آیا انرژی جنبشی بدن می تواند بدون تغییر باقی بماند؟ انرژی جنبشی و پتانسیل. قانون بقای انرژی نیروهای اصطکاک و قانون بقا، مکانیکی

آیا قوانین حفاظت از محیط زیست برای شما آشنا هستند؟ // مقدار. - 1987. - شماره 5. - S. 32-33.

با توافق ویژه با هیئت تحریریه و سردبیران مجله کوانت

اشیا نه می توانند از هیچ خلق شوند و نه
یک بار به وجود آمد، دوباره به هیچ تبدیل شد...
لوکرتیوس کار. "درباره ماهیت چیزها"

توسعه فیزیک با ایجاد انواع قوانین حفاظت همراه بود که بیان می‌کردند در سیستم‌های ایزوله مقادیر خاصی نمی‌توانند بوجود آیند یا ناپدید شوند. این ایده که چنین قوانینی وجود دارند در مه زمان به وجود آمد: قول لوکرتیوس که در کتیبه ذکر شده منعکس کننده دیدگاه های هنوز باستانی است. امروزه فیزیکدانان بسیاری از چنین قوانینی را می دانند، برخی از آنها برای شما نیز آشنا هستند - اینها قوانین بقای حرکت، انرژی، بار هستند. مطالعه بیشتر فیزیک نشان می دهد که قوانین حفاظتی بسیار غیرعادی وجود دارد، به عنوان مثال، عجیب بودن، برابری و جذابیت. اما ابتدا بیایید با آنهایی که باید خوب بشناسید کار کنیم.

سوالات و وظایف

1. آیا انرژی جنبشی یک جسم تغییر می کند اگر هیچ نیرویی روی بدن وارد نشود؟
2. آیا انرژی جنبشی یک جسم می تواند بدون تغییر باقی بماند اگر حاصل نیروهای وارد شده به جسم غیر صفر باشد؟
3. چه زمانی انتقال بار الکتریکی از نقطه ای از میدان الکتریکی به نقطه دیگر با تغییر انرژی همراه نیست؟
4. انرژی نوری که بر روی یک ماده می افتد در چه نوع انرژی تحت اثر فوتوالکتریک تبدیل می شود؟
5. فضانوردی که به کشتی متصل نیست چگونه می تواند به کشتی بازگردد؟
6. آیا کل حرکت یک فلایویل با مرکزیت خوب به سرعت آن بستگی دارد؟
7. یک استوانه همگن عظیم که می تواند بدون اصطکاک به دور محور افقی بچرخد، توسط گلوله ای که به صورت افقی با سرعت پرواز می کند مورد اصابت قرار می گیرد. υ ، و پس از برخورد سیلندر روی گاری می افتد. آیا سرعت گاری که پس از اصابت گلوله به دست می آورد بستگی به این دارد که گلوله به کدام قسمت از سیلندر برخورد کند؟

   

8. با گسیل یک فوتون، اتم گاز حرکت خود را تغییر می دهد. چرا این تغییر اجتناب ناپذیر است؟
9. در فرآیند نابودی یک الکترون و یک پوزیترون، یک کوانتوم گاما هرگز ظاهر نمی شود. کدام یک از قوانین حفاظت در این واقعیت متجلی می شود؟
10. صفحه فلزی توسط اشعه ایکس شارژ شد. علامت شارژ چیست؟
11. در نابودی یک الکترون با پوزیترون، کوانتوم های گاما تشکیل می شوند. با این حال، زمانی که دو الکترون یا دو پوزیترون به هم می رسند، این اتفاق نمی افتد. تأثیر قانون حفاظت در اینجا چیست؟

تجربه خرد

از پشت قایق ابتدائی بی حرکت تا کمان آن راه بروید. چرا قایق در جهت مخالف حرکت می کند؟

جالب است که ...

اغلب، برخی از قوانین حفاظت تنها زمانی معتبر هستند که طیف محدودی از پدیده ها را توصیف می کنند. بنابراین، در بررسی واکنش های شیمیایی، می توان فرض کرد که جرم حفظ شده است، اما در واکنش های هسته ای، اعمال چنین قانونی اشتباه بود، زیرا به عنوان مثال، جرم محصولات نهایی شکافت اورانیوم کمتر است. از جرم مقدار اولیه اورانیوم.

اگر قانون بقای بار یک قانون کاملاً دقیق از طبیعت نبود، آنگاه الکترون می‌تواند به عنوان مثال به یک نوترینو و یک فوتون تجزیه شود. با این حال، جستجو برای چنین واپاشی‌هایی با موفقیت همراه نبود و نشان داد که طول عمر یک الکترون حداقل 10 21 سال نیست. (سن جهان امروز توسط دانشمندان 10-10 سال تخمین زده می شود.)

