Overview
Source : Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Antonella Cooray, Ph.d., département de physique & astronomie, école de Sciences physique, University of California, Irvine, CA
Cette expérience illustre le principe de travail-énergie. L’énergie est l’un des concepts plus importants en sciences et n’est pas simple à définir. Cette expérimentation portera sur deux types d’énergie : énergie de potentielle gravitationnelle et l’énergie cinétique de translation. Des énergie potentielle gravitationnelle est définie comme l’énergie de qu'un objet possède en raison de son placement dans un champ gravitationnel. Objets qui sont élevés au-dessus du sol sont censés avoir de grande énergie de potentielle gravitationnelle. Un objet qui se déplace d’un endroit à l’autre a énergie cinétique de translation. L’aspect le plus crucial de l’énergie, c’est que la somme de tous les types d’énergie est conservée. En d’autres termes, l’énergie totale d’un système avant et après tout événement peut être transféré à différents types d’énergie, en tout ou en partie, mais le total rgy enesera le même avant et après l’événement. Cet atelier fera la démonstration de cette conservation.
L’énergie peut être définie comme « la capacité à effectuer un travail, « qui a trait à l’énergie mécanique avec le travail. Vol des projectiles qui ont frappé des objets fixes fonctionnent sur les objets stationnaires, comme un boulet de Canon frapper un mur de briques et de casser apart ou un marteau sur un morceau de bois au volant un clou. Dans tous les cas, il y a une force exercée sur un corps, qui subit ultérieurement des déplacements. Un objet en mouvement a la capacité d’effectuer un travail, et il a donc l’énergie. Dans ce cas, c’est l’énergie cinétique. Dans cette expérience, gravité fera le travail sur les planeurs.
Le transfert de l’énergie potentielle de gravité à l’énergie cinétique de translation est démontré dans cette expérience en faisant glisser un planeur air populaires sous divers angles (c.-à-d. les hauteurs), à partir de reste. L’énergie potentielle d’un objet est directement proportionnelle à sa hauteur. Le travail net réalisé sur un objet est égal à la variation de son énergie cinétique ; ici, le planeur partira de repos, puis l’énergie cinétique gain. Cette variation d’énergie cinétique est égale au travail effectué par gravité et varie selon la hauteur de départ du planeur. Le principe de travail-énergie sera vérifié en mesurant la hauteur de départ et la vitesse finale du planeur.
Principles
Énergie potentielle est associé aux forces et est stocké dans un objet. Elle dépend de la position de l’objet par rapport à son environnement. Un objet soulevé du sol a des énergie potentielle gravitationnelle en raison de sa position par rapport à la surface de la terre. Cette énergie représente la capacité à effectuer un travail parce que, si l’objet est libéré, il relèvera la force de gravité et ne fonctionnent pas sur ce que jamais il tombe sur. Par exemple, laissant tomber un rocher sur un amateurs de nai fonctionnent sur l’ongle en le conduisant dans le sol.
Supposons qu’un objet se déplace en ligne droite à vitesse v0. Pour augmenter la vitesse de l’objet jusqu'à v1, une force constante Fnet devra être appliquée à l’objet. Le travail W effectué sur un objet par une force constante F est défini comme le produit de l’amplitude du déplacement d multiplié par la composante de la force parallèle au déplacement, F|
W = F| d. (Équation 1)
Dans le cas de l’objet en mouvement, si la force est appliquée dans la direction parallèle à la requête de l’objet, puis le travail net est simplement égal aux force nette de fois la distance parcourue :
W = F net d. (équation 2)
Cinématique, on sait que la vitesse finale d’un objet sous accélération constante est :
v12 = v02 + 2ad. (Équation 3)
Appliquant la seconde loi de Newton, Fnet = ma et problèmes pour l’accélération dans l’équation 3 donne :
Wnet = Fnet d = mad = md (v12 v02 ) /(2d) = (v12 v02 ) / 2. (Équation 4)
De manière équivalente :
Wnet = ½ m v12-½ m v02. (Équation 5)
Si l’énergie cinétique de translation est définie comme KE = ½ mv2, alors c’est juste le principe de travail-énergie : le travail net réalisé sur un système est égal à la variation dans l’énergie cinétique du système.
Considérons maintenant des énergie potentielle gravitationnelle. Si un objet à partir d’une hauteur h tombe reste sous l’influence de la gravité, vous pouvez trouver la vitesse finale de l’objet à l’aide de l’équation 3
v2 = 2gh. (Équation 6)
Après une chute de hauteur h, l’objet est égale à l’énergie cinétique ½ mv2 = ½ m(2gh) = mgh. Il s’agit de la quantité de travail, l’objet peut faire après être tombé à une distance verticale h et est définie comme l’énergie potentielle gravitationnelle, PE :
PE = mgh, (Équation 7)
où g est l’accélération gravitationnelle. Plus l’objet est placé au-dessus du sol, l’énergie potentielle gravitationnelle plus il a. Gravité est agissant, ou faire le travail, sur l’objet, dans ce scénario, Wnet = mgh. Le principe de travail-énergie, on sait que cette énergie potentielle gravitationnelle devrait alors être égale à la variation en énergie cinétique :
½ mv2 = mgh. (Équation 8)
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Procedure
- Obtenir une alimentation d’air, pare-chocs, deux planeurs de masse différents, un capteur de vitesse, une voie d’air, un bloc d’aluminium et une échelle (voir Figure 1).
- Placer le planeur de masse plus faible sur l’échelle et noter sa masse.
- Connecter l’alimentation en air à la piste planeur et allumez-le.
- Placer le bloc en aluminium sous le stand de planeur, à proximité de la prise d’air. Il s’agit de la configuration de plus faible hauteur.
- Placez le planeur en haut de la piste et mesurer la hauteur, h1. La mesure devrait être avec respect toits approximative Centre de masse.
- Placer le planeur au bas de la piste et mesurer la hauteur basse, h0. La différenceh1 - h0 devrait être à la hauteur du bloc en aluminium, mais effectuer les mesures pour vérifier.
- Replacez le planeur sur le dessus de la piste, juste au-dessus de la jambe et aluminium du bloc et libérer du reste. Enregistrer sa vitesse v au bas de la piste en utilisant les portes de chronométrage. Faire en sorte que la vitesse est mesurée par rapport au point où h0 a été mesurée. Faire ceci cinq fois et prendre de la vitesse moyenne. Enregistrer cette vélocité dans la case appropriée dans le tableau 1.
- Placez un autre bloc d’aluminium sous le stand de planeur. Ceci ajoutera 3,4 cm pour le calcul de l’énergie potentielle. Répétez l’étape 1.7.
- Remplissez le tableau 1. Calculez KE et PE pour chaque course et calculer leurs différences.
- Répétez les étapes 1,2 à 1,9 avec le planeur lourd.
Figure 1 : Montage expérimental. Les composants comprennent : (1) de l’air, pare-chocs (2), planeur (3), capteur de vitesse (4), voie d’air (5) et bloc en aluminium (6).
L’énergie est un des concepts plus importants et encore ambiguës en physique ; Heureusement, la relation entre l’énergie et de travail peut aider à la compréhension des nombreux problèmes de physique.
Énergie - en particulier l’énergie mécanique - est souvent définie comme la capacité à effectuer un travail, c'est-à-dire, d’exercer une force nette sur un objet à l’origine de se déplacer à une certaine distance. Énergie mécanique peut prendre la forme d’énergie dépendant de la position, appelée énergie potentielle et dépendante de mouvement énergie, appelée énergie cinétique. Alors que le potentiel et l’énergie cinétique d’un objet peuvent être convertis en un autre, la Loi des impératifs de conservation de l’énergie que l’énergie totale d’un système isolé reste constante.
Cette vidéo va introduire le principe de travail-énergie, de discuter les concepts des énergies cinétiques et potentielles et utiliser la Loi de conservation de l’énergie de relier ces énergies dans une expérience impliquant des planeurs glissant sur une piste.
Bien qu’il existe de nombreux types d’énergie, énergie mécanique illustre plus clairement l’idée que l’énergie est la capacité à effectuer un travail. Un tel exemple est quand un boulet de Canon vole dans un mur de briques.
Dans ce cas, un organisme, le boulet de Canon, fonctionne sur un objet, le mur, en exerçant une force nette et en provoquant l’objet à déplacer une certaine distance. Travail est défini comme le produit scalaire de la force appliquée et la distance parcourue. Cette force appliquée doit être dans le sens du déplacement afin que le travail à faire, c’est uniquement la composante de force parallèle au déplacement peut faire travailler.
Maintenant, nous pouvons comprendre le travail d’énergie mécanique, qui est composé d’énergie cinétique et énergie potentielle. A un corps en mouvement d’un endroit à un autre, comme le boulet de Canon, translationnelle énergie cinétique et la possibilité d’effectuer un travail.
Supposons que nous accélérons le boulet de Canon d’une vitesse initiale de vi à une vitesse finale de vf - un processus régi par une équation de la cinématique. Cet événement requiert une force nette constante, conduite par la seconde loi de Newton, à appliquer sur une certaine distance. En combinant les deux équations et en notant que l’énergie cinétique de translation est définie comme ½mv2, il est clair que le travail effectué sur le boulet de Canon, qui est Fnet fois D, est égale à la différence de l’énergie cinétique final et initial. C’est le principe de travail-énergie.
Quand il s’agit de l’énergie potentielle, un rocher au bord d’une falaise a grande énergie de potentielle gravitationnelle. Dès leur publication, il a le potentiel de faire un travail sur le terrain. Ce travail potentiel dépend de la masse du rocher, accélération due à la pesanteur et la hauteur de la chute. Et ce travail est égal à l’énergie potentielle avant l’automne, ou Pi.
Conformément à la Loi de la conversation, l’énergie peut être convertie au cours d’un événement, mais l’énergie totale du système doit rester la même. Par conséquent, la somme des énergies cinétiques et potentiel initial doit égale à la somme des énergies finales. Du rocher vitesse initiale et l’énergie cinétique sont nuls, alors que sa hauteur finale et l’énergie potentielle sont également nulles. L’énergie initiale de potentiel gravitationnel est donc égale à l’énergie cinétique de translation final. En utilisant nos équations précédentes, on peut tirer un certain nombre de relations entre la vitesse, la hauteur, la masse et l’énergie.
Maintenant que vous avez appris le principe de travail énergétique et de la Loi de conservation de l’énergie, nous allons voir comment ces concepts peuvent être appliquées à une expérience impliquant l’énergie mécanique.
Cette expérience se compose d’un capteur de vitesse, une voie d’air, quelques pâtés de maisons identiques en aluminium, un planeur, un peu de poids qui peut être ajouté à la voile, une échelle, d’air et une règle.
Placer le planeur sur la balance et noter sa masse. Connecter l’alimentation en air à la voie aérienne et allumez-le mesure la hauteur de l’un des blocs d’aluminium et les consigner dans le cahier de laboratoire. Placer le bloc en aluminium sous le pied de la voie d’air qui se trouve plus proche de l’alimentation en air. Il s’agit de la configuration de hauteur plus basse.
Placez la voile à sa position initiale et libérez-le de repos. En utilisant le capteur de vitesse, d’enregistrer la vitesse du planeur lors de son passage à la position finale sur la piste. Répétez cette procédure cinq fois et calculer la vitesse moyenne.
Placez un bloc d’aluminium supplémentaire sous le rail aérien soulevant la configuration de la hauteur. Mesurer la différence entre hi et hf comme avant et vérifier il s’agit de deux fois la hauteur d’un bloc d’aluminium. Répétez l’ensemble des mesures de la vitesse pour cette configuration de hauteur.
Placez un bloc en aluminium final selon la voie aérienne, en supposant que la différence de hauteur est maintenant trois fois la hauteur de bloc et répéter les mesures de la vitesse. Ensuite, placer des poids pour augmenter la masse du planeur et répétez l’expérience permettant de mesurer les vitesses à trois hauteurs différentes.
En utilisant les équations dérivées du principe de travail-énergie, le potentiel et l’énergie cinétique de chaque série peut être calculée en connaissant les unités pour chacune des variables. Les différences d’énergie potentielle pour les différentes hauteurs sont répertoriés dans la colonne de PE de la table. Comme prévu, l’énergie potentielle du système augmente avec une augmentation de hauteur et masse plus lourde, ce qui indique un plus grand risque de faire un travail.
Les valeurs de l’énergie cinétique de translation se trouvent également dans le tableau dans la colonne KE. Semblable à l’énergie potentielle, l’énergie cinétique est plus grande pour le planeur lourd et encore la vitesse finale du planeur lourd est les mêmes que le planeur plus léger. C’est clair d’après l’équation reliant les énergies où la vitesse est uniquement fonction de la hauteur. En outre, la vitesse augmente à une vitesse proportionnelle à la racine carrée de la hauteur comme prévu.
Conformément à la Loi de conservation de l’énergie, les colonnes KE et PE dans le tableau doivent être égales, et ils sont presque. Les discordances dans les deux ensembles de valeurs proviennent d’erreurs dans les mesures prises qui sont estimés à environ 10 % pour ce type d’expérience.
