В чем измеряется энергия 7 класс

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия – это любая энергия взаимодействия одного объекта с другим. Потенциальной ее называют потому, что это только «скрытая» энергия возможности, а не «проявленная» энергия движения. Например, если сжать пружину, она приобретает определенный потенциал, поскольку может отскочить и вернуться в исходное состояние.

Определение потенциальной энергии

Любая энергия представляет собой возможность совершения работы, в более общем смысле – движения. Например, если автомобиль едет, он получает энергию от сгорания бензина и перемещается по поверхности земли. В данном случае речь идет о кинетической энергии, то есть энергии, которой обладает движущееся тело.

Что касается потенциальной энергии, то это энергия взаимодействия между телами (лат. potentia – возможность). Речь идет не о самом движении или работе, а о возможности его совершения. То есть потенциальной называют энергию возможности тела к движению. В качестве иллюстрации можно привести несколько примеров.

Если поднять любой предмет на высоту собственного роста, его потенциальная энергия взаимодействии с Землей за счет сил гравитации увеличивается. Но если отпустить, предмет падает – соответственно, после этого потенциал становится равным нулю.

Если тело деформировано, например натянутая тетива лука, оно тоже имеет большую потенциальную энергию. Как только человек отпускает тетиву, стрела летит на большое расстояние с такой силой, что может даже убить животное. До отпускания она имела только потенциальную энергию, а после – кинетическую (энергию движения).

Огромной энергией обладают вода в водопаде до падения. Как только она начала падать, потенциальная энергия опять же превращается в кинетическую энергию движения, а в самой нижней точке она становится равной нулю.

Еще один пример из мира природы – воды рек, которые текут от истока к устью за счет силы притяжения. Они тоже обладают значительным запасом потенциальной энергии, которая используется, например, в гидроэлектростанциях (ГЭС). В данном случае потенциальная энергия стекающих вод используется для производства электричества.

Научное определение: потенциальная энергия – это скалярная (то есть не имеющая направления) физическая величина, которая является частью полной механической энергии тела либо системы наряду с кинетической энергией. Исходя из этого можно вывести простую формулу:

Здесь Е_полн – полная энергия, Е_кин – кинетическая, а Е_потенц – потенциальная.

Полезная информация о потенциальной энергии

Обозначения потенциальной энергии	Ep, W, Wp
Единица измерения	Джоуль (Дж)
Формула Ep тела в гравитационном поле Земли	Ep = m • g • h
Формула Ep заряда в электростатическом поле	Wp = q • E • d
Формула Ep деформированного тела	Ep = k • (Δx) 2 /2
Полная энергия механической системы	Еполн = Екин + Епотенц, откуда следует: Eпотенц = Еполн – Екин

Как обозначается потенциальная энергия

Потенциальную энергию обозначают по-разному:

Единица измерения

В международной системе СИ единица измерения потенциальной энергии – джоуль.

По определению один джоуль – это работа силы в один ньютон, которая переместила тело на один метр в направлении приложения этой силы.

Виды потенциальной энергии

Существует три основных вида потенциальной энергии:

• в поле гравитационного притяжения Земли;
• в электростатическом поле;
• в механической системе.

Во всех случаях речь идет об энергии взаимодействия между телами, то есть о потенциале. Например, если подбросить мяч над собой, он дойдет до определенной высоты, например 5 м, на мгновение остановится и далее снова упадет на землю. Получается, что в самой высокой точке потенциальная энергия взаимодействия мяча с планетой максимальная, а кинетическая равна нулю, потому что движения нет.

Но после падения потенциал резко падает, а кинетическая энергия, наоборот достигает максимума вплоть до столкновения с поверхностью. Затем мяч отпрыгивает на небольшую высоту, причем в верхней точке он снова приобретает потенциальную энергию взаимодействия с планетой, после чего опять падает. Потом еще несколько прыжков со все меньшей высотой – и наконец мяч останавливается. В состоянии покоя обе его энергии (кинетическая и потенциальная) равны нулю.

Есть потенциальная энергия и в электростатическом поле. Оно создается зарядами, которые неподвижны в пространстве, то есть не перемещаются. Известно, что разноименные заряды («плюс» и «минус») притягиваются. Поэтому попадая в поле друг друга, они практически мгновенно соединятся. В начале этого процесса их потенциальная энергия максимальная, но почти сразу она превращается в кинетическую и становится равной нулю.

Наконец, в механической системе потенциал – это энергия упругой деформации. Например, если сжать пружину, ее потенциальная энергия увеличится, а если отпустить ее, то потенциал превратится в движение (кинетическую энергию). В свою очередь, потенциальная станет равной нулю. В качестве примера можно привести и уже упомянутую стрелу, приложенную к натянутой тетиве лука.

это интересно

Определение мощности простыми и научными словами, а также формулы и примеры задач с подробным решением

Формулы потенциальной энергии

Есть несколько формул потенциальной энергии, которые используются в зависимости от ее конкретного вида. Так, энергия тела в поле тяготения Земли вычисляется по формуле:

\(<\mathrm E>_<\mathrm p>\;=\;\mathrm m\;\cdot\;\mathrm g\;\cdot\;\mathrm h\)

Здесь m – масса тела, g – ускорение свободного падения (постоянная величина, примерно равна 9,8 м/с 2 ), h – высота тела над Землей.

Рассматривая потенциальную энергию заряда в электростатическом поле, можно вывести такую формулу:

\(<\mathrm E>_<\mathrm p>\;=\;<\mathrm q>_<\mathrm p\;>\cdot\;\mathrm\varphi\;(\overline<\;\mathrm r>\;)\)

Наконец, для механической системы потенциальная энергия упругой деформации рассчитывается по такой формуле:

\(<\mathrm E>_<\mathrm p>\;=\;\mathrm k\;\cdot\;\frac<<(\mathrm<Δx>)>^2>2\)

Здесь k – коэффициент жесткости тела, Δx – степень деформации: Δx = x₁ – x₂, где x₂ – начальное состояние тела (до деформации), x₂ – конечное состояние (после деформации).

Задачи на потенциальную энергию с решением

Есть разные примеры задач на потенциальную энергию, все они связаны с представленными выше формулами.

Задача 1

Определить потенциальную энергию мяча массой 0,5 кг, который подбросили на высоту 4 м.

В данном случае мяч находится в гравитационном поле Земли, поэтому его потенциальную энергию можно найти по формуле:

Масса составляет 0,5 кг, h = 4 м, а g = 9,8 м/с 2 , поэтому

E_p = 0,5 • 4 • 9,8 = 19,6 Дж.

Ответ: Потенциальная энергия мяча равна 19,6 Дж.

Задача 2

Пружина прикреплена к стене, на ее конце установлено тело. Жесткость пружины 400 Н/м, ее растягивают с силой 80 Н. Какова потенциальная энергия деформации этой пружины?

В данном случае найти потенциальную энергию можно по формуле:

Сила упругости определяется как произведение жесткости на изменение длины рассматриваемой пружины:

Тогда деформацию можно рассчитать как Δx = F/k. Из этого следует, что потенциальную энергию можно найти по такой формуле:

E_p = k • (F/x) 2 /2 = Kf 2 /(2k 2 ) = F 2 /(2k)

Подставляя значения, данные условиями задачи, получаем:

E_p = 80 2 /(2 • 400) = 8 Дж.

Ответ: потенциальная энергия деформации в пружине равна 8 Дж.

Задача 3

Самолет массой 50 т летит на высоте 10 км со скоростью 900 км/ч. Какова его полная механическая энергия?