این قانون بقای بار بود که جی. ماکسول را به ایده وقوع احتمالی سوق داد. میدان مغناطیسیدر نتیجه تغییرات میدان الکتریکی توسعه این ایده ماکسول را به پیش‌بینی فرآیندهای دوره‌ای الکترومغناطیسی که در فضا منتشر می‌شوند، سوق داد. مقدار محاسبه شده سرعت انتشار دقیقاً برابر با سرعت اندازه گیری شده قبلی نور است.

انرژی یک کمیت اسکالر است. در سیستم SI واحد اندازه گیری انرژی ژول است.

انرژی جنبشی و پتانسیل

دو نوع انرژی وجود دارد - جنبشی و پتانسیل.

تعریف

انرژی جنبشیآیا انرژی که بدن به دلیل حرکت در اختیار دارد:

تعریف

انرژی پتانسیل- این انرژی است که با آرایش متقابل اجسام و همچنین ماهیت نیروهای برهمکنش بین این اجسام تعیین می شود.

انرژی پتانسیل موجود در میدان گرانشی زمین، انرژی ناشی از برهمکنش گرانشی جسم با زمین است. با موقعیت جسم نسبت به زمین تعیین می شود و برابر است با کار حرکت بدن از یک موقعیت معین به سطح صفر:

انرژی بالقوه - انرژی ناشی از تعامل اعضای بدن با یکدیگر. برابر است با کار نیروهای خارجی در کشش (فشردگی) یک فنر تغییر شکل نیافته با مقدار:

بدن می تواند همزمان دارای انرژی جنبشی و پتانسیل باشد.

مجموع انرژی مکانیکی یک جسم یا سیستم اجسام برابر است با مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل یک جسم (سیستم اجسام):

قانون بقای انرژی

برای سیستم بسته اجسام، قانون بقای انرژی معتبر است:

به عنوان مثال، در مواردی که نیروهای خارجی بر روی یک جسم (یا سیستمی از اجسام) وارد می شوند، قانون بقای انرژی مکانیکی رعایت نمی شود. در این حالت، تغییر در کل انرژی مکانیکی بدن (سیستم اجسام) برابر با نیروهای خارجی است:

قانون بقای انرژی ایجاد رابطه کمی بین اشکال گوناگونحرکت ماده و همچنین نه تنها برای همه پدیده های طبیعی بلکه برای همه پدیده های طبیعی نیز معتبر است. قانون بقای انرژی می گوید که انرژی در طبیعت را نمی توان به همان شکلی که از هیچ ایجاد کرد، از بین برد.

قانون بقای انرژی را می توان در کلی ترین شکل خود به صورت زیر فرموله کرد:

• انرژی در طبیعت از بین نمی رود و دوباره ایجاد نمی شود، بلکه فقط از نوعی به نوع دیگر تبدیل می شود.

نمونه هایی از حل مسئله

مثال 1

ورزش	گلوله ای که با سرعت 400 متر بر ثانیه پرواز می کند به محور خاکی برخورد می کند و تا توقف 0.5 متری حرکت می کند. اگر جرم آن 24 گرم باشد مقاومت محور را در برابر حرکت گلوله تعیین کنید.
راه حل	نیروی مقاومت شفت یک نیروی خارجی است، بنابراین کار این نیرو برابر با تغییر انرژی جنبشی گلوله است: از آنجایی که نیروی مقاومت محور مخالف جهت حرکت گلوله است، کار این نیرو: تغییر در انرژی جنبشی گلوله: بنابراین، می توانیم بنویسیم: نیروی مقاومت محور خاکی از آنجاست: بیایید واحدها را به سیستم SI تبدیل کنیم: گرم کیلوگرم. بیایید نیروی مقاومت را محاسبه کنیم:
پاسخ	نیروی مقاومت شفت 3.8 کیلو نیوتن.

مثال 2

ورزش	باری با وزن 0.5 کیلوگرم از ارتفاع معینی روی صفحه ای به وزن 1 کیلوگرم می افتد که روی فنری با ضریب سختی 980 نیوتن بر متر نصب شده است. اگر بار در لحظه ضربه 5 متر بر ثانیه سرعت داشته باشد، مقدار بیشترین فشرده سازی فنر را تعیین کنید. ضربه غیر کشسان است.
راه حل	بیایید بار + صفحه را برای سیستم بسته یادداشت کنیم. از آنجایی که ضربه غیرکشسان است، داریم: سرعت صفحه با بار پس از ضربه از آنجاست: طبق قانون پایستگی انرژی، مجموع انرژی مکانیکی بار همراه با صفحه پس از ضربه برابر با انرژی پتانسیل فنر فشرده است:

قانون بقای انرژی.

افزایش انرژی های بالقوه پرتاب شده

بدن به دلیل از دست دادن انرژی جنبشی خود رخ می دهد.

وقتی بدن سقوط می کند، انرژی جنبشی افزایش می یابد

به دلیل از دست دادن انرژی پتانسیل رخ می دهد، به طوری که

کل انرژی مکانیکی بدن تغییر نمی کند.

