күчүнүн аракетинен улам жумуш деп аталат: A=ΔEk. Эгерде v 1 ылдамдыкта кыймылдаган денеге багытка дал келген F күч таасир этсе, анда дененин ылдамдыгы t убакыттын өтүшү менен кандайдыр бир мааниге v көбөйөт. 2. Бул учурда, IKE:
Мында m - дене салмагы; d - дененин басып өткөн жолу; Vf1=(V2 - V1); Vf2 =(V2 + V1); a=F: m. Бул формула боюнча кинетикалык энергия канча менен эсептелет. Формула ошондой эле төмөнкү чечмелөөгө ээ болушу мүмкүн: ΔЕк =Flcos ά, мында cosά – F күч векторлору менен V ылдамдыктын ортосундагы бурч.
Орточо кинетикалык энергия
Кинетикалык энергия – бул системага тиешелүү болгон ар кандай чекиттердин кыймыл ылдамдыгы менен аныкталуучу энергия. Бирок, кыймылдын ар кандай түрлөрүн мүнөздөгөн 2 энергияны айырмалоо зарыл экенин эстен чыгарбоо керек: которуу жана айлануу. Бул учурда орточо кинетикалык энергия (SKE) бүткүл системанын энергияларынын жыйындысы менен анын тынч энергиясынын ортосундагы орточо айырма, башкача айтканда, анын мааниси потенциалдык энергиянын орточо мааниси болуп саналат. Орточо кинетикалык энергиянын формуласы төмөнкүдөй:
мында k – Больцман туруктуусу; Т - температура. Дал ушул теңдеме молекулярдык-кинетикалык теориянын негизи болуп саналат.
Газ молекулаларынын орточо кинетикалык энергиясы
Көптөгөн эксперименттер берилген температурада которуу кыймылында газ молекулаларынын орточо кинетикалык энергиясы бирдей жана газдын түрүнө көз каранды эместигин аныктады. Кошумчалай кетсек, газды 1 оС ысытканда ТЭЦ ошол эле мааниге көбөйөрү да аныкталган. Тагыраак айтканда, бул маани төмөнкүгө барабар: WITH. Которуу кыймылындагы газ молекулаларынын орточо кинетикалык энергиясы эмнеге барабар экенин эсептөө үчүн бул салыштырмалуу чоңдуктан тышкары, которуу кыймылынын энергиясынын жок дегенде дагы бир абсолюттук маанисин билүү зарыл. Физикада бул баалуулуктар температуранын кеңири диапазону үчүн абдан так аныкталат. Мисалы, t=500 oС температурада молекуланын которуу кыймылынын кинетикалык энергиясы Ек=1600 x 10-23J. 2 чоңдукту (ΔЕк жана Ек) билүү менен, биз молекулалардын берилген температурадагы которуу кыймылынын энергиясын эсептей алабыз жана тескери маселе - белгиленген энергия маанилери менен температураны аныктоо.
Акыры, формуласы жогоруда келтирилген молекулалардын орточо кинетикалык энергиясы абсолюттук температурага (жана заттардын кандайдыр бир агрегаттык абалы үчүн) гана көз каранды деген тыянак чыгарууга болот.
Толук механикалык энергиянын сакталуу мыйзамы
Денелердин тартылуу жана серпилгич күчтөрдүн аракети астында кыймылын изилдөө белгилүү бир физикалык чоңдуктун бар экендигин көрсөттү, ал потенциалдык энергия деп аталат Ep;ал дененин координаталарына көз каранды жана анын өзгөрүүсү карама-каршы белги менен алынган IKEге барабар: Δ Ep= - ΔEkДемек, дененин тартылуу күчтөрү жана серпилгичтүү күчтөр менен өз ара аракеттенүүчү КЭ жана ПЭ өзгөрүүлөрдүн суммасы 0гө барабар: Дененин координаталарына гана көз каранды болгон күчтөр консервативдик деп аталат. Тартуу жана серпилгич күчтөр консервативдик күчтөр болуп саналат. Дененин кинетикалык жана потенциалдык энергияларынын суммасы жалпы механикалык энергия: Ep + Ek=E.
Эң так эксперименттер менен далилденген бул чындык
механикалык энергиянын сакталуу мыйзамы деп аталат. Эгерде денелер салыштырмалуу кыймылдын ылдамдыгына көз каранды болгон күчтөр менен өз ара аракеттенишсе, өз ара аракеттенген денелердин системасында механикалык энергия сакталбайт. Консервативдик эмес деп аталган бул түрдөгү күчтөрдүн мисалы катары сүрүлүү күчтөрүн айтсак болот. Денеге сүрүлүү күчтөрү таасир этсе, анда аларды жеңүү үчүн энергияны сарптоо керек, башкача айтканда, анын бир бөлүгү сүрүлүү күчтөрүнө каршы иштерди аткарууга жумшалат. Бирок, бул жерде энергиянын сакталуу мыйзамынын бузулушу ойдон чыгарылган нерсе, анткени ал энергиянын сакталуу жана айлануусунун жалпы мыйзамынын өзүнчө бир учуру. Денелердин энергиясы эч качан жоголбойт жана кайра пайда болбойт: ал бир түрдөн экинчи түргө гана айланат. Табияттын бул мыйзамы абдан маанилүү, ал бардык жерде аткарылат. Аны кээде энергиянын сакталышынын жана өзгөрүшүнүн жалпы мыйзамы деп да аташат.
