Какая энергия называется кинетической по какой формуле она находится кратко

Обновлено: 19.05.2024

В случае, когда тело движется под влиянием силы, оно уже не только может, но и совершает какую-то работу. В физике кинетической энергией называется энергия, которой обладает тело вследствие своего движения. Тело, двигаясь, расходует свою энергию и совершает работу. Для кинетической энергии формула рассчитывается следующей образом:

A = Fs = mas = m * v / t * vt / 2 = (mv^2) / 2, или Eк= (mv^2) / 2 ,

где Eк кинетическая энергия тела,
m масса тела,
v скорость тела.

Из формулы видно, что чем больше масса и скорость тела, тем выше его кинетическая энергия.

Каждое тело обладает либо кинетической, либо потенциальной энергией, либо и той, и другой сразу, как, например, летящий самолет.

Формула энергии в физике всегда показывает, какую работу совершает или может совершить тело. Соответственно, единицы измерения энергии такие же, как и работы джоуль (1 Дж).

Энергией обладают все тела, находящиеся в движении. Например, двигающийся автомобиль может опрокинуть препятствие, находящийся в движении молоток может забить гвоздь, падающий камень может поранить человека.

Величина кинетической энергии зависит от массы тела \(m\) (кг) и скорости \(v\) (м/с). Кинетическая энергия тела равна половине от произведения массы на квадрат скорости.

Тело с большей массой обладает большей кинетической энергией. Однако скорость тела кинетическую энергию изменяет более стремительно (смотри формулу).

Например, выпущенная из ружья и летящая с огромной скоростью маленькая пуля может глубоко проникнуть в тело; птица в воздухе может сбить огромный самолёт, так как во время столкновения обладает большой скоростью, а значит, и большой кинетической энергией, и может повредить лопасти турбины двигателя.

На американских горках при движении вагончика вверх кинетическая энергия его уменьшается, а при движении вниз — резко увеличивается, так как под воздействием силы тяжести увеличивается его скорость.

Энергия - важнейшее понятие в механике. Что такое энергия. Существует множество определений, и вот одно из них.

Что такое энергия?

Энергия - это способность тела совершать работу.

Кинетическая энергия

Рассмотрим тело, которое двигалось под действием каких-то сил изменило свою скорость с v 1 → до v 2 → . В этом случае силы, действующие на тело, совершили определенную работу A .

Работа всех сил, действующих на тело, равна работе равнодействующей силы.

F р → = F 1 → + F 2 →

A = F 1 · s · cos α 1 + F 2 · s · cos α 2 = F р cos α .

Установим связь между изменением скорости тела и работой, совершенной действующими на тело силами. Для простоты будем считать, что на тело действует одна сила F → , направленная вдоль прямой линии. Под действием этой силы тело движется равноускоренно и прямолинейно. В этом случае векторы F → , v → , a → , s → совпадают по направлению и их можно рассматривать как алгебраические величины.

Работа силы F → равна A = F s . Перемещение тела выражается формулой s = v 2 2 - v 1 2 2 a . Отсюда:

A = F s = F · v 2 2 - v 1 2 2 a = m a · v 2 2 - v 1 2 2 a

A = m v 2 2 - m v 1 2 2 = m v 2 2 2 - m v 1 2 2 .

Как видим, работа, совершенная силой, пропорционально изменению квадрата скорости тела.

Определение. Кинетическая энергия

Кинетическая энергия тела равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости.

Кинетическая энергия - энергия движения тела. При нулевой скорости она равна нулю.

Теорема о кинетической энергии

Вновь обратимся к рассмотренному примеру и сформулируем теорему о кинетической энергии тела.

Теорема о кинетической энергии

Работа приложенной к телу силы равна изменению кинетической энергии тела. Данное утверждение справедливо и тогда, когда тело движется под действием изменяющейся по модулю и направлению силы.

A = E K 2 - E K 1 .

Таким образом, кинетическая энергия тела массы m , движущегося со скоростью v → , равна работе, которую сила должна совершить, чтобы разогнать тело до этой скорости.

A = m v 2 2 = E K .

Чтобы остановить тело, нужно совершить работу

A = - m v 2 2 =- E K

Потенциальная энергия

Кинетическая энергия - это энергия движения. Наряду с кинетической энергией есть еще потенциальная энергия, то есть энергия взаимодействия тел, которая зависит от их положения.

Например, тело поднято над поверхностью земли. Чем выше оно поднято, тем больше будет потенциальная энергия. Когда тело падает вниз под действием силы тяжести, эта сила совершает работу. Причем работа силы тяжести определяется только вертикальным перемещением тела и не зависит от траектории.

Вообще о потенциальной энергии можно говорить только в контексте тех сил, работа которых не зависит от формы траектории тела. Такие силы называются консервативными.

Примеры консервативных сил: сила тяжести, сила упругости.

Когда тело движется вертикально вверх, сила тяжести совершает отрицательную работу.

Рассмотрим пример, когда шар переместился из точки с высотой h 1 в точку с высотой h 2 .

При этом сила тяжести совершила работу, равную

A = - m g ( h 2 - h 1 ) = - ( m g h 2 - m g h 1 ) .

Эта работа равна изменению величины m g h , взятому с противоположным знаком.

Величина Е П = m g h - потенциальна энергия в поле силы тяжести. На нулевом уровне (на земле) потенциальная энергия тела равна нулю.

Определение. Потенциальная энергия

Потенциальная энергия - часть полной механической энергии системы, находящейся в поле консервативных сил. Потенциальная энергия зависит от положения точек, составляющих систему.

Можно говорить о потенциальной энергии в поле силы тяжести, потенциальной энергии сжатой пружины и т.д.

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком.

A = - ( E П 2 - E П 1 ) .

Ясно, что потенциальная энергия зависит от выбора нулевого уровня (начала координат оси OY). Подчеркнем, что физический смысл имеет изменение потенциальной энергии при перемещении тел друг относительно друга. При любом выборе нулевого уровня изменение потенциальной энергии будет одинаковым.

При расчете движения тел в поле гравитации Земли, но на значительных расстояниях от нее, во внимание нужно принимать закон всемирного тяготения (зависимость силы тяготения от расстояния до цента Земли). Приведем формулу, выражающую зависимость потенциальной энергии тела.

Здесь G - гравитационная постоянная, M - масса Земли.

Потенциальная энергия пружины

Представим, что в первом случае мы взяли пружину и удлинили ее на величину x . Во втором случае мы сначала удлинили пружину на 2 x , а затем уменьшили на x . В обоих случаях пружина оказалась растянута на x , но это было сделано разными способами.

При этом работа силы упругости при изменении длины пружины на x в обоих случаях была одинакова и равна

A у п р = - A = - k x 2 2 .

Величина E у п р = k x 2 2 называется потенциальной энергией сжатой пружины. Она равна работе силы упругости при переходе из данного состояния тела в состояние с нулевой деформацией.

Наверняка вы учились в институте кинетическая энергия по предмету физика. Если нет, вы, вероятно, слышали об этом в научных исследованиях или в средствах массовой информации. И это считается очень важной энергией для изучения движения предметов. Есть люди, которые до сих пор не понимают, что такое кинетическая энергия, как она измеряется или работает. В этой статье мы собираемся рассмотреть определение и полезность этой энергии в мире физики.

Вы хотите знать все, что связано с кинетической энергией? Просто нужно продолжать читать, чтобы все узнать 🙂

Какое определение для кинетической энергии?

Когда говорят об этом типе энергии, считается, что это некоторая энергия, которая получается для выработки электричества или чего-то подобного. Кинетическая энергия - это энергия, которой обладает объект, потому что он находится в движении. Когда мы хотим ускорить объект, мы должны приложить к нему определенную силу, чтобы он преодолел силу трения земли или воздуха. Для этого в результате этого мы передаем объекту энергию, и он сможет двигаться с постоянной скоростью.

Это та переданная энергия, которая называется кинетической энергией. Если энергия, приложенная к объекту, увеличивается, объект будет ускоряться. Однако, если мы прекратим прикладывать к нему энергию, под действием силы трения его кинетическая энергия будет уменьшаться до тех пор, пока он не остановится. Кинетическая энергия зависит от массы и скорости который достигает объекта. Тела с меньшей массой требуют меньше усилий, чтобы начать движение. Чем быстрее вы идете, тем больше кинетической энергии в вашем теле.

Эта энергия можно переносить на разные объекты и между ними трансформироваться в другой вид энергии. Например, если человек бежит и сталкивается с другим, который находился в состоянии покоя, часть кинетической энергии, которая была у бегуна, будет передана другому человеку. Энергия, которая должна быть приложена для существования движения, всегда должна быть больше, чем сила трения с землей или другой жидкостью, такой как вода или воздух.

Типы кинетической энергии

Выделяют два типа:

Поступательная кинетическая энергия: это то, что происходит, когда объект описывает прямую линию.
Кинетическая энергия вращения: тот, который возникает, когда объект включается сам.

Как рассчитывается кинетическая энергия?

Если мы хотим вычислить значение этой энергии, мы должны следовать рассуждениям, описанным выше. Во-первых, мы начнем с поиска проделанной работы. Необходимо провести работу по передаче кинетической энергии объекту. Кроме того, эта работа должна быть умножена на силу, учитывая массу объекта, который толкает на расстояние. Сила должна быть параллельна поверхности, на которой она находится, иначе объект не сдвинется с места.

Представьте, что вы хотите переместить ящик, но толкаете его к земле. Коробка не сможет преодолеть сопротивление земли и не сдвинется с места. Чтобы заставить его двигаться, мы должны приложить работу и силу в направлении, параллельном поверхности.

Мы позвоним при работе W, сила F, масса объекта m и расстояние d.

Работа равна силе, умноженной на расстояние. То есть выполняемая работа равна силе, приложенной к объекту, с расстоянием, которое он проходит благодаря этой приложенной силе. Определение силы дается массой и ускорением объекта. Если объект движется с постоянной скоростью, это означает, что прилагаемая сила и сила трения имеют одинаковое значение. Следовательно, это силы, которые находятся в равновесии.

Сила трения и ускорение

Как только величина силы, приложенной к объекту, уменьшится, он начнет замедляться до полной остановки. Очень простой пример - машина. Когда едем по шоссе, асфальту, грязи и т. Д. Тот, через который мы проезжаем, оказывает нам сопротивление. Это сопротивление известная как сила трения между колесом и поверхностью. Чтобы автомобиль увеличивал скорость, мы должны сжигать топливо для выработки кинетической энергии. С помощью этой энергии вы можете преодолеть трение и начать движение.

Однако, если мы движемся вместе с автомобилем и перестанем ускоряться, мы перестанем применять силу. Без какой-либо силы на автомобиль, сила трения не начнет тормозить, пока автомобиль не остановится. По этой причине важно хорошо знать силы, которые действуют в системе, чтобы знать, в каком направлении будет двигаться объект.

Формула кинетической энергии

Для расчета кинетической энергии существует уравнение, вытекающее из ранее использованных рассуждений. Если мы знаем начальную и конечную скорость объекта после пройденного расстояния, мы можем подставить ускорение в формулу.

Следовательно, когда над объектом выполняется чистый объем работы, мы называем ее кинетической энергией. k, изменения.

Что в ней интересного?

Для физиков знание кинетической энергии объекта важно для изучения его динамики. В космосе есть небесные объекты, обладающие кинетической энергией, вызванной Большим взрывом, и по сей день все еще находятся в движении. По всей Солнечной системе есть интересные объекты для изучения, и необходимо знать их кинетическую энергию, чтобы предсказать их траекторию.

Когда мы анализируем уравнение для кинетической энергии, можно видеть, что она зависит от квадрата скорости объекта. Это означает, что когда скорость увеличивается вдвое, его кинетика увеличивается в четыре раза. Если автомобиль движется со скоростью 100 км / ч имеет в четыре раза больше энергии чем тот, который движется со скоростью 50 км / ч. Следовательно, ущерб, который может быть получен в результате аварии, в одном случае в четыре раза сильнее, чем в другом.

Эта энергия не может быть отрицательной величиной. Он всегда должен быть нулевым или положительным. В отличие от него, скорость может иметь положительное или отрицательное значение в зависимости от задания. Но при использовании квадрата скорости всегда получается положительное значение.

Примеры кинетической энергии

Давайте посмотрим на несколько примеров кинетической энергии, чтобы было понятнее:

Когда мы видим человека на самокате, мы видим, что он испытывает увеличение как потенциальной энергии при движении по высоте, так и кинетической энергии при увеличении скорости. Человек с большей массой тела сможет приобретать большую кинетическую энергию, если самокат позволяет ему двигаться быстрее.
Фарфоровая ваза, которая падает на землю: Этот тип примеров очень важен для понимания кинетической энергии. Энергия накапливается в вашем теле по мере того, как оно опускается, и полностью высвобождается, когда оно отрывается от удара о землю. Это первый удар, который начинает генерировать кинетическую энергию. Остальная кинетическая энергия приобретается за счет гравитации Земли.
Удар по мячу: случай, подобный тому, что происходит с вазой. Мяч в состоянии покоя находит равновесие, и кинетическая энергия начинает высвобождаться с того момента, когда мы по нему ударяем. Чем тяжелее и крупнее мяч, тем больше усилий потребуется, чтобы его остановить или переместить.
Когда мы бросаем камень со склона: Аналогично это происходит с вазой и с мячом. По мере того, как скала спускается по склону, ее кинетическая энергия увеличивается. Энергия будет зависеть от массы и скорости ее падения. Это, в свою очередь, будет зависеть от уклона. Американские горки: парки аттракционов - ключ к объяснению кинетической энергии. На американских горках автомобиль приобретает кинетическую энергию при падении и увеличивает свою скорость.

Я надеюсь, что с этой информацией концепция и ее использование станут для вас более понятными.

Откройте для себя этот тренажерный зал, который работает с кинетической энергией:

Тренажерный зал, который перемещается с помощью кинетической энергии, генерируемой людьми и CircuitoEco

Содержание статьи соответствует нашим принципам редакционная этика. Чтобы сообщить об ошибке, нажмите здесь.

Энергия — это физическая величина, которая проявляется в нескольких видах. Определяемая как способность выполнять работу и связанная с тёплом, она воспринимается чаще всего в форме кинетической и потенциальной энергии. То есть связанной с движением и потенциалом, который зависит только от положения или состояния задействованной системы.

Концепция и классификация

Ещё в древности энергию определяли как свойство или способность, которые тела и вещества должны производить вокруг себя и которые во время преобразований обмениваются через два механизма: в форме работы или тепла. Правда, тогда еще не знали, что таким образом выполняется закон сохранения энергии. Но кроме физических изменений, проявляющихся, например, в подъёме объекта, его транспортировке, деформации или нагревании, энергия также присутствует в химических изменениях, таких как сжигание куска дерева или разложение воды электрическим током.

Энергия — это способность тела работать, а также сила, которая выполняет работу. Она может быть представлена в виде различных переходных форм:

тепловой;
механической;
химической;
электрической;
ядерной.

В физике самая важная форма называется механической энергией. Это сумма и определение потенциальной и кинетической энергии, формула которой: E = Ek + Wp.

Энергия движения

Кинетическая энергия тела — это та, которой тело обладает благодаря своему движению. Её определяют как силу, необходимую для ускорения тела определённой массы от покоя до максимальной указанной скорости. Как только достигается ускорение, тело сохраняет энергию, если скорость не изменяется. Чтобы тело вернулось в состояние покоя, необходима отрицательная работа той же величины.

Единица измерения кинетической энергии — джоуль. Обычно она обозначается буквой E c или E k. Расчёт мощности измеряется по-разному. Для того чтобы найти её количество можно использовать онлайн-калькулятор.

История и определение

Идею связи классической механики и кинематической энергии впервые выдвинули Готфрид Вильгельм Лейбниц и Даниэль Бернулли. Учёный Грейвсанд из Нидерландов предоставил экспериментальное подтверждение этой связи.

Но первые теоретические выкладки этих идей приписаны Гаспар-Гюстав Кориолису, который в 1829 году опубликовал статью, где была изложена математика этого процесса. Сам термин появился в 1849 году благодаря Уильяму Томсону, более известному как лорд Кельвин.

Теорема о кинетической энергии гласит: изменение кинетической силы тела равно работе равнодействующей всех сил, действующих на тело. Эта теорема справедлива независимо от того, какие силы действуют на тело.

Часто различают кинетическую силу поступательного и вращательного движения. Как и любая физическая величина, которая является функцией скорости, она не только зависит от внутренней природы этого объекта, но также зависит от отношений между объектом и наблюдателем (в физике наблюдатель формально определяется классом определённая система координат, называемая инерциальной системой отсчёта).

Эта энергия деградирует и сохраняется в каждой трансформации, теряя способность совершать новые трансформации, но она не может быть создана или разрушена, только трансформирована, поэтому её сумма во вселенной всегда постоянна.

Кинематика системы частиц

Для частицы или для твёрдого тела, которое не вращается, кинетическая энергия падает до нуля, когда тело останавливается. Однако для систем, которые содержат много частиц с независимыми движениями, это не совсем верно.

Для твёрдого тела, которое вращается, полная кинетическая сила может быть разбита на две суммы: энергия перемещения, связанная со смещением центра масс тела в пространстве, и вращения (с вращательным движением с определённой угловой скоростью).

Потенциальная энергия

Этот термин был введён в XIX веке учёным Уильямом Ренкином и связан с механической энергией, которая зависит от расположения тела в силовом поле (гравитационное, электростатическое и т. д. ) или с наличием силового поля внутри тела.

