Гравитационная энергия это кратко
Обновлено: 05.07.2024
- Гравитационная энергия — потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным гравитационным тяготением.
Гравитационно-связанная система — система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимо энергии покоя).
Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационная энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии, постоянна. Для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными.
Связанные понятия
Гидростатическое равновесие (англ. Hydrostatic equilibrium, hydrostatic balance) — понятие, используемое в физике для описания равновесия гравитационных сил и направленных в противоположную сторону сил давления среды, обусловленных возникающим в направлении действия гравитации градиентом давления.
Экзотическая звезда — гипотетический компактный астрономический объект, состоящий не только из электронов, протонов, нейтронов и мюонов, как обычные и нейтронные звёзды, а из других видов материи. Гравитационному коллапсу такой звезды препятствует давление вырожденного газа или другие квантовые эффекты. К экзотическим звёздам относят кварковые (в том числе странные) звёзды (состоящие из кварковой материи), а также звёзды, состоящие из гипотетических частиц, существование которых не доказано (например.
Гравитацио́нная неусто́йчивость (неустойчивость Джинса) — нарастание со временем пространственных флуктуаций скорости и плотности вещества под действием сил тяготения (гравитационных возмущений).
Моде́ль горя́чей Вселе́нной — космологическая модель, в которой эволюция Вселенной начинается с состояния плотной горячей плазмы, состоящей из элементарных частиц, и протекает при дальнейшем адиабатическом космологическом расширении.
Нейтри́нное охлажде́ние — процесс охлаждения звёздных недр образующимися в них нейтрино, которые свободно уносят энергию из всего объёма ядра, так как звезда прозрачна для нейтрино низких энергий. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не лимитирована процессами переноса энергии из недр звезды к её фотосфере, поэтому такой механизм охлаждения весьма эффективен.
Упоминания в литературе
Формирование звезд, наблюдаемое и в настоящее время, происходит в газово-пылевых облаках. Такие облака под собственной тяжестью сжимаются и распадаются на фрагменты. По мере сжатия отдельных фрагментов небольшое случайное вращение, которое имело облако до сжатия, усиливается – по закону сохранения момента импульса если вращающиеся тела приближаются к центру вращения, то скорость вращения должна возрасти (так фигуристы на льду прижимают руки к телу, чтобы ускорить свое вращение). В случае газового облака взаимодействие вращения и силы тяжести приводит к тому, что облако принимает форму диска. Вдоль оси вращения сжатие происходит беспрепятственно, а в плоскости диска газ и пыль могут падать к центру, только потеряв по какой-либо причине скорость вращения. Центральное сгущение сжимающегося фрагмента облака – протозвезда – образуется еще до того, как фрагмент сожмется в диск. Гравитационная энергия падающего в протозвезду газа разогревает ее, и еще до начала термоядерных реакций светимость протозвезды может в сотни раз превышать ее будущую светимость в качестве обычной звезды. Примерно через миллион лет газ из диска в основном попадает в звезду, и светимость ее поддерживается уже только термоядерными реакциями. Известным примером звезды на этой стадии эволюции является T Тельца. Остаток диска, имеющий массу порядка 10 масс Юпитера, постепенно образует планеты (рис. 2.1).
По поводу существования особого механизма восприятия гравитации ученые высказывают различное мнение. Некоторые исследователи сводят этот механизм к наличию гравитационных рецепторов на уровне височных отделов головного мозга и эпифиза. Но есть и более радикальные точки зрения. Высказываются предположения, что энергия гравитационного поля воспринимается всем головным мозгом и всей нервной системой, что на изменение притяжения человек реагирует каждой клеткой своего тела. Ведь даже без нервной системы самые простые растения "знают" где верх, а где низ. И растут точно корнями вниз, а стеблем вверх.
Гравитация – великий механизм формирования космических объектов. Атом водорода весьма мелок, но стоит числу атомов увеличиться в 1060 раз (это составит триллион триллионов триллионов триллионов триллионов атомов водорода) – и сила их коллективного тяготения неизмеримо возрастет. Гравитация стянет их в центр, формируя звезду – гигантский газовый шар, предельно сжатый в центре. Когда огромный сгусток водорода сжимается, его потенциальная гравитационная энергия преобразуется в кинетическую энергию движущихся атомов, которая в свою очередь преобразуется в тепловую энергию – процесс, аналогичный тому, что происходит при столкновении Земли с астероидом, но сопровождаемый неизмеримо большим высвобождением энергии. Температура в ядре водородного шара повышается до миллионов градусов, а давление – до миллионов атмосфер.
