Gündəlik təcrübə göstərir ki, daşınmaz cəsədlər hərəkətə gətirilə, hərəkətdə olanlar isə dayandırıla bilər. Biz daim nəsə edirik, dünya qaynayıb-qarışır, günəş parlayır… Bəs insanlar, heyvanlar, bütövlükdə təbiət bu işi görməyə gücü haradan alır? Mexanik hərəkət iz qoymadan yox olurmu? Bir cisim digərinin hərəkətini dəyişmədən hərəkətə başlayacaqmı? Bütün bunlar haqqında məqaləmizdə danışacağıq.
Enerji konsepsiyası
Avtomobilləri, traktorları, dizel lokomotivlərini və təyyarələri gücləndirən mühərriklər enerji mənbəyi olan yanacaq tələb edir. Elektrik mühərrikləri elektrik cərəyanının köməyi ilə maşınların hərəkətini təmin edir. Hündürlükdən düşən suyun enerjisi hesabına hidroturbinlər fırlanır, elektrik cərəyanı yaradan elektrik maşınlarına qoşulur. İnsanın var olması və işləməsi üçün də enerji lazımdır. Deyirlər ki, hər hansı bir işi görmək üçün enerji lazımdır. Enerji nədir?
- Müşahidə 1. Topu yerdən yuxarı qaldırın. O, bir vəziyyətdə olarkənhec bir mexaniki is gorulmez. Onu buraxaq. Ağırlıq qüvvəsinin təsiri altında top müəyyən hündürlükdən yerə düşür. Top yerə düşən kimi mexaniki iş yerinə yetirilir.
- Müşahidə 2. Yayı bağlayın, sapla bərkidin və yayın üzərinə ağırlıq qoyun. İpə od vuraq, yay düzələcək və çəki müəyyən bir hündürlüyə qaldıracaq. Yay mexaniki iş gördü.
- Müşahidə 3. Çubuğu ucundakı blokla arabaya bərkidin. Blokdan bir ip atacağıq, bir ucu arabanın oxuna sarılır, digərində isə ağırlıq asılır. Gəlin yükü ataq. Cazibə qüvvəsinin təsiri altında aşağı düşəcək və arabanın hərəkətini verəcəkdir. Ağırlıq mexaniki iş görüb.
Yuxarıda qeyd olunan bütün müşahidələri təhlil etdikdən sonra belə nəticəyə gəlmək olar ki, qarşılıqlı təsir zamanı cisim və ya bir neçə cisim mexaniki iş görürsə, onda onlar mexaniki enerji və ya enerjiyə malik olduqlarını deyirlər.
Enerji konsepsiyası
Enerji (yunanca enerji - fəaliyyət sözündəndir) cisimlərin iş görmək qabiliyyətini xarakterizə edən fiziki kəmiyyətdir. Enerji vahidi, eləcə də SI sistemində iş bir Joule (1 J) təşkil edir. Yazıda enerji E hərfi ilə işarələnir. Yuxarıdakı təcrübələrdən görmək olar ki, bədən bir vəziyyətdən digərinə keçəndə işləyir. Bu zaman bədənin enerjisi dəyişir (azalır) və bədənin yerinə yetirdiyi mexaniki iş onun mexaniki enerjisinin dəyişməsinin nəticəsi ilə bərabər olur.
Mexanik enerji növləri. Potensial enerji anlayışı
Mexaniki enerjinin 2 növü var: potensial və kinetik. İndi potensial enerjiyə daha yaxından nəzər salaq.
Potensial enerji (PE) qarşılıqlı təsirdə olan cisimlərin və ya eyni cismin hissələrinin qarşılıqlı mövqeyi ilə müəyyən edilən enerjidir. Hər hansı bir cisim və yer bir-birini cəlb etdiyindən, yəni qarşılıqlı təsirdə olduğundan, yerdən yuxarı qaldırılmış cismin PE-si h yüksəlişinin hündürlüyündən asılı olacaqdır. Bədən nə qədər yüksəkdirsə, onun PE-si bir o qədər yüksəkdir. Eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir ki, PE yalnız qaldırıldığı boydan deyil, həm də bədən çəkisindən asılıdır. Cəsədlər eyni hündürlüyə qaldırılıbsa, böyük kütləsi olan bir cismin də böyük PE-si olacaqdır. Bu enerjinin düsturu aşağıdakı kimidir: Ep=mgh, burada Ep potensial enerji, m – bədənin kütləsidir, g=9,81 N/kq, h - hündürlük.