به طور مشابه، اگر یک فنر فشرده روی بدنه عمل کند، پس

می تواند سرعت خاصی را به بدن منتقل کند، یعنی.

انرژی جنبشی، اما بهار خواهد بود

صاف شود و انرژی بالقوه او محقق شود

بر این اساس کاهش یابد؛ مقدار پتانسیل و

انرژی جنبشی ثابت خواهد ماند. اگر روی بدن،

علاوه بر فنر، گرانش نیز عمل می کند، اما اگر چه در

حرکت بدن، انرژی هر نوع تغییر خواهد کرد، اما

مجموع انرژی پتانسیل گرانش، پتانسیل

انرژی بهار و انرژی جنبشی بدن دوباره

ثابت خواهد ماند.

انرژی می تواند از نوعی به نوع دیگر منتقل شود،

می تواند از یک بدن به بدن دیگر منتقل شود، اما عمومی

1 Landsberg G.S. کتاب درسی فیزیک ابتدایی. جلد 1.M.؛ 1995 2 Boutikov E.I. فیزیک برای متقاضیان دانشگاه. 1982

ذخیره انرژی مکانیکی بدون تغییر باقی می ماند. آزمایش

و محاسبات نظری نشان می دهد که در غیاب

نیروهای اصطکاکی و تنها تحت تأثیر نیروهای کششی و کششی

تنیا پتانسیل کل و انرژی جنبشی

بدن یا سیستم اجسام در همه موارد ثابت می ماند

این قانون بقای مکانیکی است

اجازه دهید قانون بقای انرژی را نشان دهیم

تجربه بعدی یک توپ فولادی از روی بعضی ها افتاد

ارتفاع را روی صفحه فولادی یا شیشه ای قرار دهید و ضربه بزنید

در مورد او، تقریباً به همان ارتفاعی می پرد که از آن

سقوط. در طول حرکت توپ، یک سری کامل از

دگرگونی های انرژی سقوط انرژی پتانسیل

تبدیل به انرژی جنبشی توپ می شود. وقتی توپ

اجاق گاز را لمس می کند و او و اجاق شروع می شوند

تغییر شکل دادن انرژی جنبشی تبدیل می شود

انرژی پتانسیل تغییر شکل الاستیک توپ و

بشقاب ها، و این روند تا زمانی ادامه می یابد

توپ متوقف نخواهد شد، یعنی تا زمانی که تمام جنبشی خود را حفظ کند

انرژی به انرژی پتانسیل الاستیک منتقل نمی شود

تغییر شکل. سپس تحت تأثیر نیروهای الاستیک

دال تغییر شکل داده شده، توپ سرعت می گیرد،

رو به بالا: انرژی الاستیک صفحه

و توپ در انرژی جنبشی توپ متوقف می شود.

با حرکت بیشتر به سمت بالا، سرعت توپ را زیر می گیرد

عمل گرانش کاهش می یابد و جنبشی

انرژی به انرژی بالقوه تبدیل می شود

جاذبه، در بالاترین نقطه، توپ دوباره تسخیر می شود

فقط با انرژی پتانسیل گرانش.

ارتفاعی که از آن شروع به سقوط کرد، انرژی پتانسیل

توپ در ابتدا و در پایان فرآیند توصیف شده یک و یکسان است

همان علاوه بر این، در هر زمان برای همه

تبدیل انرژی مجموع انرژی پتانسیل

گرانش، انرژی پتانسیل تغییر شکل الاستیک، و

انرژی جنبشی همیشه ثابت می ماند.

برای فرآیند تبدیل انرژی پتانسیل،

به دلیل جاذبه، به جنبشی و بالعکس

هنگام افتادن و بلند کردن توپ، این را با یک ساده نشان داد

با محاسبه می توان متقاعد شد که برای

تبدیل انرژی جنبشی به پتانسیل

انرژی تغییر شکل الاستیک صفحه و توپ و سپس در

فرآیند معکوس تبدیل این انرژی به

انرژی جنبشی مجموع توپ پرش

انرژی پتانسیل گرانش، انرژی الاستیک

تغییر شکل و انرژی جنبشی نیز باقی می ماند

بدون تغییر، یعنی قانون بقای انرژی مکانیکی

تکمیل شد.

حالا می‌توانیم دلیل نقض قانون را توضیح دهیم

نگه داشتن کار در یک ماشین ساده که

تغییر شکل در حین انتقال کار: واقعیت این است که

کار صرف شده در یک انتهای دستگاه، به طور جزئی یا

به طور کامل در تغییر شکل ساده ترین صرف شد

ماشین (اهرم، طناب، و غیره)، ایجاد در آن مقداری

انرژی پتانسیل تغییر شکل، و فقط باقیمانده

کار به انتهای دیگر دستگاه منتقل شد. در مجموع

کار منتقل شده همراه با انرژی تغییر شکل

معلوم می شود برابر با کار صرف شده است. در صورت مطلق

سفتی بالای اهرم، کشش ناپذیری طناب و

و غیره، یک ماشین ساده نمی تواند انرژی را در خود جمع کند، و

تمام کارهای انجام شده در یک انتها کاملاً است

به انتهای دیگر منتقل شد.