Связанные понятия (продолжение)
Предел Оппенгеймера — Волкова — верхний предел массы нейтронной звезды, при которой она ещё не коллапсирует в чёрную дыру. Если масса нейтронной звезды меньше этого значения, давление вырожденного нейтронного газа может компенсировать силы гравитации. Одновременно предел Оппенгеймера — Волкова является нижним пределом массы чёрных дыр, образующихся в ходе эволюции звёзд.
Динамическое трение — в астрофизике потеря момента и кинетической энергии движущегося тела вследствие гравитационного взаимодействия с окружающим веществом. Впервые подробно обсуждалось С. Чандрасекаром в 1943 году.
Давление электромагнитного излучения, давление света — давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела.
Гравитацио́нный ра́диус (или ра́диус Шва́рцшильда) представляет собой характерный радиус, определённый для любого физического тела, обладающего массой: это радиус сферы, на которой находился бы горизонт событий, создаваемый этой массой (с точки зрения ОТО), если бы она была распределена сферически-симметрично, была бы неподвижной (в частности, не вращалась, но радиальные движения допустимы), и целиком лежала бы внутри этой сферы. Введен в научный обиход немецким ученым Карлом Шварцшильдом в.
Гравитомагнети́зм, гравимагнети́зм, иногда гравитоэлектромагнети́зм — общее название нескольких эффектов, вызываемых движением гравитирующего тела.
Релятиви́стская части́ца — частица, движущаяся с релятивистской скоростью, то есть скоростью, сравнимой со скоростью света. Движение таких частиц, рассматриваемых как классические (неквантовые) материальные точки, описывается специальной теорией относительности. Безмассовые частицы (фотоны, гравитоны, глюоны и т. д.) всегда являются релятивистскими, поскольку могут существовать, лишь двигаясь со скоростью света.
Эргосфе́ра — область пространства-времени вблизи вращающейся чёрной дыры, расположенная между горизонтом событий и пределом статичности. Объекты, находящиеся в пределах эргосферы, неизбежно вращаются вместе с чёрной дырой за счёт эффекта Лензе — Тирринга.
Моме́нт и́мпульса (кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения) характеризует количество вращательного движения. Величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение.
Двойной пульсар — пульсар, имеющий второй компонент, часто представляющий собой нейтронную звезду или белый карлик. По крайней мере в одном случае (PSR J0737-3039) второй компонент также является пульсаром. Двойные пульсары являются одними из некоторых объектов, позволяющих физикам проверять выводы общей теории относительности вследствие сильных гравитационных полей в окрестности таких объектов. Хотя объект-компаньон пульсара обычно сложно или невозможно наблюдать напрямую, его наличие можно установить.
Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.
Безма́ссовые части́цы (люксо́ны) — частицы, масса покоя которых равна нулю. Не имеют аналога в нерелятивистской механике.
Скры́тая ма́сса — проблема противоречия между наблюдаемым поведением видимых астрономических объектов и расчётным по законам небесной механики с учётом только этих объектов.
Сила F, действующая на точку P, называется центральной с центром в точке O, если во всё время движения она действует вдоль линии, соединяющей точки O и P.
Компактная звезда — звезда, плотность которой многократно превышает плотность обычной звезды. К компактным звёздам относятся.
Зона лучистого переноса — средняя зона Солнца. Располагается непосредственно над солнечным ядром, на расстояниях примерно от 0,2—0,25 до 0,7 радиуса Солнца от его центра. Выше зоны лучистого переноса находится конвективная зона.
В физике, гравитационное красное смещение является проявлением эффекта изменения частоты испущенного некоторым источником света (вообще говоря, любых электромагнитных волн) по мере удаления от массивных объектов, таких как звёзды и чёрные дыры; оно наблюдается как сдвиг спектральных линий в излучении источников, близких к массивным телам, в красную область спектра. Свет, приходящий из областей с более слабым гравитационным полем, испытывает гравитационное синее смещение.
Тонкая структура (мультиплетное расщепление) — явление в атомной физике, описывающее расщепление спектральных линий (уровней энергии, спектральных терм) атома.
Первичная чёрная дыра — гипотетический тип чёрной дыры, которая образовывалась не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, а в сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной.
Вырождение (квантовая механика) — явление, при котором некоторая физическая величина (например. энергия, импульс и т. д.), характеризующая квантовую физическую систему, принимает одно и то же значение для разных состояний квантовой физической системы. Кратностью вырождения называется число различных состояний квантовой физической системы, имеющих одно и то же значение физической величины.
Во́лны де Бро́йля — волны вероятности (или волны амплитуды вероятности), определяющие плотность вероятности обнаружения объекта в заданной точке конфигурационного пространства. В соответствии с принятой терминологией говорят, что волны де Бройля связаны с любыми частицами и отражают их волновую природу.
