Kinetikus energia és potenciális energia
TARTALOM1.4. Energiatakarékosság (c. Kinetikus energia és potenciális energia)
De valójában ez kevés példa, mint az égő rönk, amely látszólag szembeszáll a tömegmegőrzés törvényével. Lavoisier rájött, hogy létezik egy második tömegforma, a füsttömeg, amelyet nem vettek figyelembe, és kísérletileg bebizonyította, hogy a tömeg megmarad.
A leeső kő esetében kétféle energiánk van. Az első a mozgásnak köszönhető energia, amelyben ismeretes kinetikus energia. A második forma egyfajta energia, amellyel rendelkezik, mert gravitáció révén kölcsönhatásba lép a Föld bolygóval, helyzeti energia. A föld és a kő a gravitáció révén vonzza egymást, és minél nagyobb a távolság közöttük, annál nagyobb a potenciális energia - kevesebb, mint egy rugó esetében.
Az energia SI mértékegysége joule (J), és ezekben az egységekben 1 kg tömeg felemelése 1 m magasságig 9,8 J energiát igényel. Ez a szám, 9,8 joule/méter/kilogramm, a Föld gravitációjának a felszínéhez közeli erejének mértéke. Jegyezze fel ezt a gravitációs gyorsulás néven ismert számot a gombbal g és gyakran 10-re kerekítjük a számítások egyszerűsítése érdekében.
Ha egy 1 kg-os követ felemel 1 m magasságig a talaj felett, akkor 9,8 J energiát ad el élelmiszerből, és a kőben tárolt potenciális energiává alakítja. Ha ezt követően elengedi, ez az energia elkezd kinetikus energiává válni, amíg, amikor a kő majdnem megérinti a földet, mindez az energia mozgási energia. Ez a mozgási energia akkor válik hővé és hangzá, amikor a kő megérinti a földet.
Algebrai nyelven, potenciális energia képlet Ez
ahol m ez a test tömege, g a gravitációs gyorsulás, és h a tárgy magassága.
5. példa: Kar
Az alábbi ábra két nővért ábrázol egy libikókán. A bal oldalon dupla asztal található, de félúton van a közepétől a végéig. A lengés billentéséhez nincs szükség energiára. Ugyanakkor a jobboldali nővére kétszer olyan mélyre esik, ami ugyanolyan energiacsökkenést eredményez, tömege kétszer olyan kicsi. Szimbólumokkal megvan
(2 M) gh
a bal arc által kapott potenciális energiáért, és
mg (2 óra)
a jobb oldali által elveszített energiáért. Mindkettő egyenlő 2 mgh, tehát a kapott energia és az elveszett energia megegyezik és az energia konzerválódik.
q/kar
Másképp szemlélve ezt a példát tekinthetjük annak a kísérletnek a típusára, amelyet meg kell tennie az egyenlet eléréséhez. Ep = mgh. Ha még nem ismertük az egyenletet, akkor a kísérlet arra gyanakodhat, hogy az egyenlet a tömeg és a magasság (mh) szorzatát tartalmazza, ezek jellemzik a két lányt.
Ha megvan az energia egyik formájának egyenlete, meghatározhatjuk az egyéb energiaformák egyenleteit. Például, ha ledobunk egy követ, és megmérjük annak végsebességét, v, amikor a földre ér, akkor megtudjuk, mennyi Ep vesztett, tehát tudjuk, hogy akkora kinetikus energiával kellett volna rendelkeznie, amikor maximális sebességgel mozgott. Íme néhány ilyen képzeletbeli eredmény.
| m (kg) | v (m/s) | energia (J) |
| 1.00 | 1.00 | 0,50 |
| 1.00 | 2.00 | 2.00 |
| 2.00 | 1.00 | 1.00 |
Az első sort összehasonlítva a másodikkal azt vesszük észre, hogy egy tárgy sebességének megduplázása nem duplázza meg az energiáját, hanem megnégyszerezi. Ha viszont összehasonlítjuk az elsőt és a harmadikat, akkor észrevesszük, hogy a tömeg megduplázása csak megduplázza az energiát. Ez azt sugallja, hogy a kinetikus energia arányos a tömeggel, szorozva a sebesség négyzetével, mv 2, és a későbbi kísérletek bizonyítják, hogy ez valóban általános szabály. Az arányossági tényező a metrikus rendszer összetétele miatt 0,5, így egy mozgó objektum kinetikus energiáját a reláció adja
r/Annak egyértelmű bizonyítása, hogy a hő is egyfajta mozgás. Öntsön kis mennyiségű forrásban lévő vizet egy üres dobozba, amely gyorsan feltölti forró gőzzel. Ezután a kannát lezárják, és hamarosan deformálódnak. Ez megmagyarázható. A gőz magas hőmérséklete a molekulák kaotikus mozgásának nagy átlagos sebességét képviseli a gőzök összetételében. Mielőtt az üveget becsukták, a gőzök elhagyták, lassabb sebességgel félretéve a légmolekulákat. Amikor a kannában lévő gőz mennyiségét csökkentették, egyensúlyt értek el, a kevésbé sűrű gőzmolekulák nagy sebességgel mozgó erejével, egyensúlyozva a kannán kívüli sűrűbb, de lassabb légmolekulák erejét. De ezt követően leállították, és egy idő után a bent lévő gőz ugyanolyan hőmérsékletet ért el, mint a kinti levegő. A hideg, ritka gőz ereje már nem elegendő a hideg levegő erejének kiegyensúlyozásához, de kívülről sűrű, ez az egyensúlyhiány a kann deformálódásához vezet.