Кинетична енергия и потенциална енергия
СЪДЪРЖАНИЕ1.4. Запазване на енергията (c. Кинетична енергия и потенциална енергия)
Но всъщност това е пример, малко подобен на този за изгарящия дървен материал, който изглежда се противопоставя на закона за запазване на масата. Лавуазие осъзнава, че съществува втора форма на маса, масата на дима, която не е взета предвид, и експериментално доказа, че масата е запазена.
В случай на падащ камък имаме две форми на енергия. Първата е енергията, дължаща се на движението, в което се намира, известна като кинетична енергия. Втората форма е вид енергия, която тя притежава, защото взаимодейства с планетата Земя чрез гравитация, потенциална енергия. Земята и камъкът се привличат взаимно чрез гравитация и колкото по-голямо е разстоянието между тях, толкова по-голяма е потенциалната енергия - по-малко, както в случая с пружина.
Единицата SI за енергия е джаул (J), а в тези единици повдигането на маса от 1 kg на височина от 1 m изисква 9,8 J енергия. Това число, 9,8 джаула на метър на килограм, е мярка за силата на земната гравитация близо до нейната повърхност. Обърнете внимание на това число, известно като гравитационно ускорение, с ж и често го закръгляме до 10, за да опростим изчисленията.
Ако вдигнете камък от 1 кг на височина 1 м над земята, вие се отказвате от 9,8 J от енергията си от храната и я превръщате в потенциална енергия, складирана в камъка. Ако след това я освободите, тази енергия започва да се превръща в кинетична енергия, докато, когато камъкът почти докосне земята, цялата тази енергия е кинетична енергия. Тогава тази кинетична енергия се превръща в топлина и звук, когато камъкът докосне земята.
На алгебричен език, формула за потенциална енергия то е
където м това е масата на тялото, ж е гравитационното ускорение и з е височината на обекта.
Пример 5: Лост
Фигурата по-долу показва две сестри на клатушка. Тази отляво има двойна маса, но е на половината път от центъра до края. Не е необходима енергия за накланяне на люлката. В същото време сестра й вдясно ще падне два пъти по-далеч, което ще доведе до еднакво намаляване на енергията, като нейната маса е два пъти по-малка. Със символи имаме
(2 М) gh
- за потенциалната енергия, получена от лявото лице, и
mg (2 часа)
за загубената енергия от този вдясно. И двете са равни на 2mgh, така че получената енергия и загубената енергия са равни и енергията е запазена.
q/лост
Разглеждайки нещата по различен начин, можем да го разгледаме като пример за типа експеримент, който трябва да направите, за да стигнете до уравнението. Ep = mgh. Ако вече не знаехме уравнението, експериментът щеше да ни накара да подозираме, че уравнението включва произведението на маса и височина (mh), като това са свойствата, които характеризират двете момичета.
След като получим уравнението за една форма на енергия, можем да определим уравненията за други форми на енергия. Например, ако пуснем камък и измерим крайната му скорост, v, когато достигне земята, ще знаем колко Ep е загубил, така че знаем, че е трябвало да има толкова кинетична енергия, когато е с максимална скорост. Ето някои въображаеми резултати от такъв експеримент.
| m (кг) | v (m/s) | енергия (J) |
| 1.00 | 1.00 | 0,50 |
| 1.00 | 2.00 | 2.00 |
| 2.00 | 1.00 | 1.00 |
Сравнявайки първия ред с втория, забелязваме, че удвояването на скоростта на даден обект не удвоява енергията му, а го утроява. Ако сравним първото и третото, от друга страна, забелязваме, че удвояването на масата само удвоява енергията. Това предполага, че кинетичната енергия е пропорционална на масата, умножена по квадрата на скоростта, mv 2, и последващите експерименти установяват, че това наистина е общо правило. Коефициентът на пропорционалност е 0,5 поради състава на метричната система, така че кинетичната енергия на движещ се обект се дава от съотношението
r/Ясна демонстрация на факта, че топлината също е форма на движение. Изсипете малко количество вряла вода в празна кутия, която бързо се пълни с гореща пара. След това консервната кутия се запечатва и скоро се деформира. Това може да се обясни. Високата температура на парата представлява висока средна скорост на хаотичното движение на молекулите в състава на парите. Преди бутилката да бъде затворена, парите я напускат, оставяйки настрана въздушните молекули с по-ниска скорост. Когато количеството пара в кутията беше намалено, беше постигнато равновесие, силата на по-малко плътните молекули пара, движещи се с висока скорост, балансираше силата на по-плътните, но по-бавни въздушни молекули извън кутията. Но след това беше изключен и след известно време парата вътре достигна същата температура като въздуха отвън. Силата на студената, рядка пара вече не е достатъчна, за да балансира силата на студения въздух, а е плътна отвън, този дисбаланс води до деформация на консервата.