Вселе́нная Фри́дмана (метрика Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера) — одна из космологических моделей, удовлетворяющих полевым уравнениям общей теории относительности (ОТО), первая из нестационарных моделей Вселенной. Получена Александром Фридманом в 1922. Модель Фридмана описывает однородную изотропную в общем случае нестационарную Вселенную с веществом, обладающую положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной. Эта работа учёного стала первым основным теоретическим развитием.
Поглощение электромагнитного излучения — процесс потери энергии потоком электромагнитного излучения вследствие взаимодействия с веществом.
Потенциа́льная я́ма — область пространства, где присутствует локальный минимум потенциальной энергии частицы.
Лес Лайман-альфа (Lyα-лес) — многократное повторение абсорбционной линии Лайман-альфа в спектрах далеких астрономических объектов. Для очень далёких объектов это явление может быть настолько сильным, что вызывает значительный спад интенсивности в некотором интервале частот; это называется эффектом Гана — Петерсона (Gunn — Peterson).
Время свободного падения — характерное время, которое потребуется телу для коллапса под действием силы тяготения, если никакие другие силы не противодействуют коллапсу. Играет важную роль при определении временных шкал ряда астрофизических процессов, таких как звездообразование, вспышки сверхновых звёзд.
Нейтрониза́ция — процесс захвата электронов ядрами при высоких плотностях в недрах звёзд на завершающих этапах их эволюции. Нейтронизация играет ключевую роль в образовании нейтронных звёзд и вспышках сверхновых.
Теплово́е движе́ние — процесс хаотичного (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чем выше температура, тем больше скорость движения частиц. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул.
Вращающаяся чёрная дыра — это чёрная дыра, которая обладает моментом импульса. А именно, она вращается вокруг одной из своих осей симметрии.
Ко́мптоновская длина́ волны́ (λC) — параметр элементарной частицы: величина размерности длины, характерная для релятивистских квантовых процессов, идущих с участием этой частицы. Комптоновская длина волны эквивалентна длине волны фотона, чья энергия равна энергии покоя самой частицы. Название параметра связано с именем А. Комптона и комптоновским эффектом.
Магни́тное ква́нтовое число́ (m) — квантовое число, параметр, который вводится при решении уравнения Шрёдингера для электрона в водородоподобном атоме (и вообще для любого движения заряженной частицы). Магнитное квантовое число характеризует ориентацию в пространстве орбитального момента импульса электрона или пространственное расположение атомной орбитали. Оно принимает целые значения от -l до +l, где l — орбитальное квантовое число, то есть имеет ровно столько значений, сколько орбиталей существует.
Магнитопауза (магнетопауза) — граница магнитосферы небесного тела, на которой давление магнитного поля равно давлению окружающей магнитосферу плазмы.
Неупру́гое рассе́яние — столкновение частиц (включая столкновения с фотонами), сопровождающееся изменением их внутреннего состояния, превращением в другие частицы или дополнительным рождением новых частиц.
Спектральная плотность излучения — характеристика спектра излучения, равная отношению интенсивности (плотности потока) излучения в узком частотном интервале к величине этого интервала. Является применением понятия спектральной плотности мощности к электромагнитному излучению.
Спагеттификация (англ. Spaghettification) — астрофизический термин (иногда также называемый эффектом лапши) для обозначения сильного растяжения объектов по вертикали и горизонтали (то есть уподобления их виду спагетти), вызванного большой приливной силой в очень сильном неоднородном гравитационном поле. В предельных случаях, когда объекты находятся возле чёрных дыр, деформация при подобном растяжении настолько сильна, что никакой объект не может сохранить свою структуру.
Гидромагнитное (или магнитогидродинамическое, или просто МГД-) динамо (динамо-эффект) — эффект самогенерации магнитного поля при определённом движении проводящей жидкости.
Релятиви́стские стру́и, дже́ты (англ. Relativistic jet) — струи плазмы, вырывающиеся из центров (ядер) таких астрономических объектов, как активные галактики, квазары и радиогалактики. Первым такую струю обнаружил астроном Гебер Кёртис в 1918 году. Позже физик и философ Стивен Хокинг сумел доказать, что такие выбросы происходят из гипотетических чёрных дыр.
В классической механике, задача двух тел состоит в том, чтобы определить движение двух точечных частиц, которые взаимодействуют только друг с другом. Распространённые примеры включают спутник, обращающийся вокруг планеты, планета, обращающаяся вокруг звезды, две звезды, обращающиеся вокруг друг друга (двойная звезда), и классический электрон, движущийся вокруг атомного ядра.
Межпланетная среда — вещество и поля, заполняющие пространство внутри Солнечной системы (звёздной системы) от солнечной короны (короны звезды) до границ гелиосферы за исключением планет и тел Солнечной системы. Межпланетная среда в основном включает солнечный ветер (ветер центральной звезды в звёздной системе (starwind)), межпланетное магнитное поле, космические лучи (заряженные частицы высокой энергии), нейтральный газ, межпланетную пыль и электромагнитное излучение. Межпланетная среда играет ключевую.