Самолет находится над Землей и движется (летит). Поэтому он обладает двумя видами энергии – потенциальной и кинетической. Следовательно, полную энергию можно найти по формуле:

При этом Е_кин = mv 2 /2, а E_потенц = mgh. Переводя все числовые значения в единицы измерения в соответствии с системой СИ, получаем: масса 50 000 кг, высота 10 000 м, скорость 250 м/с. Величина g = 9,8 м/с 2 . Подставляя все значения в формулу, получаем:

Е_полн = Е_кин + Е_потенц = mv 2 /2 + mgh = 50 000 • 250 2 /2+ 50 000 • 9,8 • 10 000 = 6462500000 = 6462 • 10 6 Дж = 6462 МДж (мегаджоуль)

Ответ: Полная механическая энергия самолета составляет 6462 МДж.

4 темы по физике, которые пригодятся на контрольной

Скоро контрольная по физике? Проверьте, все ли из этих тем вам знакомы.

1. Что такое диффузия
2. О чем говорит Закон Джоуля Ленца
3. Сколько существует видов механического движения
4. Сила Архимеда и в чем она измеряется

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Юлия Крутова, учитель физики средней общеобразовательной школы №16 (Московская область, Орехово-Зуевский городской округ):

Какие есть примеры тел, которые обладают потенциальной энергией?

Потенциальной энергией обладают тела, которые подняты над поверхностью земли (футбольный мяч, который падает на траву; человек, который прыгает со стула). Также это тела, которые могут быть упруго сжаты, так как после упругого сжатия тело принимает прежнюю форму. Например, пружина в пистолете.

Еще один пример – сжатые газы (за счет уменьшения расстояния между молекулами.

Пригодятся ли формулы вычисления потенциальной энергии на ЕГЭ?

Да, так как законы сохранения энергии присутствуют практически в каждом разделе, соответственно, и в ЕГЭ могут встретиться в 75% задач.

Почему в 7 классе на физике начинают изучать потенциальную энергию?

В 7 классе на данную тему выделяется недостаточно часов, то есть тема изучается в ознакомительном порядке. Учащиеся в 7 классе должны обладать определенными базовыми знаниями, а энергия относится к этой базе. Более подробно данная тема изучается в 9 классе.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия – одна из основных тем механики, изучаемая в самом начале школьного курса физики, с которой человек сталкивается на протяжении всей жизни. Без кинетической энергии невозможно кататься на велосипеде, играть в мяч и летать в космос. Давайте узнаем, что же такое кинетическая энергия, для чего она нужна, а также как ее вычислить.

Определение кинетической энергии

Кинетическая энергия – это энергия движения (от греческого слова «кинема» – «движение»). Действие этой энергии встречается повсеместно. Например, в ветряных генераторах или гидроэлектростанциях. Поскольку это энергия движения, то зависит она от скорости и массы движущегося тела.

Полезная информация о кинетической энергии

Телефон на кинетической энергии	Пусть кинетические телефоны еще не вошли в нашу жизнь, но они уже находятся на этапе создания! По задумке разработчиков, такие аппараты должен заряжаться от кинетической энергии, производимой касанием пальцев, или работать от движения телефона в пространстве.
Подъем самолета в небо	Взлетают самолеты не без помощи кинетической энергии. Покоряя воздушное пространство, самолетам (как и другим воздушным судам) приходится преодолевать различные силы сопротивления. В этом им помогает кинетическая энергия.
Движение автомобиля	При торможении кинетическая энергия автомобиля переходит в силу инерции, а при повороте превращается в центробежную силу. Поэтому во время езды на автомобиле нужно помнить о действии кинетической энергии, дабы не допустить аварию.

Как обозначается кинетическая энергия

В физике энергия обозначается буквой E. Поскольку видов энергии несколько, чтобы не было путаницы, каждый вид энергии обозначается небольшим индексом. Так, например, кинетическая энергия обозначается буквой E с индексом к – Ek.

Единица измерения

Все виды энергии измеряются в джоулях. Кинетическая энергия не исключение. Поскольку она зависит от массы и скорости, то при вычислении можно получить очень большие числа (масса тела, как и скорость, может быть огромной). Чтобы не путаться в цифрах, удобнее всего переводить джоули в килоджоули, килоджоули в мегаджоули и так далее. Килоджоули записываются как кДж, мегаджоуль – МДж.

1 Дж = 0,001 кДж
1 кДж = 1 000 Дж
1 МДж = 1 000 000 Дж

Формула кинетической энергии

Вычислить кинетическую энергию можно по формуле:

Несмотря на простоту формулы, вычисляли ее долгим и упорным трудом. Первый ученый, кто предложил учитывать взаимосвязь между энергией и скоростью тела, был Готфрид Лейбниц. Он высказал мысль о том, что кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, однако эта идея отвергалась многими людьми, поскольку она противоречила закону сохранения импульса. Впоследствии было признано, что энергия и импульс, будучи разными сущностями, могут сохранятся по одинаковому принципу. Так мир пришел к формуле кинетической энергии.

Свойства кинетической энергии

Кинетическая энергия обладает различными свойствами.

1. Кинетическая энергия не зависит от положения точки и направления ее скорости.
2. Если рассматривать кинетическую энергию как функцию, то она будет конечной и непрерывной.
3. Кинетическая энергия не отрицательна.
4. Вся энергия в мире никуда не пропадает и ниоткуда не берется: кинетическая энергия переходит в потенциальную, а потенциальная – в кинетическую.

Задачи на кинетическую энергию с решением

Давайте вместе решим две задачи на кинетическую энергию.

Задача 1

Владислав решил купить новую машину. Он поехал в салон и выбрал красивую иномарку. Посмотрев документы на авто, Влад заметил, что масса выбранной машины 1900 кг. «Впечатляет!» – подумал он и тут же ее купил. Владислав сел в машину и отправился домой. Приехав, Влад решил вспомнить, с какой скоростью он ехал на новой машине. Оказалось, что максимальная скорость составила 90 км/ч, а минимальная – 72 км/ч. Найдите разность между максимальной и минимальной кинетической энергией автомобиля.

Решение

Чтобы вычислить изменение энергии, нужно найти максимальную и минимальную кинетическую энергию. Для этого используем формулу:

Поскольку в условии задачи скорость дана в километрах в час, переведем ее в метры в секунду согласно международной системе СИ.

V₁ = 90 км/ч = 25 м/с
V₂ = 72 км/ч = 20 м/с

Теперь найдем максимальную кинетическую энергию:

\(\style<<\mathrm E>_<\mathrm k1>\;=\;\frac<\mathrm^2>2=\frac<1900\;\mathrm<кг>\;\cdot\;25^2\mathrm м/\mathrm с>2=593750\;\mathrm>\)

Теперь найдем минимальную:

\(\style<<\mathrm E>_<\mathrm k2>\;=\;\frac<\mathrm^2>2=\frac<1900\;\mathrm<кг>\;\cdot\;20^2\mathrm м/\mathrm с>2=380000\;\mathrm>\)

Теперь найдем разницу между ними:

\(\style<<<\mathrm E>_<\mathrm k1>>_<>–\;<<\mathrm E>_<\mathrm k2>>_<>=\;593750\;\mathrm\;–\;380000\;\mathrm\;=\;213\;750\;\mathrm\;>\)

Ответ: 213 750 Дж или 213,75 кДж.

это интересно
Закон Кулона
Что это такое и как применяется на практике один из фундаментальных законов физики

Задача 2

Гарри Поттер решил сыграть в Квиддич вместе со своими друзьями. Увы, во время игры команда противника решила нарушить правила и использовать против Гарри запрещенный прием – прихват (захват хвоста метлы соперника, чтобы замедлить его полет или создать для него помехи). Ничего не подозревающий Поттер был не готов к такому, поэтому свалился с метлы на игровое поле. Вычислите кинетическую энергию Гарри Поттера в момент падения, если его масса равна 50 кг, а время падения 2,4 с. Ускорение свободного падения считать равным 10.

Решение

Для начала вспомним формулу нахождения кинетической энергии:

Масса нам известна, но про скорость ничего в условии задачи не сказано. Поэтому найдем скорость. Для нахождения скорости воспользуемся простой формулой V=g*t, где g – ускорение свободного падения, а t – время падения. Подставим известные значения:

Теперь скорость нам известна, остается подставить имеющиеся данные в формулу для нахождения кинетической энергии:

\(\style<<\mathrm E>_<\mathrm k>\;=\;\frac<\mathrm^2>2=\frac<50\;\mathrm<кг>\;\cdot\;24^2\mathrm м/\mathrm с>2=14400\;\mathrm>\)

Ответ: 14 400 Дж или 14,4 кДж.

5 тем по физике с простыми объяснениями

Зная содержание этих статей, можно без страха отправляться на любую контрольную.

1. Определение и формула силы тока
2. Сколько существует видов механического движения
3. Что такое мощность простыми словами
4. О чем говорит Закон Джоуля Ленца
5. Сила трения и от чего она зависит

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Наталия Парфентьева, заведующая кафедрой общей и прикладной физики НИУ «Московский государственный строительный университет», кандидат физико-математических наук

Какие есть примеры тел, которые обладают кинетической энергией?

Труднее найти тела, которые не обладают кинетической энергией. Кинетическая энергия – это энергия, которой обладает движущееся тело. Механическое движение – это изменение положения тела в пространстве относительно других тел. Ключевыми словами в этом определении являются слова «относительно других тел». Человек стоит на переходе через улицу, относительно дороги он неподвижен, его кинетическая энергия равна нулю, но относительно проезжающих мимо него машин он движется со скоростями, равными скоростям машин.

Кинетическая энергия у человека зависит от скорости той машины, относительно которой мы рассматриваем движение человека. Вода в реке, лодка, плывущая по течению, планер, парящий в воздухе, лыжник, несущийся с горы – все эти тела обладают кинетической энергией, если их движение рассматривать относительно земли. Однако же кинетическая энергия лодки, плывущей со скоростью течения, если ее движение рассматривать относительно воды, равна нулю.

Пригодятся ли формулы вычисления кинетической энергии на ЕГЭ?

Знание формулы для кинетической энергии тела необходимо для сдачи ЕГЭ. Многие задачи динамики гораздо проще решаются при использовании теоремы об изменении кинетической энергии. Кроме этого, выражение для кинетической энергии входит в формулировку закона сохранения механической энергии, частного случая великого закона природы – закона сохранения энергии.

Почему в 7 классе на физике начинают изучать кинетическую энергию?

Понятие энергии известно детям с 7 класса. Они понимают, что чем быстрее они бегут, тем сложнее остановиться. Мы вводим понятие энергии на уроках физики как одного из основных понятий, определяющих физические процессы – движение, удар, торможение и так далее. Механическая энергия характеризует способность совершить механическую работу. Понятие механической энергии в физике совпадает с нашим бытовым представлением об энергии. Мы говорим «Этот человек энергичный, то есть он может много всего сделать, активно работать».

Кинетическая энергия характеризует способность тела совершить работу благодаря движению. Вы хотите забить в доску гвоздь. Молоток лежит на гвозде – так гвоздь не забьешь, но если вы ударите молотком по гвоздю, он забьется именно благодаря кинетической энергии молотка. Вы с грустью смотрите на строительную площадку, на которой разрушается старый дом. Как его разрушают? На толстой цепи качается тяжелый шар, который бьет по стене, и с каждым новым ударом происходит все большее разрушение благодаря кинетической энергии шара. Вы хотите лодку причалить к берегу, перед этим вы ее разгоняете, чтобы она обладала большей кинетической энергией и на большее расстояние проехала по берегу и так далее. Вот на таком уровне с примерами мы вводим в 7 классе понятие кинетической энергии, и дети это легко понимают.

Энергия в физике. Виды энергии. Работа и энергия

Только не спешите с выводами. Итак, допустим, вы отважный охотник за древними сокровищами. Жизнь ваша насыщенна на необычные локации, захватывающие события, непредвиденные встречи. Хоть и происходит все это лишь внутри виртуального компьютерного периметра. Но тем не менее.

И вот, сюжет развивается, сокровищницы иссякают, как приходит час финальной битвы. Вас ждет главный золотой улов, если удастся одолеть обитающего глубоко в подземельях дракона-хранителя.

Пусть геймплей нашей воображаемой игры таков, что атака мечом стоит персонажу десять очков энергии. Ее полный запас составляет сто очков, но при этом она возобновляемая. Поэтому вы бегаете вокруг дракона, чтобы где-то потянуть время, отдохнуть. Тактически распределяете удары. Однако увы и ах: запас энергии персонажа заканчивается раньше, чем очки здоровья дракона. Что-то определенно пошло не так.

Но не будем расстраиваться. Ведь дело далеко не в том, что мы проиграли дракону. Все дело здесь — в механизме игровой энергии, который мы только что описали. И если у вас не возникло проблем с его пониманием, понятие «энергия» в физике не покажется вам, как большинству людей, чем-то уж чересчур фантасмагорическим.

Энергия в физике: определение

В общем понимании:

Энергия — мера взаимодействия материи и различных форм движения.

Хотя… да, избежать фантасмагории не удастся. Проблема такова, что ни одно определение данного явления не может дать адекватного понимания энергии. Ни с точки зрения механики, ни с точки зрения химии или любого другого научного раздела. И это несмотря на то, что энергия в физике является чуть ли не самым важным понятием.

Энергия — основа каждой из четырех фундаментальных сил природы: гравитационного взаимодействия, электромагнитного, сильного и слабого ядерных взаимодействий. Движение и тепловые явления обладают энергией. Хорошо знакомое вам понятие массы тоже является одним из частых проявлений энергии.

Более того, энергия встречается не только в физике, но также и в астрономии, химии — во всех ветках естественных наук. А на бытовом уровне качество и количество энергии даже охраняется Гражданским кодексом Российской Федерации!

Компьютерные игры, темная материя, кипящий чайник… Различные формы энергии окружает нас на каждом шагу. Однако определить ее достаточным образом, увидеть, представить или почувствовать невозможно.

Формы энергии как абстракция

Потому что энергия в физике — абстрактная концепция. Абстракция представляет собой теоретическое обобщение. Иначе говоря, это то, что мы можем познать и определить лишь в границах нашего сознания.

Понять, что имеется в виду, проще всего с помощью классического сравнения абстрактного и конкретного. Представьте в своей голове автомобиль, как он приходит в движение. Далее представьте, как выглядит его корпус, каков его цвет, что за вид открывается внутри салона. Теперь попробуйте сделать то же самое со словом «любовь» или «обреченность». Или со словом «энергия».

Как работа связана с энергией

Именно поэтому долгое время понятие энергии ассоциировалось больше с философией, чем со строгой наукой. Лейбниц, Лагранж, Бернулли и многие другие выдающиеся ученые выдвигали свои версии количественного и качественного определения энергии. Только современное определение энергии в физике сформировалось аж к 1807 году. Во многом благодаря британскому естествоиспытателю Томасу Юнгу.

Он взял за основу механическую работоспособность и связал ее с научным значением работы. В полном объеме, на базе выводов Юнга, сформулировать, как работа связана с энергией, можно так:

Энергия — количественная мера, сообщающаяся внутри системы при создании физического изменения, которая показывает способность тела производить работу.

Если тело совершает работу или может совершить работу, мы можем говорить о том, что оно обладает энергией. Соответственно, чем больше объем работы, производимый телом, тем большим количеством энергии оно обладает.

Работа и энергия в физике — зачем это нужно?

Зачем нужна энергия, когда есть работа? Хороший вопрос. Им невольно начинает задаваться каждый, кто впервые в курсе физики сталкивается с энергией и определением энергии как меры, показывающей способность производить работу.

Есть масса, есть сила, есть работа. Зачем необходимо вводить неявную абстракцию в этот последовательный ряд? Что вообще значит «способность совершать работу»? Как будто ее может не быть. Давайте в таком случае представим, что энергия как физическая величина не существует, и решим с этим допущением стандартную задачу на работу.

Условие. Автомобиль прошел путь $2~км$. Определите работу, совершенную автомобилем, если он имеет силу тяги $20~кН$.

Решение. Работа равна произведению величины силы на пройденный путь — $A=F\Delta s$. Величина силы дана в условии задачи в виде силы тяги в $20~кН$. Переведем величины в СИ и подставим в формулу: $$A= 20\cdot 10^3~Н \cdot 2000~м=40000000~Дж=40~МДж$$

Автомобиль совершил работу в сорок мегаджоулей. Однако как легко мы предположили, что автомобиль ее действительно совершил. Да, номинально двигатель приводит машину в движение силой тяги, она проезжает два километра. Но что, если машина попросту не заведется? Просто потому, что в ней нет бензина? Двигатель не может начать работу с «пустого места» — ему нужна энергия, чтобы эту силу производить в полном объеме.

Абстрактное понятие энергии как раз и позволяет измерять подобные нюансы. Любая сила, реакция, процесс, движение требуют в своем роде запас «бензина», дабы что-то происходило. Ваше тело, к примеру, обладает силой и способно перемещать тяжелые ящики, но если плотно не покушать, полностью реализовать потенциал вашей силы вы не сможете.

Единицы измерения энергии

Энергия обозначается заглавной латинской литерой $E$.

Логично, что раз энергия определяет саму возможность совершения работы, то единицы измерения энергии согласуются с работой. Поэтому энергия измеряется в джоулях, $Дж$. Но поскольку энергия — многогранная мера, применимая ко всем системам, не только механическим, в реальной жизни чаще всего она выражается более удобными внесистемными единицами.

Вот некоторые из них:

• Калориикак единицы измерения энергии. $1~кал$ равняется $4,1868~Дж$. Одна из разновидностей калорий вам прекрасно знакома — на обертке продуктов вы наверняка обращали внимание на пункт «калорийность». Он сообщает энергетическую ценность пищи. К примеру, средняя калорийность одного кусочка пиццы «Маргарита» составляет $200~ккал$. Можно потратить эту энергию примерно на часовое мытье окон в квартире. А еще одного кусочка «Маргариты» хватит, чтобы два часа мыть посуду.

• Киловатт-часыкак единицы измерения энергии. В электроэнергетике энергия часто выражается в киловатт-часах, где $1~кВт\cdot ч= 3,6~МДж$. Вам обязательно встретится эта единица, если вы внимательно осмотрите сводку коммунальных платежей за «электричество» или в простонародье — «за свет».

Задача на энергию, деньги и пиццу «Маргарита»!

Среднестатистический компьютер потребляет около $0,2~кВт$ электроэнергии в час. Скажем, что в день компьютер включен в течение шести часов. В среднем цена за $1~кВт\cdot ч$ в центральной России составляет $6$ рублей. Сколько средств вам необходимо будет внести в счет оплаты электроэнергии за месяц в $30$ дней?

А сколько кусочков пиццы «Маргарита» необходимо будет съесть, чтобы заработать эти средства самостоятельно мытьем окон, если работодатель предлагает ставку $50$ рублей в час за работу?

Посчитаем, какая сумма за месяц в тридцать дней выйдет. В день мы расходуем $0,2~кВт\cdot 6~ч$ киловатт-час энергии. В месяц — $0,2~кВт\cdot 6~ч\cdot 30=36~кВт\cdot ч$. С учетом цены в $6$ рублей за киловатт-час получаем сумму $S$:

Если работодатель предлагает ставку $50$ руб/ч, чтобы покрыть сумму за электроэнергию, придется работать $\frac$ часов. Округлять нужно в большую сторону, ведь если мы отработаем ровно $4~ч$ по $50$ руб/ч, нам не хватит $16$ рублей для оплаты счета. Значит, окна мы будем мыть $5$ часов, заработав при этом $250$ рублей.

Вспомним конвертацию между работой и калорийностью пищи:

На пять часов работы нам придется израсходовать $1000~ккал$ энергии. В эквивалентах еды, это равняется пяти кусочкам пиццы. Выходит, чтобы получить электроэнергию, нужно в том числе потратить энергию — на заработок денег. Чтобы потратить энергию на заработок, нужно ее вновь откуда-то получить, то есть покушать. Такой вот круговорот, и вообще без разницы, какие единицы измерения энергии имеются в виду.

Формы энергии

Несмотря на абстрактность и относительную искусственность, физическое понятие энергии можно применять для описания огромного количества систем. Начиная от недавно изученных простых рычагов, заканчивая атомным ядром. Везде, где есть процесс или потенциал совершения этого процесса (даже если тело просто лежит неподвижно — его же можно заставить двигаться при желании, правда?), с помощью энергии можно рассчитать, сколько «бензина» потребуется для реализации этого процесса или сколько «бензина» выделится в итоге.

Понятие энергии и еще пару слов об абстракциях

Абстракции — это не так страшно, как кажется. Посмотрите, какой огромный пласт природных явлений можно описать, если условиться, что существует абстрактный «бензин», он же энергия.

С другой стороны, резонно заметить: «Если энергия — условность, абстракция, номинально ее не существует, и мы как бы договорились всем миром называть ряд вещей «энергией», как мы можем брать нечто несуществующее и описывать этим нечто существующее? Тепло, свет, химию, движение?»

А задайте этот вопрос математикам!

Крайне тяжело найти человека, который бы не понимал смысл чисел, а ведь их тоже, так подумать, не существует в природе — мы их специально придумали, описали и ввели в обращение. Скажем, перед вами лежит горка конкретных персиков, но представить эту горку персиков абстрактным, несуществующим понятием «семь штук» вы способны без особого умственного напряжения. Чем энергия хуже чисел в этом аспекте?

В конце концов, понятие энергии позволяет дополнительно определить важный момент физики — момент «до» приложения силы.

Физика (7 класс)/Работа и мощность. Энергия

В обыденной жизни под понятием «работа» мы понимаем всё.

В физике понятие работа несколько иное. Это определенная физическая величина, а значит, ее можно измерить. В физике изучается прежде всего механическая работа.

Рассмотрим примеры механической работы.

Поезд движется под действием силы тяги электровоза, при этом совершается механическая работа. При выстреле из ружья сила давления пороховых газов совершает работу — перемещает пулю вдоль ствола, скорость пули при этом увеличивается.

Из этих примеров видно, что механическая работа совершается, когда тело движется под действием силы. Механическая работа совершается и в том случае, когда сила, действуя на тело (например, сила трения), уменьшает скорость его движения.

Желая передвинуть шкаф, мы с силой на него надавливаем, но если он при этом в движение не приходит, то механической работы мы не совершаем. Можно представить себе случай, когда тело движется без участия сил (по инерции), в этом случае механическая работа также не совершается.

Итак, механическая работа совершается, только когда на тело действует сила, и оно движется.

Нетрудно понять, что чем большая сила действует на тело и чем длиннее путь, который проходит тело под действием этой силы, тем большая совершается работа.

Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и прямо пропорциональна пройденному пути.

Поэтому, условились измерять механическую работу произведением силы на путь, пройденный по этому направлению этой силы:

работа = сила × путь

где А — работа, F — сила и s — пройденный путь.

За единицу работы принимается работа, совершаемая силой в 1Н, на пути, равном 1 м.

Единица работы — джоуль (Дж) названа в честь английского ученого Джоуля. Таким образом,

1 Дж = 1Н · м.

Используется также килоджоули (кДж) .

Формула А = Fs применима в том случае, когда сила F постоянна и совпадает с направлением движения тела.

Если направление силы совпадает с направлением движения тела, то данная сила совершает положительную работу.

Если же движение тела происходит в направлении, противоположном направлению приложенной силы, например, силы трения скольжения, то данная сила совершает отрицательную работу.

Если направление силы, действующей на тело, перпендикулярно направлению движения, то эта сила работы не совершает, работа равна нулю:

В дальнейшем, говоря о механической работе, мы будем кратко называть ее одним словом — работа.

Пример. Вычислите работу, совершаемую при подъеме гранитной плиты объемом 0,5 м3 на высоту 20 м. Плотность гранита 2500 кг/м 3 .

Запишем условие задачи, и решим ее.

где F -сила, которую нужно приложить, чтобы равномерно поднимать плиту вверх. Эта сила по модулю равна силе тяж Fтяж, действующей на плиту, то есть F = Fтяж. А силу тяжести можно определить по массе плиты: Fтяж = gm. Массу плиты вычислим, зная ее объем и плотность гранита: m = ρV; s = h, то есть путь равен высоте подъема.

Итак, m = 2500 кг/м3 · 0,5 м3 = 1250 кг.

F = 9,8 Н/кг · 1250 кг ≈ 12 250 Н.

A = 12 250 Н · 20 м = 245 000 Дж = 245 кДж.

Ответ: А =245 кДж.

Рычаги. Мощность. Энергия

На совершение одной и той же работы различным двигателям требуется разное время. Например, подъемный кран на стройке за несколько минут поднимает на верхний этаж здания сотни кирпичей. Если бы эти кирпичи перетаскивал рабочий, то ему для этого потребовалось бы несколько часов. Другой пример. Гектар земли лошадь может вспахать за 10-12 ч, трактор же с многолемешным плугом (лемех — часть плуга, подрезающая пласт земли снизу и передающая его на отвал; многолемешный — много лемехов), эту работу выполнит на 40-50 мин.

Ясно, что подъемный кран ту же работу совершает быстрее, чем рабочий, а трактор — быстрее чем лошадь. Быстроту выполнения работы характеризуют особой величиной, называемой мощностью.

Мощность равна отношению работы ко времени, за которое она была совершена.

Чтобы вычислить мощность, надо работу разделить на время, в течение которого совершена эта работа. мощность = работа/время.

где N — мощность, A — работа, t — время выполненной работы.

Мощность — величина постоянная, когда за каждую секунду совершается одинаковая работа, в других случаях отношение A/t определяет среднюю мощность:

Nср = A/t . За единицу мощности приняли такую мощность, при которой в 1 с совершается работа в Дж.

Эта единица называется ваттом (Вт) в честь еще одного английского ученого Уатта.

1 ватт = 1 джоуль/ 1 секунда, или 1 Вт = 1 Дж/с .

Ватт (джоуль в секунду) — Вт (1 Дж/с).

В технике широко используется более крупные единицы мощности — киловатт (кВт), мегаватт (МВт) .

1 МВт = 1 000 000 Вт

1 кВт = 1000 Вт

1 мВт = 0,001 Вт

1 Вт = 0,000001 МВт

1 Вт = 0,001 кВт

1 Вт = 1000 мВт

Пример. Найти мощность потока воды, протекающей через плотину, если высота падения воды 25 м, а расход ее — 120 м 3 в минуту.

Запишем условие задачи и решим ее.

Дано:
Высота плотины h = 25 м
Объём воды V = 120 м 3
Плотность воды ρ = 1000 кг/м 3
Время протекания воды t = 60 c
Ускорение свободного падения g = 9,8 м/с 2

Найти: мощность потока воды N — ?

Решение: Масса падающей воды равна плотности воды ρ умноженной на объём воды V: m = ρV,
m = 1000 кг/м 3 · 120 м 3 = 120 000 кг (или 12 · 10 4 кг).

Сила тяжести F, действующая на воду равна ускорению свободного падения g умноженного на массу воды m: F = gm,
F = 9.8 м/с2 · 120 000 кг ≈ 1 200 000 Н (или 12 · 10 5 Н)

Работа A, совершаемая падающим с высоты потоком равна силе F умноженной на высоту h: A = Fh,
А = 1 200 000 Н · 25 м = 30 000 000 Дж (или 3 · 10 7 Дж).

Мощность потока N равна работе A, делённой на время t в течении которого эта работа была сделана: N = A/t,
N = 30 000 000 Дж / 60 с = 500 000 Вт или 0,5 МВт.

Ответ: N = 0.5 МВт
(произносится: полмегавата)

Различные двигатели имеют мощности от сотых и десятых долей киловатта (двигатель электрической бритвы, швейной машины) до сотен тысяч киловатт (водяные и паровые турбины).

Мощность некоторых двигателей, кВт.

Вид транспортного средства	Мощность двигателя	Вид транспортного средства	Мощность двигателя
Автомобиль «Волга — 3102»	70	Ракета-носитель космического корабля
Самолет Ан-2	740
Дизель тепловоза ТЭ10Л	2200	«Восток»	15 000 000
Вертолет Ми — 8	2×1100	«Энергия»	125 000 000

На каждом двигателе имеется табличка (паспорт двигателя), на которой указаны некоторые данные о двигателе, в том числе и его мощность.

Мощность человека при нормальный условиях работы в среднем равна 70-80 Вт. Совершая прыжки, взбегая по лестнице, человек может развивать мощность до 730 Вт, а в отдельных случаях и еще бóльшую.

Зная мощность двигателя, можно рассчитать работу, совершаемую этим двигателем в течение какого-нибудь промежутка времени.

Из формулы N = A/t следует, что

Чтобы вычислить работу, необходимо мощность умножить на время, в течение которого совершалась эта работа.

Пример. Двигатель комнатного вентилятора имеет мощность 35 Вт. Какую работу он совершает за 10 мин?

Запишем условие задачи и решим ее.

A = 35 Вт * 600с = 21 000 Вт* с = 21 000 Дж = 21 кДж.

Ответ A = 21 кДж.

Простые механизмы.

С незапамятных времен человек использует для совершения механической работы различные приспособления.

Каждому известно, что тяжелый предмет (камень, шкаф, станок), который невозможно сдвинуть руками, можно сдвинуть с помощью достаточно длинной палки — рычага.

На данный момент считается, что с помощью рычагов три тысячи лет назад при строительстве пирамид в Древнем Египте передвигали и поднимали на большую высоту тяжелые каменные плиты.

Во многих случаях, вместо того, чтобы поднимать тяжелый груз на некоторую высоту, его можно вкатывать или втаскивать на ту же высоту по наклонной плоскости или поднимать с помощью блоков.

Приспособления, служащие для преобразования силы, называются механизмами.

К простым механизмам относятся: рычаги и его разновидности — блок, ворот; наклонная плоскость и ее разновидности — клин, винт. В большинстве случаев простые механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, то есть увеличить силу, действующую на тело, в несколько раз.

Простые механизмы имеются и в бытовых, и во всех сложных заводских и фабричных машинах, которые режут, скручивают и штампуют большие листы стали или вытягивают тончайшие нити, из которых делаются потом ткани. Эти же механизмы можно обнаружить и в современных сложных автоматах, печатных и счетных машинах.

Рычаг. Равновесие сил на рычаге.

Рассмотрим самый простой и распространенный механизм — рычаг.

Рычаг представляет собой твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры.

На рисунках показано, как рабочий для поднятия груза в качестве рычага, использует лом. В первом случае рабочий с силой F нажимает на конец лома B, во втором — приподнимает конец B.

Рабочему нужно преодолеть вес груза P — силу, направленную вертикально вниз. Он поворачивает для этого лом вокруг оси, проходящей через единственную неподвижную точку лома — точку его опоры О. Сила F, с которой рабочий действует на рычаг, меньше силы P, таким образом, рабочий получает выигрыш в силе. При помощи рычага можно поднять такой тяжелый груз, который своими силами поднять нельзя.

На рисунке изображен рычаг, ось вращения которого О (точка опоры) расположена между точками приложения сил А и В. На другом рисунке показана схема этого рычага. Обе силы F1 и F2, действующие на рычаг, направлены в одну сторону.

Кратчайшее расстояние между точкой опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила, называется плечом силы.

Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы.

Длина этого перпендикуляра и будет плечом данной силы. На рисунке показано, что ОА — плечо силы F1; ОВ — плечо силы F2 . Силы, действующие на рычаг могут повернуть его вокруг оси в двух направлениях: по ходу или против хода часовой стрелки. Так, сила F1 вращает рычаг по ходу часовой стрелки, а сила F2 вращает его против часовой стрелки.

Условие, при котором рычаг находится в равновесии под действием приложенных к нему сил, можно установить на опыте. При этом надо помнить, что результат действия силы, зависит не только от ее числового значения (модуля), но и от того, в какой точке она приложена к телу, или как направлена.

К рычагу (см рис.) по обе стороны от точки опоры подвешиваются различные грузы так, что каждый раз рычаг оставался в равновесии. Действующие на рычаг силы, равны весам этих грузов. Для каждого случая измеряются модули сил и их плечи. Из опыта изображенного на рисунке 154, видно, что сила 2 Н уравновешивает силу 4 Н. При этом, как видно из рисунка, плечо меньшей силы в 2 раза больше плеча большей силой.

На основании таких опытов было установлено условие (правило) равновесия рычага.

Рычаг находится в равновесии тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил.

Это правило можно записать в виде формулы:

F1/F2 = l2/l1,

где F1 и F2— силы, действующие на рычаг, l1 и l2, — плечи этих сил (см. рис.).

Правило равновесия рычага было установлено Архимедом около 287—212 гг. до н. э. (но ведь в прошлом параграфе говорилось, что рычаги использовались египтянами? Или тут важную роль играет слово «установлено»?)

Из этого правила следует, что меньшей силой можно уравновесить при помощи рычага бóльшую силу. Пусть одно плечо рычага в 3 раза больше другого (см рис.). Тогда, прикладывая в точке В силу, например, в 400 Н, можно поднять камень весом 1200 Н. Что0бы поднять еще более тяжелый груз, нужно увеличить длину плеча рычага, на которое действует рабочий.

Пример. С помощью рычага рабочий поднимает плиту массой 240 кг (см рис. 149). Какую силу прикладывает он к большему плечу рычага, равному 2,4 м, если меньшее плечо равно 0,6 м?

Запишем условие задачи, и решим ее.

По правилу равновесия рычага F1/F2 = l2/l1, откуда F1 = F2 l2/l1, где F2 = Р — вес камня. Вес камня asd = gm, F = 9,8 Н · 240 кг ≈ 2400 Н

Тогда, F1 = 2400 Н · 0,6/2,4 = 600 Н.

Ответ : F1 = 600 Н.

В нашем примере рабочий преодолевает силу 2400 Н, прикладывая к рычагу силу 600 Н. Но при этом плечо, на которое действует рабочий, в 4 раза длиннее того, на которое действует вес камня (l1 : l2 = 2,4 м : 0,6 м = 4).

Применяя правило рычага, можно меньшей силой уравновесить бóльшую силу. При этом плечо меньшей силы должно быть длиннее плеча большей силы.

Момент силы.

Вам уже известно правило равновесия рычага:

F1 / F2 = l2 / l1,

Пользуясь свойством пропорции (произведение ее крайних членов, равно произведению ее средних членов), запишем его в таком виде:

F1l1 = F2l2 .

В левой части равенства стоит произведение силы F1 на ее плечо l1, а в правой — произведение силы F2 на ее плечо l2 .

Произведение модуля силы, вращающей тело, на ее плечо называется моментом силы; он обозначается буквой М. Значит,

Рычаг находится в равновесии под действием двух сил, если момент силы, вращающий его по часовой стрелке, равен моменту силы, вращающей его против часовой стрелки.

Это правило, называемое правилом моментов, можно записать в виде формулы:

Действительно, в рассмотренном нами опыте, (§ 56) действующие силы были равны 2 Н и 4 Н, их плечи соответственно составляли 4 и 2 давления рычага, то есть моменты этих сил одинаковы при равновесии рычага.

Момент силы, как и всякая физическая величина, может быть измерена. За единицу момента силы принимается момент силы в 1 Н, плечо которой ровно 1 м.

Эта единица называется ньютон-метр (Н · м).

Момент силы характеризует действие силы, и показывает, что оно зависит одновременно и от модуля силы, и от ее плеча. Действительно, мы уже знаем, например, что действие силы на дверь зависит и от модуля силы, и от того, где приложена сила. Дверь тем легче повернуть, чем дальше от оси вращения приложена действующая на нее сила. Гайку, лучше отвернуть длинным гаечным ключом, чем коротким. Ведро тем легче поднять из колодца, чем длиннее ручка вóрота, и т. д.

Рычаги в технике, быту и природе.

Правило рычага (или правило моментов) лежит в основе действия различного рода инструментов и устройств, применяемых в технике и быту там, где требуется выигрыш в силе или в пути.

Выигрыш в силе мы имеем при работе с ножницами. Ножницы — это рычаг (рис), ось вращения которого, происходит через винт, соединяющий обе половины ножниц. Действующей силой F1 является мускульная сила руки человека, сжимающего ножницы. Противодействующей силой F2 — сила сопротивления такого материала, который режут ножницами. В зависимости от назначения ножниц их устройство бывает различным. Конторские ножницы, предназначенные для резки бумаги, имеют длинные лезвия и почти такой же длины ручки. Для резки бумаги не требуется большой силы, а длинным лезвием удобнее резать по прямой линии. Ножницы для резки листового металла (рис.) имеют ручки гораздо длиннее лезвий, так как сила сопротивления металла велика и для ее уравновешивания плечо действующей силы приходится значительно увеличивать. Еще больше разница между длиной ручек и расстоянии режущей части и оси вращения в кусачках (рис.), предназначенных для перекусывания проволоки.

Рычаги различного вида имеются у многих машин. Ручка швейной машины, педали или ручной тормоз велосипеда, педали автомобиля и трактора, клавиши пианино — все это примеры рычагов, используемых в данных машинах и инструментах.

Примеры применения рычагов — это рукоятки тисков и верстаков, рычаг сверлильного станка и т. д.

На принципе рычага основано действие и рычажных весов (рис.). Учебные весы, изображенные на рисунке 48 (с. 42), действуют как равноплечий рычаг. В десятичных весах плечо, к которому подвешена чашка с гирями, в 10 раз длиннее плеча, несущего груз. Это значительно упрощает взвешивание больших грузов. Взвешивая груз на десятичных весах, следует умножить массу гирь на 10.

Устройство весов для взвешивания грузовых вагонов автомобилей также основано на правиле рычага.

Рычаги встречаются также в разных частях тела животных и человека. Это, например, руки, ноги, челюсти. Много рычагов можно найти в теле насекомых (прочитав книгу про насекомых и строение их тела), птиц, в строении растений.

Применение закона равновесия рычага к блоку.

Блок представляет собой колесо с желобом, укрепленное в обойме. По желобу блока пропускается веревка, трос или цепь.

Неподвижным блоком называется такой блок, ось которого закреплена, и при подъеме грузов не поднимается и не опускается (рис).

Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса (рис): ОА = ОВ = r. Такой блок не дает выигрыша в силе. (F1 = F2), но позволяет менять направление действие силы. Подвижный блок — это блок. ось которого поднимается и опускается вместе с грузом (рис.). На рисунке показан соответствующий ему рычаг: О — точка опоры рычага, ОА — плечо силы Р и ОВ — плечо силы F. Так как плечо ОВ в 2 раза больше плеча ОА, то сила F в 2 раза меньше силы Р:

Таким образом, подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза.

Это можно доказать и пользуясь понятием момента силы. При равновесии блока моменты сил F и Р равны друг другу. Но плечо силы F в 2 раза больше плеча силы Р, а, значит, сама сила F в 2 раза меньше силы Р.

Обычно на практике применяют комбинацию неподвижного блока с подвижным (рис.). Неподвижный блок применяется только для удобства. Он не дает выигрыша в силе, но изменяет направление действия силы. Например, позволяет поднимать груз, стоя на земле. Это пригождается многим людям или рабочим. Тем не менее, он даёт выигрыш в силе в 2 раза больше обычного!

Равенство работ при использовании простых механизмов. «Золотое правило» механики.

Рассмотренные нами простые механизмы применяются при совершении работы в тех случаях, когда надо действием одной силы уравновесить другую силу.

Естественно, возникает вопрос: давая выигрыш в силе или пути, не дают ли простые механизмы выигрыша в работе? Ответ на поставленный вопрос можно получить из опыта.

Уравновесив на рычаге две какие-нибудь разные по модулю силы F1 и F2 (рис.), приводим рычаг в движение. При этом оказывается, что за одно и то же время точка приложения меньшей силы F2 проходит больший путь s2 , а точка приложения большей силы F1 — меньший путь s1. Измерив эти пути и модули сил, находим, что пути, пройденные точками приложения сил на рычаге, обратно пропорциональны силам:

s1 / s2 = F2 / F1.

Таким образом, действуя на длинное плечо рычага, мы выигрываем в силе, но при этом во столько же раз проигрываем в пути.

Произведение силы F на путь s есть работа. Наши опыты показывают, что работы, совершаемые силами, приложенными к рычагу, равны друг другу:

F1 s1 = F2 s2, то есть А1 = А2.

Итак, при использовании рычага выигрыша в работе не получится.

Пользуясь рычагом, мы можем выиграть или в силе, или в расстоянии. Действуя же силой на короткое плечо рычага, мы выигрываем в расстоянии, но во столько же раз проигрываем в силе.

Существует легенда, что Архимед, восхищенный открытием правила рычага, воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!».

Конечно, Архимед не мог бы справиться с такой задачей, если бы даже ему и дали бы точку опоры (которая должна была бы быть вне Земли) и рычаг нужной длины.

Для подъема земли всего на 1 см длинное плечо рычага должно было бы описать дугу огромной длины. Для перемещения длинного конца рычага по этому пути, например, со скоростью 1 м/с, потребовались бы миллионы лет!

Не дает выигрыша в работе и неподвижный блок, в чем легко убедиться на опыте (см. рис.). Пути, проходимые точками приложения сил F и F, одинаковы, одинаковы и силы, а значит, одинаковы и работы.

Можно измерить и сравнить между собой работы, совершаемые с помощью подвижного блока. Чтобы при помощи подвижного блока поднять груз на высоту h, необходимо конец веревки, к которому прикреплен динамометр, как показывает опыт (рис.), переместить на высоту 2h.

Таким образом, получая выигрыш в силе в 2 раза, проигрывают в 2 раза в пути, следовательно, и подвижный блок, на дает выигрыша в работе.

Многовековая практика показала, что ни один из механизмов не дает выигрыш в работе. Применяют же различные механизмы для того, чтобы в зависимости от условий работы выиграть в силе или в пути.

Уже древним ученым было известно правило, применимое ко всем механизмом: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Это правило назвали «золотым правилом» механики.

Коэффициент полезного действия механизма.

Рассматривая устройство и действие рычага, мы не учитывали трение, а также вес рычага. в этих идеальных условиях работа, совершенная приложенной силой (эту работу мы будем называть полной), равна полезной работе по подъему грузов или преодоления какого — либо сопротивления.

На практике совершенная с помощью механизма полная работа всегда несколько больше полезной работы.

Часть работы совершается против силы трения в механизме и по перемещению его отдельных частей. Так, применяя подвижный блок, приходится дополнительно совершать работу по подъему самого блока, веревки и по определению силы трения в оси блока.

Какой мы механизм мы не взяли, полезная работа, совершенная с его помощью, всегда составляет лишь часть полной работы. Значит, обозначив полезную работу буквой Ап, полную(затраченную) работу буквой Аз, можно записать:

Отношение полезной работы к полной работе называется коэффициентом полезного действия механизма.

Сокращенно коэффициент полезного действия обозначается КПД.

КПД обычно выражается в процентах и обозначается греческой буквой η, читается он как «эта»:

Пример: На коротком плече рычага подвешен груз массой 100 кг. Для его подъема к длинному плечу приложена сила 250 Н. Груз подняли на высоту h1 = 0,08 м, при этом точка приложения движущей силы опустилась на высоту h2 = 0,4 м. Найти КПД рычага.

Запишем условие задачи и решим ее.

Решение:

Полная (затраченная) работа Аз = Fh2.

Полезная работа Ап = Рh1

Р = 9,8 · 100 кг ≈ 1000 Н.

Ап = 1000 Н · 0,08 = 80 Дж.

Аз = 250 Н · 0,4 м = 100 Дж.

η = 80 Дж/100 Дж · 100 % = 80 %.

Ответ : η = 80 %.

Но «золотое правило» выполняется и в этом случае. Часть полезной работы — 20 % ее-расходуется на преодоление трения в оси рычага и сопротивления воздуха, а также на движение самого рычага.

КПД любого механизма всегда меньше 100 %. Конструируя механизмы, люди стремятся увеличить их КПД. Для этого уменьшаются трение в осях механизмов и их вес.

Энергия.

На заводах и фабриках, станки и машины приводятся в движения с помощью электродвигателей, которые расходуют при этом электрическую энергию (отсюда и название).

Автомобили и самолеты тепловозы и теплоходы, работают, расходуя энергию сгорающего топлива, гидротурбины — энергию падающей с высоты воды. Да и сами мы, чтобы жить, учиться и работать, возобновляем свой запас энергии при помощи пищи, которую мы едим.

Слово «энергия» употребляется нередко и в быту. Так, например, людей, которые могут быстро выполнять большую работу, мы называем энергичными, обладающими большой энергией. Что же такое энергия? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим примеры.

Сжатая пружина (рис), распрямляясь, совершить работу, поднять на высоту груз, или заставить двигаться тележку.

Поднятый над землей неподвижный груз не совершает работы, но если этот груз упадет, он может совершить работу (например, может забить в землю сваю).

Способностью совершить работу обладает и всякое движущееся тело. Так, скатившийся с наклонной плоскости стальной шарик А (рис), ударившись о деревянный брусок В, передвигает его на некоторое расстояние. При этом совершается работа.

Если тело или несколько взаимодействующих между собой тел (система тел) могут совершить работу, говорится, что они обладают энергией.

Энергия — физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело (или несколько тел). Энергия выражается в системе СИ в тех же единицах, что и работу, то есть в джоулях.

Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает.

При совершении работы энергия тел изменяется. Совершенная работа равна изменению энергии.

Потенциальная и кинетическая энергия.

Потенциальной (от лат. потенция — возможность) энергией называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел и частей одного и того же тела.

Потенциальной энергией, например, обладает тело, поднятое относительно поверхности Земли, потому что энергия зависит от взаимного положения его и Земли. и их взаимного притяжения. Если считать потенциальную энергию тела, лежащего на Земле, равной нулю, то потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту, определится работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю. Обозначим потенциальную энергию тела Еп, поскольку Е = А , а работа, как мы знаем, равна произведению силы на путь, то

где F — сила тяжести.

Значит, и потенциальная энергия Еп равна:

Е = Fh, или Е = gmh,

где g — ускорение свободного падения, m — масса тела, h — высота, на которую поднято тело.

Огромной потенциальной энергией обладает вода в реках, удерживаемая плотинами. Падая вниз, вода совершает работу, приводя в движение мощные турбины электростанций.

Потенциальную энергию молота копра (рис.) используют в строительстве для совершению работы по забиванию свай.

Открывая дверь с пружиной, совершается работа по растяжению (или сжатию) пружины. За счет приобретенной энергии пружина, сокращаясь (или распрямляясь), совершает работу, закрывая дверь.

Энергию сжатых и раскрученных пружин используют, например, в ручных часах, разнообразных заводных игрушках и пр.

Потенциальной энергией обладает всякое упругое деформированное тело. Потенциальную энергию сжатого газа используют в работе тепловых двигателей, в отбойных молотках, которые широко применяют в горной промышленности, при строительстве дорог, выемке твердого грунта и т. д.

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической (от греч. кинема — движение) энергией.

Кинетическая энергия тела обозначается буквой Ек .

Движущаяся вода, приводя во вращение турбины гидроэлектростанций, расходует свою кинетическую энергию и совершает работу. Кинетической энергией обладает и движущийся воздух — ветер.

От чего зависит кинетическая энергия? Обратимся к опыту (см. рис.). Если скатывать шарик А с разных высот, то можно заметить, что чем с большей высоты скатывается шарик, тем больше его скорость и тем дальше он продвигает брусок, то есть совершает большую работу. Значит, кинетическая энергия тела зависит от его скорости.

За счет скорости большой кинетической энергией обладает летящая пуля.

Кинетическая энергия тела зависит и от его массы. Еще раз проделаем наш опыт, но будем скатывать с наклонной плоскости другой шарик — большей массы. Брусок В передвинется дальше, то есть будет совершена бóльшая работа. Значит, и кинетическая энергия второго шарика, больше, чем первого.

Чем больше масса тела и скорость, с которой он движется, тем больше его кинетическая энергия.

Для того чтобы определить кинетическую энергию тела, применяется формула:

Ек = mv² /2,

где m — масса тела, v — скорость движения тела.

Кинетическую энергию тел используют в технике. Удерживаемая плотиной вода обладает, как было уже сказано, большой потенциальной энергией. При падении с плотины вода движется и имеет такую же большую кинетическую энергию. Она приводит в движение турбину, соединенную с генератором электрического тока. За счет кинетической энергии воды вырабатывается электрическая энергия.

Энергия движущейся воды имеет большое значение в народном хозяйстве. Эту энергию используют с помощью мощных гидроэлектростанций.

Энергия падающей воды является экологически чистым источником энергии в отличие от энергии топлива.

Все тела в природе относительно условного нулевого значения обладают либо потенциальной, либо кинетической энергией, а иногда той и другой вместе. Например, летящий самолет обладает относительно Земли и кинетической и потенциальной энергией.

Мы познакомились с двумя видами механической энергии. Иные виды энергии (электрическая, внутренняя и др.) будут рассмотрены в других разделах курса физики.

Превращение одного вида механической энергии в другой.

В природе, технике и быту можно часто наблюдать превращение одного вида механической энергии в другой: потенциальную в кинетическую и кинетическую в потенциальную. Например, при падении воды с плотины ее потенциальная энергия превращается в кинетическую. В качающемся маятнике периодически эти виды энергии переходят друг в друга.

Явление превращения одного вида механической энергии в другой очень удобно наблюдать на приборе, изображенном на рисунке. Накручивая на ось нить, поднимают диск прибора. Диск, поднятый вверх, обладает некоторой потенциальной энергией. Если его отпустить, то он, вращаясь, начнет падать. По мере падения потенциальная энергия диска уменьшается, но вместе с тем возрастает его кинетическая энергия. В конце падения диск обладает таким запасом кинетической энергии, что может опять подняться почти до прежней высоты. (Часть энергии расходуется на работу против силы трения, поэтому диск не достигает первоначальной высоты.) Поднявшись вверх, диск снова падает, а затем снова поднимается. В этом опыте при движении диска вниз его потенциальная энергия превращается в кинетическую, а при движении вверх кинетическая превращается в потенциальную.

Превращение энергии из одного вида в другой происходит также при ударе двух каких-нибудь упругих тел, например резинового мяча о пол или стального шарика о стальную плиту.

Если поднять над стальной плитой стальной шарик (рис) и выпустить его из рук, он будет падать. По мере падения шарика его потенциальная энергия убывает, а кинетическая растет, так как увеличивается скорость движения шарика. При ударе шарика о плиту произойдет сжатие как шарика, так и плиты. Кинетическая энергия, которой шарик обладал, превратится в потенциальную энергию сжатой плиты и сжатого шарика. Затем благодаря действию упругих сил плита и шарик, примут свою первоначальную форму. Шарик отскочит от плиты, а их потенциальная энергия вновь превратится в кинетическую энергию шарика: шарик отскочит вверх со скоростью, почти равной скорости, которой обладал в момент удара о плиту. При подъеме вверх скорость шарика, а значит, и его кинетическая энергия уменьшаются, потенциальная энергия увеличивается. отскочив от плиты, шарик поднимается почти до той же высоты, с которой начал падать. В верхней точке подъема вся его кинетическая энергия вновь превратится в потенциальную.

Явления природы обычно сопровождается превращением одного вида энергии в другой.

Энергия может и передаваться от одного тела к другому. Так, например, при стрельбе из лука потенциальная энергия натянутой тетивы переходит в кинетическую энергию летящей стрелы.

• Страницы с неработающими файловыми ссылками
• Физика 7-го класса