Yayın potensial enerjisi
Elastik deformasiyaya uğramış cismin potensial enerjisi Ep, fiziki kəmiyyətdir ki, elastik qüvvələrin təsiri altında ötürmə hərəkətinin sürəti dəyişdikdə, eyni dərəcədə azalır. kinetik enerji artır. Yaylar (digər elastik deformasiyaya uğramış cisimlər kimi) öz sərtliklərinin k məhsulunun yarısına və deformasiya kvadratına bərabər olan PE-yə malikdir: x=kx2:2.
Kinetik enerji: düstur və tərif
Bəzən mexaniki işin mənasını güc və yerdəyişmə anlayışlarından istifadə etmədən, işin yerinə yetirilməsinə diqqət yetirməklə nəzərdən keçirmək olar.bədən enerjisinin dəyişməsini xarakterizə edir. Bizə lazım olan tək şey cismin kütləsi və onun bizi kinetik enerjiyə aparacaq ilk və son sürətləridir. Kinetik enerji (KE) öz hərəkətinə görə bədənə aid olan enerjidir.
Kinetik enerji küləkdir, külək turbinlərinə hərəkət etmək üçün istifadə olunur. Hərəkətli hava kütlələri külək turbinlərinin qanadlarının maili müstəvilərinə təzyiq edir və onların dönməsinə səbəb olur. Dönmə hərəkəti ötürücü sistemlər vasitəsilə müəyyən işi yerinə yetirən mexanizmlərə ötürülür. Elektrik stansiyasının turbinlərini döndərən daşınan su iş görərkən CE-nin bir hissəsini itirir. Səmada yüksək uçan bir təyyarə, PE-dən əlavə, CE-yə malikdir. Əgər bədən istirahətdədirsə, yəni onun Yerə nisbətən sürəti sıfırdırsa, onun Yerə nisbətən CE sıfırdır. Eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir ki, cismin kütləsi və hərəkət sürəti nə qədər çox olarsa, onun KE-si də bir o qədər çox olar. Tərcümə hərəkətinin kinetik enerjisinin riyazi baxımdan düsturu belədir:
Burada K kinetik enerji, m bədən kütləsi, v sürətdir.
Kinetik enerjidə dəyişiklik
Cismin sürəti istinad sisteminin seçimindən asılı olan kəmiyyət olduğundan, bədənin FE-nin qiyməti də onun seçimindən asılıdır. Bədənin kinetik enerjisinin (İKE) dəyişməsi xarici F qüvvəsinin bədənə təsiri nəticəsində baş verir. IKE-yə bərabər olan fiziki kəmiyyət ACismin üzərinə F qüvvəsinin təsirindən ΔEk iş adlanır: A=ΔEk. Əgər v 1 sürətlə hərəkət edən cismə istiqamətlə üst-üstə düşən F qüvvəsi təsir edirsə, onda cismin sürəti t zamanla müəyyən qədər v qədər artacaq. 2. Bu halda, IKE:
Burada m - bədən çəkisi; d - bədənin qət etdiyi məsafə; Vf1=(V2 - V1); Vf2 =(V2 + V1); a=F: m. Bu düstura görə kinetik enerji nə qədər hesablanır. Düsturun həmçinin aşağıdakı şərhi ola bilər: ΔЕк =Flcos ά, burada cosά F qüvvə vektorları ilə V sürəti arasındakı bucaqdır.
Orta kinetik enerji
Kinetik enerji bu sistemə aid müxtəlif nöqtələrin hərəkət sürəti ilə müəyyən edilən enerjidir. Bununla belə, yadda saxlamaq lazımdır ki, müxtəlif hərəkət növlərini xarakterizə edən 2 enerjini ayırd etmək lazımdır: tərcümə və fırlanma. Bu halda orta kinetik enerji (SKE) bütün sistemin enerjilərinin cəmi ilə onun istirahət enerjisi arasındakı orta fərqdir, yəni əslində onun dəyəri potensial enerjinin orta qiymətidir. Orta kinetik enerji üçün formula aşağıdakı kimidir:
burada k Boltzman sabitidir; T temperaturdur. Molekulyar kinetik nəzəriyyənin əsasını məhz bu tənlik təşkil edir.