نیروهای اصطکاک و قانون بقا، مکانیکی

انرژی... با نگاه دقیق به حرکت توپ،

با پرش روی دال، ممکن است بعد از آن متوجه شوید

هر ضربه توپ کمی کمتر افزایش می یابد

ارتفاع نسبت به قبل، یعنی کل انرژی در آن باقی نمی ماند

دقت ثابت است و به تدریج کاهش می یابد. معنیش اینه که

قانون بقای انرژی همانطور که ما آن را انجام می دهیم

فرموله شده، فقط در این مورد مشاهده می شود

2 دلیل این است که این تجربه

آن نیروهای اصطکاک بوجود می آیند. مقاومت هوا که در آن

توپ حرکت می کند، و اصطکاک داخلی در بسیار

مواد توپ و بشقاب به طور کلی، در حضور اصطکاک

پایستگی انرژی مکانیکی همیشه نقض می شود و

انرژی کل اجسام کاهش می یابد. با توجه به این ضرر

انرژی و کار در برابر نیروهای اصطکاک انجام می شود. مثلا

ep، وقتی جسمی از ارتفاع زیاد می افتد، سرعت،

در اثر افزایش نیروهای مقاومت

محیط به زودی دائمی می شود. جنبشی

انرژی بدن تغییر نمی کند، اما پتانسیل آن تغییر می کند

انرژی کاهش می یابد. کار در برابر نیروی مقاومت

هوا به دلیل پتانسیل، نیروی گرانش را وارد می کند،

انرژی بدن اگرچه در همان زمان برخی از سینتیک ها گزارش شده است.

انرژی به هوای محیط می رسد، اما کمتر است،

از کاهش انرژی پتانسیل بدن، و بنابراین، کل

انرژی مکانیکی کاهش می یابد.

کار در برابر نیروهای اصطکاک را می توان با هزینه انجام داد

انرژی جنبشی به عنوان مثال، هنگامی که قایق در حال حرکت است، -

رانده شده از ساحل حوض، به طور بالقوه سرنگون شده است

قایق ثابت باقی می ماند، اما به دلیل مقاومت

حرکت آب سرعت قایق را کاهش می دهد، یعنی. او

انرژی جنبشی، افزایش انرژی جنبشی

آب مشاهده شده در این مورد کمتر از کاهش است

انرژی جنبشی قایق

نیروهای اصطکاک بین جامدات

بدن های دودی به عنوان مثال، سرعتی که

لغزش وزن از هواپیمای شیبدار، و

در نتیجه انرژی جنبشی آن کمتر از آن است

که او قبلاً عدم اصطکاک را به دست آورد. شما می توانید این کار را انجام دهید

زاویه شیب صفحه را که بار می خواهد انتخاب کنید

به طور مساوی بلغزانید علاوه بر این، پتانسیل آن است

انرژی کاهش می یابد و انرژی جنبشی باقی می ماند

ثابت، و کار در برابر نیروهای اصطکاک انجام خواهد شد

به دلیل انرژی بالقوه

در طبیعت همه حرکات (به استثنای حرکات در

خلاء، به عنوان مثال، حرکات اجرام آسمانی)

توسط اصطکاک ایجاد می شوند. بنابراین با چنین حرکاتی قانون

پایستگی انرژی مکانیکی نقض می شود و این

نقض همیشه در یک جهت رخ می دهد - به سمت

نزول کردن انرژی کامل.

تبدیل انرژی مکانیکی به

انرژی درونی... ویژگی نیروهای اصطکاک این است که

همانطور که دیدیم، در کار انجام شده علیه نیروها

اصطکاک به طور کامل به جنبشی یا تبدیل نمی شود

انرژی پتانسیل اجسام؛ در نتیجه، کل

انرژی مکانیکی اجسام کاهش می یابد. با این حال کار

در برابر نیروهای اصطکاک بدون اثری ناپدید نمی شود. اول از همه، د

حرکت اجسام در حضور اصطکاک منجر به گرم شدن آنها می شود.

با مالش محکم دستانمان به راحتی می توانیم این را تشخیص دهیم

کشش یک نوار فلزی بین کسانی که آن را فشار می دهند

دو تکه چوب؛ نوار حتی در لمس قابل توجه است

گرم می شود افراد بدوی به استخراج معادن معروف هستند

با مالیدن سریع تکه های چوب خشک به یکدیگر آتش بزنید.

گرمایش هنگام انجام کار نیز رخ می دهد.

در برابر نیروها اصطکاک داخلی، برای مثال زمانی که

خم شدن مکرر سیم گرمایش در

حرکت همراه با غلبه بر نیروهای اصطکاکی، اغلب

می تواند بسیار قوی باشد مثلاً هنگام ترمز گرفتن قطار

لنت های ترمز خیلی داغ می شوند هنگام نزول

برای کاهش اصطکاک، از لغزنده به آب منتقل کنید

لغزنده ها به وفور روغن کاری شده اند، و با این حال گرمایش همینطور بود

iko که گریس دود می کند و حتی گاهی آتش می گیرد.

وقتی اجسام با سرعت کم در هوا حرکت می کنند،

به عنوان مثال هنگامی که یک سنگ پرتاب شده حرکت می کند، مقاومت

هوا کوچک است، برای غلبه بر نیروهای اصطکاک

کار کمی صرف می شود و سنگ عملاً خیر

گرم می شود اما گلوله سریع در حال گرم شدن است

بسیار قوی تر در سرعت های بالا، واکنشی

هواپیماها باید اقدامات ویژه ای انجام دهند

برای کاهش حرارت پوست هواپیما. کم اهمیت

شهاب سنگ هایی که با سرعت زیاد به داخل پرواز می کنند (ده ها

کیلومتر در ثانیه) به جو زمین، تجربه

چنان نیروی مقاومت بزرگی از محیط که به طور کامل

در جو بسوزد گرم کردن در فضای هنر

این ماهواره زمین به زمین باز می گردد، بنابراین

خیلی خوب است که شما باید یک برنامه ویژه نصب کنید

حفاظت حرارتی

بدن مالش علاوه بر حرارت دادن می تواند تجربه و

سایر تغییرات به عنوان مثال، آنها را می توان خرد کرد،

آسیاب کردن به گرد و غبار، ذوب شدن ممکن است رخ دهد، به عنوان مثال.

انتقال اجسام از حالت جامد به مایع: یک تکه یخ

ممکن است با مالش روی قطعه دیگری ذوب شود

یخ یا جسم دیگری

پس اگر حرکت اجسام با غلبه بر نیروها همراه باشد

اصطکاک، سپس با دو پدیده همراه است: الف) مقدار

انرژی های جنبشی و بالقوه همه شرکت کنندگان

کاهش حرکت بدن؛ ب) تغییر وجود دارد

حالات بدن، به ویژه، گرما ممکن است رخ دهد.

این تغییر در وضعیت بدن ها همیشه به این صورت اتفاق می افتد

به نحوی که در حالت جدید بدن بتواند تولید کند

کار بیشتر از اصل بنابراین، برای مثال، اگر

در یک لوله فلزی که از یک طرف بسته شده است بریزید

مقداری اتر و با وصل کردن لوله با یک درپوش، آن را بین آن ببندید

دو صفحه و منجر به چرخش سریع، سپس

اتر تبخیر می شود و دوشاخه را بیرون می راند. از این رو، در نتیجه

برای غلبه بر نیروهای اصطکاک لوله روی صفحه کار کنید

لوله اتر به حالت جدیدی رسیده است که در آن

قادر به انجام کارهای مورد نیاز برای فشار بود

شاخه ها، یعنی در برابر نگه داشتن نیروهای اصطکاکی کار می کنند

لوله را وصل کنید، و برای نصب دوشاخه کار کنید

انرژی جنبشی در حالت اولیه، لوله با

اتر نمی توانست این کار را انجام دهد.

بنابراین، گرم کردن بدن، و همچنین دیگران

تغییر در وضعیت آنها، همراه با تغییر

"ذخیره" توانایی این بدنها برای انجام کار. ما

ما می بینیم که "ظرفیت کاری" علاوه بر این بستگی دارد

موقعیت اجسام نسبت به زمین، علاوه بر آنها

تغییر شکل ها و سرعت آنها، همچنین از وضعیت اجسام. به معنای،

علاوه بر انرژی پتانسیل گرانش و کشش و

انرژی جنبشی بدن نیز دارای انرژی است،

بسته به وضعیت آن "ما آن را صدا خواهیم کرد

انرژی درونی. انرژی درونی بدن به این بستگی دارد

دمای آن، در مورد جامد بودن بدن،

مایع یا گاز، سطح آن چقدر بزرگ است،

جامد باشد یا ریز خرد شده و غیره.

به ویژه، هر چه دمای بدن بالاتر باشد، بیشتر است

انرژی درونی.

بنابراین، اگرچه در طول حرکات مرتبط با پیش

غلبه بر نیروهای اصطکاک، انرژی مکانیکی سیستم ها]

اجسام متحرک کاهش می یابد، اما آنها

انرژی درونی. به عنوان مثال، هنگام ترمز کردن قطار در

کاهش انرژی جنبشی آن همراه است

افزایش انرژی داخلی لنت ترمز،

بانداژ چرخ ها، ریل ها، هوای محیط و غیره در

نتیجه گرم کردن این اجسام است.

تمام آنچه گفته شد در مورد مواردی نیز صدق می کند که

نیروهای اصطکاک در داخل بدن ایجاد می شوند، به عنوان مثال، در طول خم شدن

یک تکه موم، با ضربه غیر ارتجاعی توپ های سربی

هنگام خم کردن یک تکه سیم و غیره

ماهیت کلی قانون بقای انرژی.

نیروهای اصطکاک جایگاه ویژه ای در این موضوع دارند

قانون ذخیره انرژی مکانیکی آن اگر نیروهای اصطکاکی

نه، پس قانون بقای انرژی مکانیکی رعایت می شود

Xia: کل انرژی مکانیکی سیستم باقی می ماند

ثابت اگر نیروهای اصطکاک عمل کنند، انرژی

دیگر ثابت نمی ماند، اما با حرکت کاهش می یابد. ولی

در همان زمان، انرژی درونی همیشه رشد می کند. با توسعه

فیزیکدانان انواع جدید انرژی را کشف کردند: وجود داشت

تشخیص انرژی نور، انرژی الکترومغناطیسی

امواج، انرژی شیمیایی که در مواد شیمیایی آشکار می شود

واکنش ها (به عنوان مثال، نشان دادن حداقل کافی است

برای انرژی شیمیایی ذخیره شده در مواد منفجره

مواد و تبدیل به مکانیکی و حرارتی

انرژی در انفجار)، هسته ای

انرژی. معلوم شد که کار بر روی بدن انجام شده است

برابر است با افزایش مجموع انواع انرژی بدن؛ کار کنید

همان، انجام شده توسط برخی از بدن بر روی، توسط بدن های دیگر،

برابر است با از دست دادن انرژی کل یک جسم معین. برای همه

انواع انرژی، معلوم شد که امکان انتقال انرژی از

یک نوع به دیگری، انتقال انرژی از یک جسم به بدن

دیگری، اما با همه چنین انتقالی. انرژی کل

از همه نوع، ما همیشه ثابت می مانیم. در آن

جهانی بودن قانون بقای انرژی است.

اگرچه مقدار کل انرژی ثابت می ماند

مقدار انرژی که مصرف می کنیم می تواند کاهش یابد

و در واقع مدام در حال کاهش است. انتقال

انرژی به شکل دیگری می تواند به معنای انتقال آن به

فرم بی فایده برای ما در مکانیک، اغلب چنین است -

گرمایش محیط، مالش سطوح و

و غیره. چنین زیان هایی نه تنها سودآور نیستند، بلکه برای یادآوری مضر هستند

بر روی خود مکانیسم ها قرار دارند. بنابراین، به منظور اجتناب از

گرمای بیش از حد، لازم است مالش را به طور خاص خنک کنید

بخش هایی از مکانیسم ها

در مثالی که در پاراگراف قبل تحلیل شد، مشخص شد که افزایش انرژی پتانسیل جسمی که به سمت بالا پرتاب می شود به دلیل کاهش انرژی جنبشی آن رخ می دهد. هنگامی که جسمی سقوط می کند، به دلیل کاهش انرژی پتانسیل، انرژی جنبشی افزایش می یابد، به طوری که کل انرژی مکانیکی بدن تغییر نمی کند. به همین ترتیب، اگر یک فنر فشرده روی جسمی عمل کند، آنگاه می‌تواند سرعت معینی را به بدن برساند، یعنی انرژی جنبشی، اما فنر صاف می‌شود و انرژی پتانسیل آن به ترتیب کاهش می‌یابد. مجموع انرژی های پتانسیل و جنبشی ثابت می ماند. اگر علاوه بر فنر، گرانش نیز بر روی جسم اثر بگذارد، اگرچه انرژی هر نوع در طول حرکت جسم تغییر می کند، اما مجموع انرژی پتانسیل گرانش، انرژی پتانسیل فنر و انرژی جنبشی. بدن دوباره ثابت خواهد ماند.

انرژی می تواند از نوعی به نوع دیگر منتقل شود، می تواند از جسمی به جسم دیگر منتقل شود، اما کل عرضه انرژی مکانیکی بدون تغییر باقی می ماند. آزمایش‌ها و محاسبات نظری نشان می‌دهد که در غیاب نیروهای اصطکاکی و تنها تحت تأثیر نیروهای کشش و گرانش، کل پتانسیل و انرژی جنبشی یک جسم یا سیستمی از اجسام در همه موارد ثابت می‌ماند. این قانون بقای انرژی مکانیکی است.

برنج. 168. توپ فولادی پس از پرتاب از صفحه فولادی، دوباره به همان ارتفاعی که از آن پرتاب شده است، پرتاب می شود.