Поляризация вакуума — совокупность виртуальных процессов рождения и аннигиляции пар частиц в вакууме, обусловленных квантовыми флуктуациями. Эти процессы формируют нижнее (вакуумное) состояние систем взаимодействующих квантовых полей.
В физике закон обратных квадратов — это закон, утверждающий, что значение некоторой физической величины в данной точке пространства обратно пропорционально квадрату расстояния от источника поля, которое характеризует эта физическая величина.
В теории поля представление системы зарядов в виде некоторых квадрупо́лей, аналогично представлению её в виде системы диполей, используется для приближённого расчёта создаваемого ей поля и излучения. Более общим представлением является разложение системы на мультиполи, соответствующее разложению потенциалов в ряд Тейлора по некоторым переменным. Квадруполь — частный случай мультиполя. Квадрупольное рассмотрение системы оказывается особенно важным в том случае, когда её дипольный момент и заряд равны.
Большой разрыв (англ. Big Rip) — космологическая гипотеза о судьбе Вселенной, предсказывающая развал (разрыв) всей материи за конечное время.
Запрещённые линии в спектроскопии — спектральные линии, соответствующие квантовым переходам, запрещённым правилами отбора.
Энергия — это способность выполнять работу, и как таковая, она проявляется по-разному. В этом смысле существует два основных типа энергии: энергия положения или состояния, также называемая потенциальной энергией, а другая — это энергия в действии или движении и называемая кинетической энергией.
Оба типа энергии могут преобразовывать друг друга и являются частью других форм энергии. В зависимости от источника, откуда они берутся, мы можем говорить об электрической, ядерной, химической, излучающей или магнитной энергии.
Кинетическая энергия
Кинетическая энергия шара для боулинга опрокидывает кегли.
Кинетическая энергия — это энергия в действии, энергия движения. Зависит от количества массы тела, а также от скорости. Таким образом, шар для боулинга выбьет больше кеглей, потому что он имеет большую массу. Более быстрый шар для боулинга будет более эффективным, чем медленный.
Человек может использовать в своих интересах кинетическую энергию многих природных ресурсов. Например, ветер движется воздухом, и ветрогенераторы используют это для производства электроэнергии.
Потенциальная энергия
Потенциальная энергия тела также зависит от массы объекта.
Потенциальная энергия является другим основным типом энергии и связана с положением или состоянием объекта по отношению к другому.
Потенциальная энергия увеличивается, когда притягиваемые тела отделяются или когда отбрасываемые или отталкиваемые тела объединяются. Область, в которой объекты притягиваются или отталкиваются, называется силовым полем. Примерами силовых полей могут быть, например, гравитационное силовое поле Земли или магнитное силовое поле.
Потенциальная и кинетическая энергия
Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а также может быть найдена в других видах энергии, таких как потенциальная гравитационная энергия или упругая потенциальная энергия.
Гравитационная потенциальная энергия
В тот момент, когда спортсмен достигает высшей точки, он обладает большей потенциальной энергией.
Когда потенциальная энергия связана с гравитационной силой, она называется потенциальной гравитационной энергией. Гравитационное силовое поле вокруг нашей планеты притягивает объекты к ее центру. Когда мы поднимаем объекты, отделяя их от Земли, мы увеличиваем их гравитационную потенциальную энергию.
Существует потенциальная гравитационная энергия между Солнцем и планетами, а также между Луной и Землей. Фактически, приливы являются результатом притяжения, которое Луна создает на земных водоемах.
Упругая потенциальная энергия
Когда мы растягиваем пружину, энергия, чтобы вернуться к своей первоначальной форме, сохраняется как потенциальная энергия.
Другой формой потенциальной энергии является энергия, которую содержит пружина, когда мы растягиваем или сжимаем её. Эта энергия называется упругой потенциальной энергией: это энергия материалов, когда они растягиваются или скручиваются. Когда мы сжимаем пружину, мы увеличиваем ее потенциальную энергию.
Эластичная потенциальная энергия — это то, что движет в пружине. Также в прыжках с шестом в легкой атлетике у нас есть пример того, как упругая потенциальная энергия превращается в гравитационную потенциальную энергию.
Механическая энергия
Механическая энергия — это сумма энергии положения и движения.
Механическая энергия тела охватывает движение и положение объекта, то есть это сумма кинетической и потенциальной энергии этого объекта.
Когда мы качаемся, мы превращаем кинетическую энергию в потенциал и наоборот, поэтому мы можем двигаться быстрее и выше.
Например, ребенок на скейтборде на предыдущем изображении обладает кинетической энергией, которая позволяет ему закрепиться на стене, набирая потенциальную энергию. Когда оно начинает падать, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию и набирает скорость.