Qaz molekullarının orta kinetik enerjisi
Çoxsaylı təcrübələr müəyyən etmişdir ki, verilmiş temperaturda ötürmə hərəkətində qaz molekullarının orta kinetik enerjisi eynidir və qazın növündən asılı deyildir. Bundan əlavə, o da məlum olub ki, qaz 1 оС qızdırıldıqda TEC eyni qiymətə yüksəlir. Daha dəqiq desək, bu dəyər bərabərdir: WITH. Tərcümə hərəkətində qaz molekullarının orta kinetik enerjisinin nəyə bərabər olduğunu hesablamaq üçün bu nisbi qiymətə əlavə olaraq, köçürmə hərəkət enerjisinin ən azı daha bir mütləq dəyərini bilmək lazımdır. Fizikada bu dəyərlər geniş temperatur diapazonu üçün olduqca dəqiq müəyyən edilir. Məsələn, t=500 oС temperaturda molekulun ötürmə hərəkətinin kinetik enerjisi Ек=1600 x 10-23J. 2 kəmiyyəti bilməklə (ΔЕк və Ек) həm verilmiş temperaturda molekulların köçürmə hərəkətinin enerjisini hesablaya, həm də həll edə bilərik. tərs məsələ - müəyyən edilmiş enerji qiymətləri ilə temperaturu təyin etmək.
Nəhayət belə bir nəticəyə gəlmək olar ki, formulası yuxarıda verilmiş molekulların orta kinetik enerjisi yalnız mütləq temperaturdan (və maddələrin hər hansı məcmu vəziyyəti üçün) asılıdır.
Tam mexaniki enerjinin saxlanması qanunu
Cismlərin cazibə qüvvəsi və elastik qüvvələrin təsiri altında hərəkətinin tədqiqi müəyyən fiziki kəmiyyətin olduğunu göstərdi ki, bu kəmiyyət potensial enerji adlanır Ep;bədənin koordinatlarından asılıdır və onun dəyişməsi əks işarə ilə alınan IKE-yə bərabərdir: Δ Ep= - ΔEkDeməli, cismin cazibə qüvvələri və elastik qüvvələrlə qarşılıqlı təsirdə olan KE və PE-də dəyişikliklərin cəmi 0-a bərabərdir: Yalnız cismin koordinatlarından asılı olan qüvvələrə mühafizəkar deyilir. Cəlbedici və elastik qüvvələr mühafizəkar qüvvələrdir. Bədənin kinetik və potensial enerjilərinin cəmi ümumi mexaniki enerjidir: Ep + Ek=E.
Ən dəqiq təcrübələrlə sübut edilən bu fakt
mexaniki enerjinin saxlanma qanunu adlanır. Əgər cisimlər nisbi hərəkət sürətindən asılı olan qüvvələrlə qarşılıqlı əlaqədə olarsa, qarşılıqlı təsir edən cisimlər sistemində mexaniki enerji saxlanmır. Qeyri-mühafizəkar adlanan bu növ qüvvələrə sürtünmə qüvvələri misal ola bilər. Əgər sürtünmə qüvvələri bədənə təsir edirsə, onda onlara qalib gəlmək üçün enerji sərf etmək lazımdır, yəni onun bir hissəsi sürtünmə qüvvələrinə qarşı iş görmək üçün istifadə olunur. Lakin burada enerjinin saxlanması qanununun pozulması yalnız xəyali xarakter daşıyır, çünki bu, enerjinin saxlanması və çevrilməsinin ümumi qanununun ayrıca halıdır. Cismlərin enerjisi heç vaxt yox olmur və yenidən görünmür: o, yalnız bir formadan digərinə çevrilir. Bu təbiət qanunu çox vacibdir, hər yerdə həyata keçirilir. Buna bəzən enerjinin saxlanması və çevrilməsinin ümumi qanunu da deyilir.
Daxili əlaqəbədən enerjisi, kinetik və potensial enerjilər
Cismin daxili enerjisi (U) bədənin ümumi enerjisindən bütövlükdə bədənin KE-si və xarici qüvvə sahəsindəki PE-si çıxılmaqla bərabərdir. Buradan belə nəticəyə gəlmək olar ki, daxili enerji molekulların xaotik hərəkətinin CE-dən, onlar arasındakı qarşılıqlı təsirin PE-dən və molekuldaxili enerjidən ibarətdir. Daxili enerji sistemin vəziyyətinin birqiymətli funksiyasıdır və bu, aşağıdakıları bildirir: əgər sistem verilmiş vəziyyətdədirsə, onun daxili enerjisi əvvəl baş verənlərdən asılı olmayaraq özünəməxsus dəyərləri alır.
Relyativizm
Cismin sürəti işıq sürətinə yaxın olduqda, kinetik enerji aşağıdakı düsturla tapılır:
Düsulu yuxarıda yazılmış bədənin kinetik enerjisi də bu prinsipə əsasən hesablana bilər:
Kinetik enerjinin tapılmasına dair problem nümunələri
1. 300 m/s sürətlə uçan 9 q topun və 18 km/saat sürətlə qaçan 60 kq-lıq insanın kinetik enerjisini müqayisə edin.
Deməli, bizə nə verilir: m1=0,009 kq; V1=300 m/s; m2=60 kq, V2=5 m/s.
Həll:
- Kinetik enerji (formula): Ek =mv2 : 2.
- Hesablama üçün bütün məlumatlarımız var və buna görə də biz həm şəxs, həm də top üçün Ek tapacağıq.
- Ek1 =(0,009 kq x (300 m/s)2): 2=405 J;
- Ek2 =(60 kq x (5)m/s)2): 2=750 J.
- Ek1 < Ek2.
Cavab: Topun kinetik enerjisi insan enerjisindən azdır.
2. Kütləsi 10 kq olan cəsəd 10 m hündürlüyə qaldırıldı, bundan sonra sərbəst buraxıldı. 5 m hündürlükdə hansı FE olacaq? Hava müqavimətinə laqeyd yanaşmaq olar.
Deməli, bizə nə verilir: m=10 kq; h=10 m; h 1 =5 m; g=9,81 N/kq. Ek1 - ?
Həll:
- Müəyyən bir hündürlüyə qaldırılmış müəyyən kütləli cismin potensial enerjisi var: Ep=mgh. Bədən yıxılarsa, h1 hündürlüyündə tər olacaq. enerji Ep=mgh1 və qohum. enerji Ek1. Kinetik enerjini düzgün tapmaq üçün yuxarıda verilmiş düstur kömək etməyəcək və buna görə də aşağıdakı alqoritmdən istifadə edərək problemi həll edəcəyik.
- Bu addımda enerjinin saxlanması qanunundan istifadə edirik və yazırıq: Ep1 + Ek1=E səh.
- Sonra Ek1=E p - Ep1 =mgh - mgh 1 =mg(h-h1).
- Dəyərlərimizi düsturla əvəz edərək, əldə edirik:
Cavab: Ek1=490,5 J.
3. Kütləsi m və radiusu R olan volan, mərkəzindən keçən ox ətrafında fırlanır. Flywheel sarma bucaq sürəti - ω. Volanı dayandırmaq üçün əyləc başlığı Ffriction qüvvəsi ilə onun halqasına sıxılır. Volan tam dayanana qədər neçə dövrə edir? Qeyd edək ki, volanın kütləsikənarın ətrafında mərkəzləşdirilmişdir.
Deməli, bizə nə verilir: m; R; ω; Fsürtünmə. N - ?
Həll:
- Məsələni həll edərkən biz volan çarxının dövrələrini ω bucaq sürəti ilə fırlanan radiusu R və kütləsi m olan nazik bircins halqanın inqilablarına oxşar hesab edəcəyik.
- Belə cismin kinetik enerjisi: Ек =(J ω 2): 2, burada J=m R2.
- Mavanın bütün FE-si əyləc pabucunun və halqa arasında yaranan sürtünmə qüvvəsinin Fsürtünmə qüvvəsini aradan qaldırmaq üçün işə sərf olunması şərti ilə dayanacaq: E to=Ffrictions, burada s dayanma məsafəsidir. 2 πRN-ə bərabərdir.
- Beləliklə, Ffriction 2 πRN =(m R 2 ω2): 2, buradan N=(m ω 2R): (4 π Ftr).
Cavab: N=(mω2R): (4πFtr).
Sonda
Enerji həyatın bütün sahələrində ən vacib komponentdir, çünki onsuz heç bir bədən, o cümlədən insanlar işləyə bilməz. Düşünürük ki, məqalə enerjinin nə olduğunu sizə aydınlaşdırdı və onun tərkib hissələrindən birinin - kinetik enerjinin bütün aspektlərinin ətraflı təqdimatı planetimizdə baş verən bir çox prosesləri başa düşməyə kömək edəcəkdir. Kinetik enerjini necə tapmaq olar, yuxarıdakı düsturlardan və problem həlli nümunələrindən öyrənə bilərsiniz.