Les applications mettant en cause le principe de travail-énergie sont omniprésentes et impliquent toutes les différentes formes d’énergie.
Montagnes russes sont un parfait exemple de conversion d’énergie mécanique. Le coaster massif est initialement tiré vers le haut à une grande hauteur face à une pente raide. L’énergie potentielle considérable acquise au sommet de la pente est ensuite convertie en énergie cinétique pour le reste du trajet. Pendant le trajet, le coaster éprouve un échange constant de potentiel et l’énergie cinétique.
Réactions chimiques présentent également la conversion de l’énergie avec l’énergie étant généralement échangée entre l’énergie chimique potentielle et l’énergie thermique. Si la réaction est exothermique, l’énergie potentielle est dégagée sous forme de chaleur à l’environnement, alors que l’inverse est vrai pour les réactions endothermiques. Certaines réactions exothermiques peuvent être explosives générant ainsi l’énergie cinétique qui fonctionne sur ses environs.
Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à l’énergie et de travail par la Force. Vous devez maintenant comprendre le concept et l’importance du principe travail-énergie et comment la Loi de conservation de l’énergie peut se rapporter à potentiel et l’énergie cinétique. Merci de regarder !
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Results
Échantillon a calculé les valeurs de l’énergie potentielle initiale à différentes hauteurs sont répertoriés dans la colonne PE du tableau 1, trouvé à l’aide d’équation 7. Les vitesses finales mesurées à partir de l’expérience sont également dans le tableau. L’énergie cinétique de translation est calculée à l’aide de ces valeurs mesurées de la vitesse finale. Selon le théorème de l’énergie-travail, les colonnes KE et PE dans le tableau doivent être égales, et ils sont presque. Les discordances dans les deux valeurs proviennent tout simplement des erreurs dans les mesures prises tout au long de l’expérience, où un écart d’environ 10 %, en pourcentage peut attendre de ce type d’expérience.
Notez que lorsque la hauteur initiale augmente, la vitesse finale également augmente à un taux qui est proportionnel à la racine carrée de l’augmentation de la hauteur (c.f. équation 6). L’énergie potentielle du système augmente également avec hauteur accrue. En outre, Notez que le chariot avec l’augmentation de la masse (les trois dernières lignes dans le tableau 1) a fois supérieur énergie potentielle et énergie cinétique par rapport au panier inférieur-masse (trois premières lignes), mais les vitesses finales de ce panier sont les mêmes que la charrette de faible masse. C’est logique parce que la vitesse finale est uniquement fonction de la hauteur (équation 6).
Tableau 1 : résultats.
| Panier de masse (kg) | Hauteur (cm) | PE (mJ) | Vf (m/s) | KE (mJ) | % d’écart |
| 0,23 | 3.4 | 77 | 0,8 | 74 | 4 |
| 0,23 | 6.8 | 155 | 1.2 | 167 | 8 |
| 0,33 | 3.4 | 111 | 0,85 | 120 | 8 |
| 0,33 | 6.8 | 221 | 1.25 | 259 | 17 |
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Applications and Summary
Les applications du principe du travail-énergie sont omniprésentes. Montagnes russes sont un bon exemple de ce transfert d’énergie. Ils vous tirer jusqu'à une grande hauteur et vous laisser tomber vers le bas d’une pente raide. Toute l’énergie de potentiel que vous avez acquise au sommet de la pente est ensuite convertie en énergie cinétique pour le reste du trajet. Le sous-verres sont aussi massif, qui ajoute à l’énergie potentielle. Parachutistes utilisent ce principe aussi bien. Ils monter dans un avion qui fonctionne sur le système pour les amener à une hauteur d’environ 13 000 pieds. Leur vitesse initiale dans l’axe vertical est presque zéro juste avant ils sautent, et qu’ils atteignent rapidement la vitesse terminale (à cause de résistance de l’air), après avoir sauté. Un pistolet de tir aussi convertit énergie potentielle en cinétique. La poudre à Canon dans les munitions a beaucoup d’énergie potentiel chimique. Lorsqu’il est allumé, il ne fonctionne pas sur la balle, qui sort de la bouche avec une énorme quantité d’énergie cinétique.
Le principe de travail-énergie s’inspire de cette expérience. À l’aide d’un planeur sur une voie d’air incliné, le travail accompli par la force de gravitation a été vérifié expérimentalement pour égaler le changement de l’énergie cinétique du système.
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