Ичкилердин ортосундагы байланышдене энергиясы, кинетикалык жана потенциалдык энергиялар
Дененин ички энергиясы (U) - бул дененин жалпы энергиясы минус бүт дененин КЭ жана тышкы күч талаасындагы ПЭ. Мындан ички энергия молекулалардын баш аламан кыймылынын СЭ, алардын ортосундагы өз ара аракеттенүү ПЭ жана молекула ичиндеги энергиядан турат деген жыйынтыкка келүүгө болот. Ички энергия - бул системанын абалынын бир маанилүү функциясы, ал төмөндөгүлөрдү билдирет: эгерде система берилген абалда болсо, анын ички энергиясы мурда эмне болгонуна карабастан, өзүнө мүнөздүү маанилерди алат.
Релятивизм
Дененин ылдамдыгы жарыктын ылдамдыгына жакын болгондо кинетикалык энергия төмөнкү формула менен табылат:
Формуласы жогоруда жазылган дененин кинетикалык энергиясын да ушул принцип боюнча эсептөөгө болот:
Кинетикалык энергияны табуу боюнча маселелердин мисалдары
1. 300 м/сек ылдамдыкта учкан 9 г шар менен 18 км/саат ылдамдыкта чуркаган 60 кг адамдын кинетикалык энергиясын салыштырыңыз.
Демек, бизге эмне берилет: m1=0,009 кг; V1=300 м/с; m2=60 кг, V2=5 м/с.
Чечим:
- Кинетикалык энергия (формула): Ek =mv2 : 2.
- Эсептөө үчүн бизде бардык маалыматтар бар, ошондуктан адам үчүн да, топ үчүн да Ek табабыз.
- Ek1 =(0,009 кг x (300 м/с)2): 2=405 J;
- Ek2 =(60 кг x (5)м/с)2): 2=750 Дж.
- Ek1 < Ek2.
Жооп: Топтун кинетикалык энергиясы адамдыкынан азыраак.
2. Массасы 10 кг болгон дене 10 м бийиктикке көтөрүлүп, андан кийин коё берилген. 5 м бийиктикте кандай FE болот? Аба каршылыгына көңүл бурулбайт.
Демек, бизге эмне берилет: м=10 кг; h=10 м; h 1 =5 м; g=9,81 Н/кг. Ek1 - ?
Чечим:
- Массасы белгилүү бир бийиктикке көтөрүлгөн дененин потенциалдык энергиясы бар: Ep=mgh. Эгерде дене жыгылса, анда кандайдыр бир бийиктикте h1 тер чыгат. энергия Ep=mgh1 жана туугандар. энергия Ek1. Кинетикалык энергияны туура табуу үчүн жогоруда берилген формула жардам бербейт, андыктан маселени төмөнкү алгоритм менен чечебиз.
- Бул кадамда энергиянын сакталуу мыйзамын колдонобуз жана жазабыз: Ep1 + Ek1=E б.
- Анан Ek1=E p - Ep1 =mgh - mgh 1 =mg(h-h1).
- Формулага баалуулуктарыбызды алмаштырсак, биз:
Жооп: Ek1=490,5 J.
3. Массасы m жана радиусу R болгон маховик анын борборунан өткөн огунун айланасында айланат. Маховиктин оролгон бурчтук ылдамдыгы - ω. Маховикти токтотуу үчүн тормоздук туфли анын четине басылып, ага Fфрикция күчү менен таасир этет. Толук токтогонго чейин маховик канча айлануу жасайт? Маховиктин массасын эске алыңызжээктин айланасында жайгашкан.
Демек, бизге эмне берилет: м; R; ω; Fфрикция. N - ?
Чечим:
- Маселени чечүүдө маховиктин айланууларын ω бурчтук ылдамдыкта айлануучу радиусу R жана массасы m болгон ичке бир тектүү алкактын айланууларына окшош деп карайбыз.
- Мындай дененин кинетикалык энергиясы: Ек =(J ω 2): 2, мында J=m R2.
- Маховик анын бүткүл FE күчүн F сүрүлүү күчүн, тормоздук туфли менен алкактын ортосунда пайда болгон сүрүлүүнү жеңүүгө жумшалган шартта токтойт: E to=Ffrictions, бул жерде s – токтоп турган аралык 2 πRNге барабар.
- Демек, Ffriction 2 πRN =(m R 2 ω2): 2, бул жерден N=(m ω 2R): (4 π Ftr).
Жооп: N=(mω2R): (4πFtr).
Корутундуда
Энергетика жашоонун бардык аспектилериндеги эң маанилүү компонент, анткени ансыз эч бир дене, анын ичинде адам да иштей албайт. Макала сизге энергиянын эмне экенин ачык-айкын көрсөтүп берди жана анын бир бөлүгүнүн – кинетикалык энергиянын бардык аспектилерин деталдуу көрсөтүү планетабызда болуп жаткан көптөгөн процесстерди түшүнүүгө жардам берет деп ойлойбуз. Ал эми кинетикалык энергияны кантип табуу керек, сиз жогорудагы формулалардан жана маселени чечүүнүн мисалдарынан үйрөнө аласыз.
