1.13: Energia i praca

1. Zaopatrz się w zapas powietrza, zderzaki, dwa szybowce o różnej masie, czujnik prędkości, tor powietrzny, aluminiowy blok i skalę (patrz Rysunek 1).
2. Umieść szybowiec o niższej masie na wadze i zapisz jego masę.
3. Podłącz dopływ powietrza do toru szybowca i włącz go.
4. Umieść aluminiowy blok pod stojakiem szybowca, blisko dopływu powietrza. Będzie to konfiguracja o najniższej wysokości.
5. Umieść szybowiec na szczycie toru i zmierz wysokość, h₁. Pomiar powinien odbywać się w odniesieniu do przybliżonego środka masy.
6. Umieść szybowiec na dole toru i zmierz dolną wysokość, h₀. Różnicah₁ - h₀ powinna być wysokością bloku aluminiowego, ale wykonaj pomiary, aby zweryfikować.
7. Umieść szybowiec z powrotem na szczycie toru, tuż nad nogą i aluminiowym blokiem, a następnie zwolnij go ze spoczynku. Zapisz jego prędkość v na dole toru za pomocą bramek pomiaru czasu. Upewnij się, że prędkość jest mierzona w odniesieniu do punktu, w którym zmierzono h₀ . Zrób to pięć razy i weź średnią prędkość. Zapisz tę prędkość w odpowiednim polu w Tabela 1.
8. Umieść kolejny aluminiowy blok pod stojakiem szybowca. Spowoduje to dodanie 3,4 cm do obliczeń energii potencjalnej. Powtórz krok 1.7.
9. Wypełnij Tabela 1. Oblicz KE i PE dla każdego przebiegu i oblicz ich różnice.
10. Powtórz kroki 1.2-1.9 z cięższym skrzydłem.

Rysunek 1: Konfiguracja eksperymentalna. Podzespoły te obejmują: (1) dopływ powietrza, (2) zderzak, (3) szybowiec, (4) czujnik prędkości, (5) tor powietrzny, oraz (6) blok aluminiowy.

Energia jest jednym z najważniejszych, a jednocześnie niejednoznacznych pojęć w fizyce; Na szczęście związek między energią a pracą może pomóc w zrozumieniu wielu problemów fizycznych.

Energia - w szczególności energia mechaniczna - jest często definiowana jako zdolność do wykonywania pracy, to znaczy do wywierania siły wypadkowej na obiekt, powodując jego przemieszczenie się na określoną odległość. Energia mechaniczna może mieć postać energii zależnej od położenia, zwanej energią potencjalną, oraz energii zależnej od ruchu, zwanej energią kinetyczną. Podczas gdy energia potencjalna i kinetyczna obiektu mogą być przekształcane na siebie, prawo zachowania energii nakazuje, aby całkowita energia izolowanego układu pozostawała stała.

Ten film wprowadzi zasadę energii pracy, omówi koncepcje energii kinetycznej i potencjalnej oraz wykorzysta prawo zachowania energii, aby powiązać te energie w eksperymencie z udziałem szybowców zjeżdżających po torze.

Chociaż istnieje wiele rodzajów energii, energia mechaniczna najdobitniej ilustruje ideę, że energia jest zdolnością do wykonywania pracy. Jednym z takich przykładów jest sytuacja, w której kula armatnia wlatuje w ceglaną ścianę.

W tym przypadku ciało, kula armatnia, działa na obiekt, ścianę, wywierając siłę wypadkową i powodując przemieszczenie się obiektu na pewną odległość. Praca jest definiowana jako iloczyn skalarny przyłożonej siły i przebytej odległości. Ta przyłożona siła musi być w kierunku przemieszczenia, aby praca mogła zostać wykonana, to znaczy tylko składowa siły równoległa do przemieszczenia może wykonać pracę.

Teraz możemy powiązać pracę z energią mechaniczną, która składa się z energii kinetycznej i energii potencjalnej. Ciało w ruchu z jednego miejsca do drugiego, takie jak kula armatnia, ma translacyjną energię kinetyczną i zdolność do wykonywania pracy.

Załóżmy, że przyspieszamy kulę armatnią z prędkości początkowej vi do prędkości końcowej vf - proces ten jest regulowany równaniem kinematyki. Zdarzenie to wymaga przyłożenia stałej siły wypadkowej, napędzanej przez drugie prawo Newtona, na pewną odległość. Łącząc te dwa równania i zauważając, że translacyjna energia kinetyczna jest zdefiniowana jako ?mv2, jasne jest, że praca wykonana na kuli armatniej, która jest Fnet razy D, jest równa różnicy w końcowej i początkowej energii kinetycznej. Jest to zasada pracy i energii.

Jeśli chodzi o energię potencjalną, głaz na krawędzi klifu ma dużą grawitacyjną energię potencjalną. Po uwolnieniu ma potencjał do wykonywania prac w terenie. Ta potencjalna praca zależy od masy głazu, przyspieszenia ziemskiego i wysokości spadku. A ta praca jest równa energii potencjalnej przed upadkiem, czyli Pi.

Zgodnie z prawem konwersacji, energia może zostać przekształcona podczas wydarzenia, ale całkowita energia systemu musi pozostać taka sama. Dlatego suma początkowych energii potencjalnej i kinetycznej musi być równa sumie energii końcowych. Prędkość początkowa i energia kinetyczna głazu wynoszą zero, podczas gdy jego końcowa wysokość i energia potencjalna również wynoszą zero. Dlatego początkowa grawitacyjna energia potencjalna jest równa końcowej translacyjnej energii kinetycznej. Korzystając z naszych poprzednich równań, można narysować szereg zależności między prędkością, wysokością, masą i energią.

Teraz, gdy nauczyłeś się zasady energii pracy i prawa zachowania energii, zobaczmy, jak te koncepcje można zastosować do eksperymentu z udziałem energii mechanicznej.

Eksperyment ten składa się z czujnika prędkości, toru powietrznego, kilku identycznych aluminiowych bloków, szybowca, kilku obciążników, które można dodać do szybowca, wagi, dopływu powietrza i linijki.

Umieść szybowiec na wadze i zapisz jego masę. Podłącz dopływ powietrza do toru powietrznego i włącz go Zmierz wysokość jednego z aluminiowych bloków i zapisz go w zeszycie laboratoryjnym. Umieść aluminiowy blok pod stopą toru powietrznego, który leży najbliżej dopływu powietrza. Będzie to konfiguracja o najniższej wysokości.

Ustaw szybowiec w pozycji wyjściowej i zwolnij go ze spoczynku. Za pomocą czujnika prędkości zarejestruj prędkość szybowca, gdy mija on końcową pozycję na torze. Powtórz tę procedurę pięć razy i oblicz średnią prędkość.

Umieść dodatkowy aluminiowy blok pod torem powietrznym, podnosząc konfigurację wysokości. Zmierz różnicę między hi i hf jak poprzednio i sprawdź, czy jest to dwukrotność wysokości bloku aluminiowego. Powtórz zestaw pomiarów prędkości dla tej konfiguracji wysokości.

Umieść ostatni aluminiowy blok pod torem powietrznym, zakładając, że różnica wysokości jest teraz trzykrotnie większa od wysokości bloku i powtórz pomiary prędkości. Następnie umieść kilka obciążników, aby zwiększyć masę szybowca, a następnie powtórz eksperyment, aby zmierzyć prędkości na trzech różnych wysokościach.

Korzystając z równań wyprowadzonych z zasady energii pracy, można obliczyć energię potencjalną i kinetyczną dla każdego przebiegu, biorąc pod uwagę jednostki dla każdej ze zmiennych. Różnice energii potencjalnej dla różnych wysokości są wymienione w kolumnie PE w tabeli. Zgodnie z oczekiwaniami, energia potencjalna układu wzrasta wraz ze wzrostem wysokości i większą masą, co wskazuje na większy potencjał do wykonywania pracy.

Wartości translacyjnej energii kinetycznej znajdują się również w tabeli w kolumnie KE. Podobnie jak w przypadku energii potencjalnej, energia kinetyczna jest większa dla cięższego szybowca, a jednak prędkości końcowe cięższego szybowca są takie same jak lżejszego szybowca. Wynika to jasno z równania odnoszącego energie, w którym prędkość jest tylko funkcją wysokości. Co więcej, prędkość rośnie w tempie proporcjonalnym do pierwiastka kwadratowego wysokości, zgodnie z oczekiwaniami.

Zgodnie z prawem oszczędzania energii, kolumny KE i PE w tabeli powinny być równe i prawie tak jest. Rozbieżności w tych dwóch zestawach wartości wynikają z błędów w wykonanych pomiarach, które szacuje się na około 10% dla tego typu eksperymentów.

Zastosowania wykorzystujące zasadę energii pracy są wszechobecne i obejmują wszystkie różne formy energii.

Kolejki górskie są doskonałym przykładem mechanicznej konwersji energii. Masywna kolejka górska jest początkowo wciągana na dużą wysokość przed stromym zboczem. Znaczna energia potencjalna uzyskana na szczycie pochyłości jest następnie przekształcana w energię kinetyczną na pozostałą część jazdy. Podczas jazdy kolejka doświadcza ciągłej wymiany energii potencjalnej i kinetycznej.

Reakcje chemiczne wykazują również konwersję energii, przy czym energia jest zwykle wymieniana między chemiczną energią potencjalną a energią cieplną. Jeśli reakcja jest egzotermiczna, energia potencjalna jest oddawana w postaci ciepła do otoczenia, podczas gdy w przypadku reakcji endotermicznych jest odwrotnie. Niektóre reakcje egzotermiczne mogą być wybuchowe, generując w ten sposób energię kinetyczną, która działa na otoczenie.

Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do Energii i Pracy na siłę. Powinieneś teraz zrozumieć zarówno koncepcję, jak i znaczenie zasady energii pracy oraz to, w jaki sposób prawo zachowania energii może wiązać energię potencjalną i kinetyczną. Dzięki za oglądanie!