Химическая энергия
Химическая энергия сохраняется в связях между атомами.
Химическая энергия — это форма потенциальной энергии, которая сохраняется в связях между атомами в результате сил притяжения между ними.
Во время химической реакции одно или несколько соединений, называемых реагентами, превращаются в другие соединения, называемые продуктами. Эти превращения происходят из-за разрыва или образования химических связей, которые вызывают изменения в химической энергии.
Энергия высвобождается, когда связи разрушаются во время химических реакций. Это то, что известно как экзотермическая реакция. Например, автомобили используют химическую энергию бензина для выработки тепловой энергии, которая используется для движения автомобиля. Точно так же пища хранит химическую энергию, которую мы используем живыми существами, чтобы функционировать.
Когда соединения образуются, требуется энергия; Это реакция эндотермического типа. Фотосинтез — это эндотермическая реакция, энергия которой исходит от Солнца.
Тепловая энергия
Тепловая энергия огня передается тепловой энергии горшка через тепло.
Тепловая энергия (внутренняя энергия) представляет собой тип кинетической энергии, являющейся продуктом движения или внутренней вибрации частиц в телах. Когда мы измеряем температуру с помощью термометра, мы измеряем то движение атомов и молекул, которые составляют тело. При более высокой температуре большее движение и, следовательно, большая тепловая энергия.
Кроме того, тепловая энергия перемещается между телами через тепло. Когда вы помещаете горячий предмет рядом с холодным, происходит передача энергии от самого горячего к самому холодному, до точки, где они имеют одинаковую температуру. Тепло также передается через инфракрасное излучение или движение горячих жидкостей или газов.
Электрическая мощность
Электрические батареи превращают химическую энергию в электрическую.
Электричество — это тип энергии, который зависит от притяжения или отталкивания электрических зарядов. Существует два вида электричества: статическое и текущее. Статическое электричество связано с наличием статических нагрузок, т.е. нагрузок, которые не двигаются. Электрический ток происходит из-за перемещение грузов.
Пример статического электричества — когда мы натираем воздушный шарик на волосы. Воздушный шар удерживает электроны от волос, заряжаясь отрицательно, в то время как волосы заряжены положительно. Если вы подойдете к воздушному шарику к своей голове, не касаясь его, вы увидите, как пряди волос тянутся к воздушному шарику.
Электрический ток — это поток зарядов из-за движения свободных электронов в проводнике. Это движение происходит в электрическом поле, то есть в области вокруг заряда, где действует сила. Электрические заряды легко переносятся такими материалами, как металлы, особенно серебро, медь и алюминий.
В батареях или электрических батареях происходит превращение химической энергии в электрическую энергию. Химическая энергия происходит в результате реакции между электродами и электролитом, когда положительный полюс соединен с отрицательным полюсом батареи. Вольт — это единица измерения потенциальной энергии на заряд в батарее.
Ядерная энергетика
Когда ядро атома разбивается, ядерная энергия высвобождается.
Ядерная энергия — это форма потенциальной энергии, которая накапливается в ядре атома и происходит от сил, удерживающих субатомные частицы вместе. Ядерная реакция похожа на химическую реакцию, в которой реагенты превращаются в продукты. Они отличаются тем, что в ядерной реакции один атом превращается в другой.
Существует три типа ядерной реакции: радиоактивный распад, слияние и деление. При радиоактивном распаде ядро радиоактивного атома самопроизвольно выделяет энергию. При делении ядра ядро бомбардируется нейтроном, что приводит к образованию двух новых атомов. При ядерном синтезе легкие ядра объединяются в тяжелые ядра.
Использование ядерной энергии
Реакции ядерного деления используются в ядерных реакторах, где ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию, которая затем преобразуется в электрическую энергию. Энергия, исходящая от Солнца, является продуктом ядерного синтеза.
Магнитная энергия
Магниты используются для захвата магнитных материалов, таких как гайки и болты.
Способность объекта выполнять работу из-за его положения в магнитном поле является потенциальной энергией магнитного поля. Магниты имеют магнитное поле и две области, называемые магнитными полюсами. Равные полюса отбрасываются, а разные полюса притягиваются. Наиболее используемые магнитные материалы — это железо и его сплавы.
Например, железный винт, который приближается к магниту, но не касается его, обладает потенциальной магнитной энергией. Объекты движутся в направлении, которое уменьшает их потенциальную магнитную энергию.
Микрофоны, например, хорошо работают благодаря магнитной энергии. Операция заключается в следующем: микрофон имеет мембрану, которая вибрирует со звуком. Эта вибрация передается на кабель, обмотанный вокруг магнита, который посылает электрический сигнал на усилитель, делая звук громче. В этом случае мы имеем преобразование звуковой энергии в магнитную энергию, затем электрическую энергию и затем звуковую энергию.
Железные дороги с электромагнитной подвеской — еще один пример того, как мы можем использовать магнитную энергию для выполнения работы. Железная дорога движется через магнитное поле, которое движется вдоль ферромагнитного пути.
Звуковая энергия
Колокол вибрирует от удара и производит звуковые волны, которые распространяются по воздуху.
Звуковая энергия — это механическая энергия частиц, которые вибрируют в форме волн через среду передачи. Средой, через которую проходят звуковые волны, может быть воздух, вода или другие материалы. Все, что вызывает шум, генерирует звуковую энергию.
Звук распространяется в твердых телах быстрее, чем в жидкостях, и быстрее в жидкостях, чем в газах. Поэтому если прислонить ухо к полу, можно слышать, потому что скорость звука на земле в четыре раза выше, чем в воздухе.
Именно благодаря звуковой энергии мы можем слышать. Когда звуковые волны в воздухе проникают в ваши уши, они стимулируют специальные клетки, которые посылают информацию в мозг. Чем больше энергии имеет звуковая волна, тем громче будет звук.
Карты морского дна выполнены с использованием звуковой системы. Гидролокатор посылает звуковые волны и рассчитывает пройденное расстояние, используя скорость звука в воде.
В медицине ультразвук используется для удаления камней в почках. Эхокардиограмма является еще одной технологией, которая использует звуковые волны, чтобы увидеть плод у беременных женщин.
Лучистая энергия
Свет — это лучистая энергия, которая распространяется волнами.
Энергия в форме света или тепла — это лучистая энергия, более известная как излучение. Излучение — это электромагнитные волны, которым не нужны средства для перемещения подобно звуковым волнам, чтобы они могли перемещаться в космическом пространстве. Источником электромагнитных волн являются электроны, которые вибрируют, создавая электрическое поле и магнитное поле.
Различные типы лучистой энергии или излучения (потоки) упорядочены по уровням энергии в электромагнитном спектре. Они путешествуют в космосе со скоростью 300 миллионов метров в секунду, то есть со скоростью света.
Рентгеновские и гамма-лучи — это невидимые излучения с большим количеством энергии. Оба имеют важные применения в медицине. Рентген используется для диагностики переломов костей, в то время как гамма-излучение используется для диагностики неврологических заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, или при заболеваниях сердца.
Ультрафиолетовые (УФ) лучи представляют собой тип невидимого излучения, создаваемого Солнцем и некоторых специальных ламп. Эти лучи отвечают за загар, который мы приобретаем, когда подвергаем себя воздействию солнца. Однако чрезмерное воздействие ультрафиолетовых лучей может вызвать ожоги и рак кожи. Вот почему вы должны защищать свое тело, когда вы долго на солнце, особенно кожу (чтобы защититься от рака кожи) и глаза.
Видимый свет излучения — это то, что человеческий глаз может воспринимать. Обычно мы видим белый свет, который является не более чем смесью огней разных цветов. Свет находится в энергетических пакетах, называемых фотонами, которые не имеют массу.
Инфракрасное излучение, микроволна и радиоволны менее энергичное излучение электромагнитного спектра. Радиоволны и микроволны — это волны, используемые в коммуникациях для передачи звука и изображений.
Солнечная энергия
Солнце — самый важный источник энергии для жизни на Земле.
Солнечная энергия — это лучистая энергия солнца. Он путешествует в пространстве, пока не достигнет Земли в виде электромагнитных волн. Большая часть солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, — это ультрафиолетовое излучение, видимый свет и инфракрасные лучи.
Солнце состоит из водорода и гелия. В этом случае энергия исходит от процесса ядерного синтеза: ядра водорода объединяются, образуя гелий и лучистую энергию.
Люди научились использовать солнечную энергию. Сегодня энергия солнечного света используется для отопления домов и зданий, увеличения их тепловой энергии. Видимый солнечный свет проходит через стекла окон и поглощается материалами внутри комнаты. Это заставляет материалы нагреваться.
Лучистая энергия Солнца ответственна за существование жизни на Земле. Растения собирают эту энергию для производства пищи, превращая ее в химическую энергию. Солнечная энергия управляет движением воздуха в атмосфере, вызывая ветры.
Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии
Такие ресурсы, как солнце и ветер, являются возобновляемыми источниками энергии.
Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, может только быть преобразована. Это означает, что при подсчете количества энергии в системе это количество всегда будет одинаковым, хотя и по-разному.
Когда мы говорим о возобновляемых или невозобновляемых энергоресурсах, мы действительно имеем в виду источники или ресурсы, из которых люди извлекают энергию.
Уголь и нефть являются ископаемым топливом, в котором химическая энергия сохраняется в связях между атомами углерода. Ископаемое топливо не возобновимо, потому что оно было сформировано миллионы лет назад из доисторических организмов. Эти источники энергии, помимо ограниченного существования, наносят серьезный ущерб окружающей среде.
Наша цель должна заключаться в том, чтобы воспользоваться другими источниками энергии, такими как солнце, ветер, внутреннее земное тепло и океанские волны, которые являются возобновляемыми и не загрязняющими окружающую среду. Вода может использоваться снова и снова благодаря естественному процессу круговорота воды.
Другой аспект, который мы должны принять во внимание, это не тратить энергию. Электрическая энергия вашего дома имеет свою стоимость. Если у вас долгое время открыт холодильник или вы оставили лампы в своей комнате, особенно если вас там нет, вы увеличиваете потребление электроэнергии в своем доме, и это будет оплачиваться вашими родителями. Экономия энергии — это разумное и осознанное использование.
Гравитациóнная энéргия — потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным гравитационным тяготением.
Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационная энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии, постоянна. Для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными.
Гравитационная энергия играет очень важную роль на заключительных этапах эволюции звёзд, при их превращении в нейтронные звёзды и сверхновые [1] .
Гравитационная энергия оказывает массивный объект , когда он погружен в гравитационном поле , создаваемом другим. Некоторые примеры объектов с гравитационной энергией: яблоко на дереве, падающее яблоко, Луна, вращающаяся вокруг Земли, и Земля, вращающаяся вокруг Солнца.
Исаак Ньютон (1642-1727) был первым, кто осознал, что гравитация - универсальное явление и что каждый объект с массой в окружающей его среде создает поле, способное создавать силу на другом.
Рис. 1. Луна, вращающаяся вокруг Земли, обладает гравитационной энергией. Источник: Pixabay
Формулы и уравнения
Сила, о которой говорил Ньютон, известна как сила тяжести и обеспечивает энергией объект, на который действует. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения следующим образом:
Гравитационная энергия U, связанная с гравитационной силой F, равна:
Объект, который находится в гравитационном поле, обладает гравитационной потенциальной энергией U и кинетической энергией K. Если других взаимодействий нет или они имеют незначительную интенсивность, полная энергия E указанного объекта представляет собой сумму его гравитационной энергии плюс его кинетическая энергия:
Если объект находится в гравитационном поле и отсутствуют другие диссипативные силы, такие как трение или сопротивление воздуха, тогда общая энергия E - это величина, которая остается постоянной во время движения.
Характеристики гравитационной энергии
- У объекта есть гравитационная потенциальная энергия, если он только в присутствии гравитационного поля, созданного другим.
- Гравитационная энергия между двумя объектами увеличивается по мере увеличения расстояния между ними.
- Работа, совершаемая гравитационной силой, равна и противоположна изменению гравитационной энергии конечного положения по отношению к его начальному положению.
- Если тело подвергается только действию силы тяжести, то изменение его гравитационной энергии равно и противоречит изменению его кинетической энергии.
- Потенциальная энергия объекта массы m, находящегося на высоте h по отношению к поверхности земли, в mgh раз больше, чем потенциальная энергия на поверхности, где g - ускорение свободного падения, для высот h намного меньше радиуса Земли. ,
Гравитационное поле и потенциал
Гравитационное поле g определяется как сила тяжести F на единицу массы. Он определяется путем помещения пробной частицы m в каждую точку пространства и вычисления отношения силы, действующей на пробную частицу, к значению ее массы:
г = Ф / м
Гравитационный потенциал V объекта массы m определяется как гравитационная потенциальная энергия этого объекта, деленная на его собственную массу.
Преимущество этого определения заключается в том, что гравитационный потенциал зависит только от гравитационного поля, так что, как только потенциал V известен, гравитационная энергия U объекта массы m равна:
Рис. 2. Гравитационное поле (сплошные линии) и эквипотенциалы (сегментированная линия) для системы Земля - Луна. Источник: W.T. Scott, Am. J. Phys. 33, (1965).
Приложения
Гравитационная потенциальная энергия - это то, что тела хранят, когда они находятся в гравитационном поле.
Например, вода, содержащаяся в резервуаре, имеет больше энергии, чем резервуар выше.
Чем выше высота бака, тем больше скорость воды, выходящей из крана. Это связано с тем, что потенциальная энергия воды на высоте резервуара преобразуется в кинетическую энергию воды на выходе из крана.
Когда вода запруживается высоко на горе, эту потенциальную энергию можно использовать для вращения турбин выработки электроэнергии.
Гравитационная энергия также объясняет приливы. Поскольку энергия и гравитационная сила зависят от расстояния, гравитационное притяжение Луны больше на поверхности Земли, ближайшей к Луне, чем на самой дальней и противоположной стороне.
Это создает разницу в силах, которая деформирует поверхность моря. Эффект сильнее всего в новолуние, когда Солнце и Луна выровнены.
Возможность создания космических станций и спутников, которые остаются относительно близко к нашей планете, обусловлена гравитационной энергией, производимой Землей. В противном случае космические станции и искусственные спутники будут перемещаться в космосе.
Гравитационный потенциал Земли
Предположим, что Земля имеет массу M, а объект, который находится над поверхностью Земли на расстоянии r от ее центра, имеет массу m.
В этом случае гравитационный потенциал определяется путем простого деления гравитационной энергии на массу объекта, в результате чего:
Потенциальная энергия у поверхности земли
Предположим, что Земля имеет радиус R T и массу M.
Несмотря на то, что Земля не является точечным объектом, поле на ее поверхности эквивалентно тому, которое было бы получено, если бы вся ее масса M была сосредоточена в центре, так что гравитационная энергия объекта на высоте h над поверхностью Земли равна
U (R T + h) = -GM m (R T + h) ^ - 1
Но поскольку h намного меньше R T , приведенное выше выражение можно аппроксимировать следующим образом:
Где g - ускорение свободного падения, среднее значение которого для Земли составляет 9,81 м / с ^ 2.
Тогда потенциальная энергия Ep объекта массы m на высоте h над земной поверхностью равна:
Ep (h) = U + Uo = mgh
На поверхности Земли h = 0, поэтому объект на поверхности имеет Ep = 0. Подробные расчеты можно увидеть на рисунке 3.
Рис. 3. Гравитационная потенциальная энергия на высоте h над поверхностью. Источник: подготовил Ф. Сапата.
упражнения
Упражнение 1: Гравитационный коллапс Земли
Предположим, что наша планета подвергается гравитационному коллапсу из-за потери тепловой энергии внутри нее, и ее радиус падает до половины текущего значения, но масса планеты остается постоянной.
Определите, каким будет ускорение свободного падения у поверхности Новой Земли и сколько будет весить выживший с весом 50 кгс до коллапса. Увеличивать или уменьшать гравитационную энергию человека и на какой фактор.
Решение
Ускорение свободного падения на поверхности планеты зависит от ее массы и радиуса. Постоянная гравитации универсальна и одинаково работает для планет и экзопланет.
В данном случае, если радиус Земли уменьшить вдвое, ускорение свободного падения Новой Земли будет в 4 раза больше. Подробности можно увидеть на доске ниже.
Это означает, что сверхчеловек и выживший, который весил 50 кг на старой планете, будет весить 200 кг на новой планете.
С другой стороны, гравитационная энергия на поверхности новой планеты уменьшится вдвое.
Упражнение 2: Гравитационный коллапс и убегающая скорость
Что касается ситуации, представленной в упражнении 1, что произойдет со скоростью убегания: она увеличивается или уменьшается, во сколько раз?
Решение 2
Скорость убегания - это минимальная скорость, необходимая для того, чтобы избежать гравитационного воздействия планеты.
Для его расчета предполагается, что снаряд, выпущенный с такой скоростью, достигает бесконечности с нулевой скоростью. Кроме того, на бесконечности гравитационная энергия равна нулю. Следовательно, у снаряда, выпущенного с убегающей скоростью, будет нулевая полная энергия.
То есть на поверхности планеты в момент выстрела сумма кинетической энергии снаряда + гравитационная энергия должна быть равна нулю:
½ м Ve ^ 2 - (G Мм) / R T = 0
Обратите внимание, что скорость убегания не зависит от массы снаряда, и квадрат ее значения равен
Ve ^ 2 = (2G M) / R T
Если планета схлопывается до радиуса, равного половине первоначального, квадрат новой космической скорости удваивается.
Следовательно, новая убегающая скорость растет и в 1,41 раза превышает старую убегающую скорость:
Упражнение 3: гравитационная энергия яблока
Мальчик на балконе здания на высоте 30 метров над землей роняет 250-граммовое яблоко, которое через несколько секунд достигает земли.
Рис. 4. По мере падения потенциальная энергия яблока преобразуется в кинетическую энергию. Источник: PIxabay.
а) Какова разница в гравитационной энергии яблока наверху по сравнению с яблоком на уровне земли?
б) Насколько быстро было яблоко перед тем, как упасть на землю?
в) Что происходит с энергией, когда яблоко прижимается к земле?
Решение
а) Разность гравитационной энергии равна
mgh = 0,250 кг * 9,81 м / с ^ 2 * 30 м = 73,6 Дж
б) Потенциальная энергия, которая была у яблока, когда оно было 30 м в высоту, преобразуется в кинетическую энергию к тому времени, когда яблоко достигает земли.
Подставляя значения и решая, получаем, что яблоко достигает земли со скоростью 24,3 м / с = 87,3 км / ч.
Читайте также: