Як розраховують потенціальну енергію ?

Розраховують потенціальну енергію з урахуванням природи сил, які діють на ці тіла. Найпростіше розрахувати потенціальну енергію тіла, піднятого над поверхнею Землі, оскільки сила, яка діє на нього, залишається практично сталою протягом усього часу його руху під дією цієї сили.

Нехай тіло масою т знаходиться на висоті h над землею. Якщо воно впаде на поверхню, то буде виконана робота

А = Fs = mgh.

Отже, про таке тіло можна сказати, що воно має потенціальну енергію

Еп = mgh.

Потенціальна енергія тіла, піднятого над поверхнею Землі, пропорційна масі тіла і його висоті над поверхнею Землі.

При розрахунках потенціальної енергії важливо пам'ятати, що висота h є шляхом, яке тіло пройде у вертикальному напрямі. Отже, завжди треба вказувати, відносно якої поверхні визначається потенціальна енергія. Наприклад, тіло масою 2 кг, підняте над столом на висоту 1,5 м, матиме потенціальну енергію приблизно ЗО Дж, а потенціальна енергія цього тіла, розрахована для висоти 3 м над підлогою, буде 60 Дж.

Щоб на заводах і фабриках могли працювати машини їх приводять в рух електродвигуни. Працюють автомобілі, літаки, тепловози, теплоходи, гідротурбіни, вітродвигуни.

Стиснена пружина, розпрямляючись, може підняти на деяку висоту вантаж.

Піднятий над землею нерухомий вантаж не виконує роботи, але коли цей вантаж впаде, то він може виконати роботу. Наприклад, може забити в землю палю.

Здатність виконати роботу має i всяке рухоме тіло, так сталева кулька, що скочується з похилої площини, пересуває дерев’яний брусок на деяку відстань, при цьому виконується робота.

Якщо тіло або декілька тіл, що взаємодіють між собою можуть виконувати роботу, то кажуть, що вони мають енергію.

Енергія — це фізична величина, яка показує, яку роботу може виконати тіло або декілька тіл.

Потенціальна енергія.

З попереднього уроку ми знаємо, що виконавши певну роботу, можна підняти тіло над поверхнею Землі.

Тіло, підняте над Землею, відрізняється від тіла, що лежить на поверхні, тим, що рухаючись під дією сили земного тяжіння вниз, може виконати певну роботу. Про таке тіло кажуть, що воно має потенціальну енергію.

Потенціальною (від латинського, потенція — можливість) енергією називається енергія. яка визначається взаємним положенням взаємодіючих тіл, або частин одного i того ж тіла.

Потенціальна енергія тіла, піднятого над Землею, дорівнює роботі, яку необхідно виконати, щоб підняти тіло на цю висоту.

Тому

A = 9,8 Н/кг•m•h

Eп=9,8 Н/кг•m•h

Потенціальна енергія пружино деформованого тіла.

Потенціальну енергію мають не лише тіла, підняті над Землею. Прослідкуйте уважно за дослідом: стиснемо пружину і покладемо на неї кульку. Розпрямившись, пружина піднімає кульку вгору, тобто виконує роботу.

Пружно деформовані тіла мають потенціальну енергію, рівну роботі, виконаній при деформації тіла.

За рахунок цієї енергії пружно деформоване тіло може виконати роботу.

Використання енергії деформованих тіл.

Потенціальна енергія деформованих тіл широко використовується:

1. Батут, будучи деформованим, підкидає гімнаста вгору.

2. Натягуючи тятиву, лучник виконує роботу і надає пружно деформованому тілу потенціальної енергії.

3. Енергію пружин використовують у годинниках, метрономах тощо.

4. Завдяки пружинам-ресорам поїздка автомобілем є комфортною.

Кінетична енергія

Спостереження за явищами природи показують, що робота може виконуватися при русі тіл. Так, тепловоз, рухаючись колією, стикається з вагоном і зміщує його на деяку відстань. Виконується робота і в тому випадку, коли кинутий камінь пробиває кригу. Вистрілена з рушниці куля пробиває дошку тощо. Якщо потенціальну енергію мають тіла, на які діє сила, то в перелічених вище прикладах робота виконується тому, що вони здійснювали переміщення, рухалися.

Яку енергію мають рухомі тіла?

Кінетична енергія є фізичною величиною, і її значення можна розраховувати. Для цього треба знати, від яких фізичних величин вона залежить.

Енергію рухомого тіла називають кінетичною енергією.

Як розраховують кінетичну енергію?

Поставимо жолоб під деяким кутом до поверхні стола. На деякій відстані від його нижнього кінця покладемо брусок. На середній частині жолоба розмістимо маленьку стальну кульку і відпустимо її. Скотившись із жолоба, кулька вдариться об брусок і перемістить його на деяку відстань. Відмітимо відстань, на яку зміститься брусок.

Розмістимо кульку у верхній частині жолоба і відпустимо її. У цьому випадку, скотившись жолобом до основи, кулька набуває більшої швидкості, ніж раніше. Ударившись об брусок, вона перемістить його на більшу відстань, ніж у попередньому досліді, виконавши відповідно більшу роботу.

Отже, кінетична енергія тіла залежить від його швидкості. Ця залежність нелінійна, що помітно на графіку залежності кінетичної енергії тіла від його швидкості, який має вигляд кривої лінії.

Кінетична енергія тіла

Як відомо, швидкість тіла є відносною величиною, що залежить від вибору тіла відліку. Тому й кінетична енергія є величиною відносною. Якщо артилерійський снаряд, поціливши в стіну, наносить їй значних руйнувань, то снаряд, посланий услід надзвуковому літаку, не завдасть йому суттєвих ушкоджень, оскільки швидкість снаряда відносно літака буде невеликою.

Наслідки зіткнення автомобілів цу випадку, коли вони рухаються назустріч один одному, будуть завжди більш відчутними, ніж тоді, коли один автомобіль наздоганяє другий. Кінетична енергія залежить і від маси тіла. Якщо повторимо попередні досліди з кулькою більшої маси, то побачимо, що переміщення бруска в цьому випадку буде більшим. Ця залежність лінійна, тому можна сказати, що кінетична енергія тіла пропорційна його масі.

Як розрахувати кінетичну енергію

Кінетичну енергію різних тіл використовують для виконання механічної роботи. Так, досвідчені водії автомобілів час від часу від'єднують двигун від коліс, вимикаючи зчеплення, і цим економлять паливо. Робота з подолання сил тертя виконується за рахунок кінетичної енергії автомобіля, який рухається з деякою швидкістю. Конструктори працюють над розробкою моделі міського автобуса, який рушає з місця за рахунок енергії розкрученого під час зупинки важкого маховика. Це дає можливість суттєво зменшити викиди шкідливих речовин в атмосферу та економити паливо.

У південних областях України, зокрема на Кримському півострові, використовують вітрові електростанції, які працюють за рахунок кінетичної енергії рухомого повітря — вітру.

Кінетична енергія.

Енергія, яку має тіло внаслідок свого руху, називається кінетичною (від грецького кінема — рух).

Від чого залежить кінетична енергія? Якщо скочувати кульку з різних висот то можна помітити, що чим з більшої висоти скочується кулька, тим більша її швидкість i тим далі вона пересуне брусок, тобто, виконає більшу роботу.

Значить, кінетична енергія тіла залежить від його швидкості. Так, за рахунок швидкості, більшу кінетичну енергію має куля, що вилітає з ствола гвинтівки.

Кінетична енергія тіла залежить i від його маси. Ще раз звернемось до досліду. Будемо скочувати з похилої площини другу кульку - більшої маси. Брусок пересунеться на більшу відстань, тобто, буде виконана більша, ніж у попередньому випадку, робота. Отже, i кінетична енергія другої кульки більша ніж першої.

Чим більша маса тіла i швидкість, з якою воно рухається, тим більша його кінетична енергія.

Кінетична енергія тіла залежить від його маси та швидкості, і визначається за формулою:

Eк =(m•v2)/2, де m - маса тіла, v – його швидкість

На ріках будують греблі, піднімаючи таким чином рівень води. Падаючи вниз, вода обертає турбіну. При цьому спеціальний генератор виробляє електричну енергію. Робота, виконана турбіною, залежить не лише від кількості води, що падає на неї, але й від швидкості води. Отже, вода також має кінетичну енергію.

Перетворення енергії.

Всі тіла в природі відносно нульового значення мають або потенціальну, або кінетичну енергію, або ту чи іншу разом взяті. Наприклад, літак, що летить, має відносно Землі i кінетичну i потенціальну енергії.

При падінні каменя під дією сили падіння відбувається перехід його потенціальної енергії в кінетичну.