Теорема о потенциальной энергии утверждает, что она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

Независимо от силы, её порождающей, потенциальная энергия, которой обладает физическая система, хранится благодаря своему положению и / или конфигурации, в чём и заключается её различие с кинетической энергией.

Значение потенциала всегда зависит от нахождения или конфигурации, выбранной для её измерения, поэтому иногда говорят, что физически имеет значение только его изменение отношений между двумя конфигурациями.

Потенциальная энергия присутствует не только в классической физике, но также в релятивистской и квантовой физике. Эта концепция также была распространена на физику элементарных частиц.

Смысл потенциальной силы связан с работой, выполняемой силами физической системы для перемещения её из одного состояния в другое. А её функция будет существенно зависеть от типа силового поля или взаимодействия, действующего на систему.

Это относится, например, к атомной физике при получении электронных состояний атома или к молекулярной физике для получения таких состояний молекулы, как:

электронных;
вибрационных;
вибрационно-вращательных;
вращательных.

В других более общих формулировках физики потенциальная функция также играет важную роль. Среди них лагранжева и гамильтонова формулировки механики.

Гравитационная сила

Потенциальной гравитацией обладают тела в силу того, что они имеют массу и находятся на определённом взаимном расстоянии. Среди огромных масс действуют силы притяжения. Применительно, например, к планетарному движению, основная масса солнечной системы состоит из массы Солнца, которая создаёт гравитационное силовое поле, воздействующее на малые массы планет. В свою очередь, каждая планета создаёт такое же поле, которое воздействует на второстепенные тела, находящиеся на её поверхности. Зависимость силы тяжести от высоты можно изобразить на графике. При увеличении массы тела линейно увеличивается и она.

Энергия упругой деформации

Эластичность — это свойство определённых материалов, благодаря которому, будучи деформированными, растянутыми или отделёнными от своего исходного положения, они могут восстановить своё первоначальное состояние или равновесие. Восстановительными силами, ответственными за восстановление, являются силы упругости, как в случае пружин, резиновых полос или струн музыкальных инструментов.

Многие древние военные машины использовали эти силы для запуска объектов на расстоянии, таких как дуга, которая стреляет стрелой, арбалет или катапульта. Вибрации или колебания материальных объектов, вызванные упругими силами, являются источником звуковых волн. Силы восстановления, когда объект восстанавливает свою первоначальную форму практически без какого-либо демпфирования или деформации, являются консервативными, и может быть получена упругая сила.

Пружина является примером упругого объекта, который точно восстанавливает первоначальную форму: при растяжении он создаёт упругую силу, стремящуюся вернуть его к первоначальной длине. Экспериментально подтверждено, что эта восстановительная сила пропорциональна растянутой длине пружины. Способ выразить эту пропорциональность между силой и растянутой суммой — через закон Гука.

Коэффициент пропорциональности при этой деформации зависит от типа материала и рассматриваемой геометрической формы. Для твёрдых тел сила упругости обычно описывается в терминах величины деформации, вызванной растягивающей силой, возникающей в результате этого растяжения, называемого упругостью или модулем Юнга. Для жидкостей и газов это выражается изменением давления, способного вызвать изменение объёма, и называется модулем сжимаемости.

Одним из свойств упругости твёрдого тела или жидкости при растяжении или деформации является то, что растяжение или деформация пропорциональны приложенному усилию. То есть для создания двойного растяжения потребуется двойная сила. Эта линейная зависимость смещения от приложенной силы известна как закон Гука.

Прикладное значение

Потенциальная электростатическая энергия может храниться с помощью конденсаторов. Конденсатор — это устройство, которое накапливает её внутри. Чтобы сохранить электрический заряд, он использует две проводящие поверхности, как правило, в форме листов или пластин, разделённых диэлектрическим материалом (изолятором). Эти платы являются электрически заряженными при подключении к источнику питания.

Две пластины имеют одинаковую величину, но с разными знаками, причём величина нагрузки пропорциональна приложенной разности потенциалов. Константа пропорциональности между зарядом, приобретённым конденсатором, и разностью потенциалов, достигнутой между двумя пластинами, называется ёмкостью конденсатора:

Области применения конденсаторов многочисленны в области электроники, и, следовательно, они также предназначены для бытовых приборов. В современных технологических приложениях их используют:

в компьютерах;
в средствах связи;
в видео, аудиоплеерах и т. д.

В этих применениях современной технологии конденсаторы способны накапливать электростатическую энергию в течение коротких периодов времени и с не слишком высокими значениями.

Читайте также: