Кінетична енергія
Потрапив фізик до лікарні після автокатастрофи. Лежить і марить:
– Добре, що навпіл. Добре, що навпіл. Добре, що навпіл.
– Що навпіл? – Запитує лікар.
– Добре, що кінетична енергія Ем-Ве-Квадрат НАВПІЛ!!!
Анекдот
Отже, коли тіло падає з висоти, його потенційна енергія постійно зменшується, тому що постійно зменшується його висота над поверхнею Землі. Але ми тільки що говорили про те, що енергія в ізольованій системі не може змінюватися. Куди ж пропадає потенційна енергія в системі “Земля – предмет”? Справа в тому, що, як тільки тіло починає рухатися, воно набуває кінетичну енергію, в яку і переходить його потенційна енергія. Сума цих енергій у всіх випадках залишається постійною.
Кінетична енергія тіла залежить від його маси і швидкості, з якою воно рухається. Математично кінетична енергія виражається як E = mv 2/2. Можна переконатися в тому, що при падінні сума потенційної і кінетичної енергій падаючого тіла не змінюється. Якщо висота, на якій знаходиться предмет, знизиться на величину h, то зменшення його потенційної енергії буде дорівнює добутку сили тяжіння на пройдене їм відстань, т. Е. Mgh. Але під дією сили тяжіння предмет рухається рівноприскореному з прискоренням g. У фізиці доводиться, що шлях, пройдений при такому русі за час t, дорівнює:
h = gt 2/2.
Значить, відстань h тіло пролетить за час t = √¯2gh. Рухаючись рівноприскорено, тіло придбає за цей час швидкість v = gt = g√¯2gh. Його кінетична енергія, отже, буде дорівнює mv 2/2 = mgh. Це якраз і є та величина, на яку зменшилася потенційна енергія. А це означає, що сумарна енергія падаючого тіла не змінилася. Якщо первісна висота, на якій знаходилося тіло, була h, то кінетична енергія цього тіла в момент падіння буде дорівнює mgh, т. Е. Його початковій потенційної енергії.
Але от тіло досягло найнижчої точки, втративши всю свою потенційну енергію. Що буде з ним далі? Для початку розглянемо коливання маятника, з яким ми познайомилися в попередніх параграфах. Відведемо маятник у бік, а потім відпустимо (рис. 89). Оскільки він знаходиться в полі тяжіння Землі, він володіє потенційною енергією, за рахунок якої почне рух вниз. Коли він досягне найнижчої точки, його потенційна енергія буде вичерпана, але він продовжить рух, набираючи при цьому висоту. Причиною цього є кінетична енергія, в яку під час руху вниз перейшла його потенційна енергія. Піднімаючись вгору, маятник здійснює роботу проти сили тяжіння.
На вчинення цієї роботи витрачається його кінетична енергія, яка в міру руху переходить в потенційну енергію, так як маятник піднімається все вище. Сума обох енергій весь час залишається постійною. Коли вся кінетична енергія буде витрачена, вона цілком перетвориться в потенційну, яка змусить маятник рухатися вниз у зворотному напрямку. Якщо на шляху маятника не виникає жодних перешкод його руху, він буде гойдатися вічно, так як його енергія завжди залишатиметься незмінною.
Звернемо тепер увагу на вираз: “Якщо на шляху не виникає жодних перешкод руху…” Ми знаємо, що насправді так ніколи не буває, і всякий маятник, якщо не поставляти йому додаткової енергії, т. Е. Не здійснювати над ним роботи, колись неодмінно зупиниться. Пружинні годинник треба регулярно заводити. Електричні можуть ходити довше, але рано чи пізно батарейка в них “сяде”. Причиною цього є те, що в реальних механічних рухах ніколи не буває випадків, коли не виникає жодних перешкод руху. Будь-яке таке рух зустрічає опір навколишнього середовища. Воно може бути більшим або меншим залежно від того, як поводиться це середовище. У разі маятника такий опір чинить повітря. Стикаючись з його молекулами, маятник передає їм частину своєї кінетичної енергії і поступово припиняє гойдатися. Закон збереження енергії при цьому не порушується, оскільки втрачена енергія не зникає, а набувається молекулами повітря.
Тепер розглянемо інший випадок. Предмет впав з деякої висоти на поверхню, яку ми назвали нульовий, і зупинився. Тепер у нього немає ні потенційної, ні кінетичної енергії. Куди вона пропала? Ймовірно, ви не раз спостерігали всілякі випадки падіння і знаєте, що існує багато варіантів для виявлення втраченої енергії. Якщо камінь впаде у воду, вгору полетять бризки, т. Е. Краплі води, що отримали від каменя кінетичну енергію (рис. 90). Якщо на твердий підлогу впаде чашка, вона розіб’ється, витративши свою кінетичну енергію на розрив зв’язків всередині неї самої. Але ж можливий і випадок, коли в результаті падіння предмета на тверду поверхню начебто нічого не відбувається. Зі столу на підлогу впала книга. Зовні ні з нею, ні з підлогою нічого не сталося. Куди ж поділася її енергія, якою вона, безсумнівно, володіла до і під час падіння? Вона передалася молекулам, з яких складаються і книга, і підлогу.
В результаті деякі молекули змінили своє положення: при дуже ретельному мікроскопічному дослідженні можна виявити невеликі вм’ятини і подряпини. Але у більшості молекул ця енергія викликала невеликі зміни в швидкості їх руху. Чи можна це якось виявити? Виявляється, можна, якщо дуже точно виміряти температуру книги і підлоги до і після падіння. І те й інше трохи нагріється. Ця зміна температури занадто мало для того, щоб його можна було відчути рукою, але дуже чутливий термометр його виявить. Кінетична енергія впала книги перейшла в теплову енергію, а саме в кінетичну енергію руху молекул і потенційну енергію взаємодії молекул статі та книги.
Перевірте свої знання
1. Як змінюються потенційна і кінетична енергія маятника в процесі його коливання?
2. У які види енергії може переходити кінетична енергія впав тіла?
3. Яка енергія визначає температуру тіла?
(1 votes, average: 5.00 out of 5)