اجازه دهید قانون بقای انرژی را در آزمایش زیر توضیح دهیم. یک توپ فولادی که از ارتفاع معینی بر روی یک صفحه فولادی یا شیشه ای می افتد و به آن برخورد می کند، تقریباً به همان ارتفاعی که از آن افتاده می پرد (شکل 168). در طول حرکت توپ، تعدادی تغییر انرژی رخ می دهد. هنگام سقوط، انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی توپ تبدیل می شود. وقتی توپ به صفحه برخورد می کند، هم او و هم صفحه شروع به تغییر شکل می کنند. انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل تغییر شکل الاستیک توپ و صفحه تبدیل می شود و این روند تا زمانی ادامه می یابد که تمام انرژی جنبشی آن به انرژی پتانسیل تغییر شکل الاستیک تبدیل شود. سپس، تحت تأثیر نیروهای الاستیک صفحه تغییر شکل یافته، توپ یک سرعت رو به بالا به دست می آورد: انرژی تغییر شکل الاستیک صفحه و توپ به انرژی جنبشی توپ تبدیل می شود. با حرکت بیشتر به سمت بالا، سرعت توپ تحت اثر گرانش کاهش می یابد و انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل گرانش تبدیل می شود. در بالاترین نقطه خود، توپ دوباره فقط دارای انرژی گرانشی بالقوه است.

از آنجایی که می توانیم فرض کنیم که توپ به همان ارتفاعی که از آن شروع به سقوط کرده است بالا آمده است، انرژی پتانسیل توپ در ابتدا و در پایان فرآیند توصیف شده یکسان است. علاوه بر این، در هر لحظه از زمان برای همه تبدیل‌های انرژی، مجموع انرژی پتانسیل گرانش، انرژی پتانسیل تغییر شکل کشسان و انرژی جنبشی همیشه ثابت می‌ماند. برای فرآیند تبدیل انرژی پتانسیل ناشی از نیروی گرانش به انرژی جنبشی و بازگشت زمانی که توپ سقوط می کند و بالا می رود، این با یک محاسبه ساده در § 101 نشان داده شده است. می توان مطمئن شد که وقتی انرژی جنبشی به انرژی جنبشی تبدیل می شود. انرژی پتانسیل تغییر شکل الاستیک صفحه و توپ، و سپس زمانی که در فرآیند مخالف تبدیل این انرژی به انرژی جنبشی توپ در حال پرش، مجموع انرژی پتانسیل گرانش، انرژی تغییر شکل کشسان و انرژی جنبشی نیز بدون تغییر باقی می ماند، یعنی قانون بقای انرژی مکانیکی برآورده می شود.

اکنون می توان توضیح داد که چرا قانون حفظ کار در یک ماشین ساده که در حین انتقال کار تغییر شکل داده بود نقض شد (§ 95): واقعیت این است که کار صرف شده در یک انتهای دستگاه به طور جزئی یا کامل صرف شده است. تغییر شکل ساده ترین ماشین (اهرم، طناب و غیره)، ایجاد مقداری انرژی پتانسیل تغییر شکل در آن، و فقط بقیه کار به انتهای دیگر دستگاه منتقل می شود. در مجموع، کار منتقل شده، همراه با انرژی تغییر شکل، برابر با کار صرف شده است. در صورت صلبیت مطلق اهرم، کشش ناپذیری طناب و غیره، یک ماشین ساده نمی تواند انرژی را در خود جمع کند و تمام کارهای انجام شده در یک سر آن به طور کامل به سر دیگر منتقل می شود.

با استفاده از دو قانون بقای: قانون بقای تکانه و قانون بقای انرژی، می توان مشکل برخورد توپ های الاستیک ایده آل را حل کرد، یعنی توپ هایی که پس از برخورد از یکدیگر جهش می کنند و کل آن حفظ می شود. انرژی جنبشی

اجازه دهید دو توپ در امتداد یک خط مستقیم (در امتداد خط مرکز) حرکت کنند. فرض کنید که به غیر از نیروهای برهمکنش در تماس آنها، هیچ نیرویی از طرف هیچ جسم دیگری روی توپ ها وارد نمی شود. پس از برخورد (اگر توپ ها به سمت یکدیگر حرکت کنند یا یکی از آنها به دومی برسد، برخورد رخ می دهد) آنها در امتداد همان خط مستقیم، اما با سرعت های تغییر یافته حرکت می کنند. فرض می کنیم که جرم توپ ها و سرعت آنها را قبل از برخورد می دانیم. پس از برخورد باید سرعت آنها را پیدا کرد.

از قانون بقای تکانه چنین برمی‌آید که چون هیچ نیرویی بر روی توپ‌ها وارد نمی‌شود، به جز نیروهای برهمکنش آنها، تکانه کل باید حفظ شود، یعنی تکانه قبل از برخورد باید برابر با تکانه بعد از برخورد باشد. :

سرعت ها و در امتداد خط مراکز (در یک یا در جهت مخالف) هدایت می شوند. از ملاحظات تقارن، نتیجه می شود که سرعت ها نیز در امتداد خط مراکز هدایت می شوند. بیایید این خط را به عنوان یک محور در نظر بگیریم و بردارهای معادله (102.1) را روی این محور قرار دهیم. در نتیجه معادله را بدست می آوریم

(در این مورد و غیره).

از معادلات (102.2) و (102.3) می توان مقادیر مجهول و. برای این کار این معادلات را در فرم بازنویسی می کنیم

با تقسیم معادله دوم بر معادله اول به دست می آوریم

. (102.4)

با ضرب (102.4) و تفریق از (102.2)، به رابطه می رسیم.

. (102.5)

به همین ترتیب، با ضرب (102.4) در و جمع کردن با (102.2)، متوجه می شویم

اگر مثلاً توپ اول در جهت محور حرکت کند و توپ دوم به سمت آن حرکت کند، آنگاه برابر مدول سرعت است، یعنی و برابر مدول سرعت است که با علامت منفی گرفته می شود. یعنی با جایگزینی این مقادیر به فرمول های (102.5) و (102.6)، به دست می آوریم.

اگر جرم یک توپ بسیار بیشتر از جرم توپ دیگر باشد، برای مثال، بسیار بیشتر، در مخرج و در صورت‌حساب فرمول (102.5)، عبارت‌های حاوی. علاوه بر این، اگر توپ عظیم در حال استراحت باشد، می‌گیریم، یعنی توپ مانند یک دیوار ثابت به بیرون پرتاب می‌شود. در واقع، همانطور که از (102.5) مشاهده می شود، توپ بزرگ در این مورد سرعت کمی برابر با تقریباً دریافت می کند. .

در ابتدای این بخش، من و شما یادآور شدیم که انرژی، مانند یک تکانه، یک کمیت حفظ شده است. با این حال، در درس های قبلی متقاعد شدیم که کار تمام نیروهایی که بر بدن وارد می شوند منجر به تغییر در انرژی جنبشی و پتانسیل بدن می شود، اما قانون بقای انرژی را دریافت نکردیم. در این درس، قانون بقای انرژی مکانیکی کل را استخراج می کنیم و همچنین در مورد اینکه در چه شرایطی معتبر است صحبت خواهیم کرد.

2. با استفاده از قانون بقای انرژی، سرعت سقوط آزاد جسمی از ارتفاع معینی در سطح زمین را محاسبه کنید. نتیجه به دست آمده را با نتیجه ای که از فرمول های سینماتیک به دست می آید مقایسه کنید.

3. به پرسش ها و پاسخ های زیر توجه کنید:

لیست سوالات - پاسخ:

سوال:وقتی اجسام با نیروهای اتلاف کننده برهم کنش می کنند انرژی سیستم به کجا می رود؟ چرا استفاده از قانون بقای انرژی مکانیکی در این مورد غیرممکن است؟

پاسخ:اساساً انرژی تحت تأثیر نیروهای اتلاف کننده به گرما تبدیل می شود. در حالت کلی می توان گفت که انرژی به انرژی غیر مکانیکی دیگری تبدیل می شود. بنابراین، ما نمی توانیم از قانون کل انرژی مکانیکی استفاده کنیم، زیرا مکانیک قادر به توصیف گرمایی یا هر پدیده دیگری نیست که در این سیستم رخ می دهد.

سوال:آیا اگر گرانش و نیروی ارتجاعی به طور همزمان بر جسم وارد شوند قانون بقای انرژی محقق می شود؟

پاسخ:بله، البته، اگر سیستمی از اجسام با چندین نیروی محافظه کار تعامل داشته باشد و بسته باشد، قانون بقای انرژی مکانیکی کل برآورده می شود.

سوال:چگونه عمل یک نیروی خارجی بر انرژی یک سیستم از اجسام تأثیر می گذارد؟ آیا کل انرژی مکانیکی در این حالت حفظ می شود؟

پاسخ:این واقعیت که یک نیروی خارجی بر روی سیستم اجسام وارد می شود نشان می دهد که سیستم از بسته شدن باز می ماند، بنابراین، قانون بقای انرژی مکانیکی کل در آن کار نمی کند. با این حال، اگر جسمی در این سیستم گنجانده شود که معیار اثر متقابل آن این نیروی خارجی است، آنگاه این سیستم منبسط شده جدید از قبل بسته خواهد شد و بنابراین، قانون بقای انرژی معتبر خواهد بود.

سوال:ماهواره به دور زمین می چرخد. با کمک یک موتور موشک به مدار دیگری منتقل شد. آیا انرژی مکانیکی آن تغییر کرده است؟

پاسخ:بله، انرژی تغییر کرده است به دلیل اینکه سیستم در حین کار موتور موشک بسته نشده است.