Фізичні явища навколо нас. 7 клас. Годована

Механічна енергія

Слово «енергія» часто вживається в повсякденному житті. Але воно мас конкретне фізичне значення.

Енергія — це міра здатності будь якого тіла виконувати роботу. Існують різні види енергії і кілька одиниць для її вимірювання. В СІ одиницею енергії, як і роботи, є джоуль. Електричну енергію можна вимірювати в кіловат-годинах, а енергію продуктів харчування зазвичай вимірюють в калоріях.

Існує дві форми механічної енергії — потенціальна та кінетична.

Поговоримо про потенціальну енергію. Слово «потенціальна» походить від латинського potentia, що означає «можливість», а слово «енергія» — від грецького energia, тобто «дія», «діяльність». Отже, величина потенціальної енергії характеризує можливість тіла виконати якусь роботу за рахунок взаємодії з іншими тілами.

Наприклад, тіло, що перебуває на деякій висоті над землею, може впасти і здійснити роботу, тому що його притягує Земля. Потенціальна енергія дорівнює:

Еп = mgh,

де Еп — гравітаційна потенціальна енергія тіла; m — його маса; g — прискорення вільного падіння; h — висота тіла над поверхнею Землі.

Пригадайте Дніпровську гідроелектростанцію! При падінні води з висоти 60 метрів її потенціальна енергія перетворюється на кінетичну та на електричну, яка живить електроенергією підприємства та житлові будинки.

Щоб завести такий годинник, треба підняти гирю, тобто надати їй потенціальну енергію. Гиря буде опускатися і передавати потенціальну гравітаційну енергію маятнику, а той, у свою чергу, — стрілкам.

А от лук, що посилає стріли, має в запасі потенціальну пружну енергію, тобто його частини взаємодіють між собою.

де Еп — пружна потенціальна енергія; k — жорсткість (Н/м); Δх — зміна довжини тіла (м).

Коли натягується тятива, положення частин лука змінюється відносно їх звичайного положення. Лук накопичує та зберігає потенціальну енергію завдяки новому положенню тятиви.

Насправді це електромагнітна енергія. Як це електромагнітна? Це ж сила пружності!

Ти пам’ятаєш, що всі сили можна звести до чотирьох видів взаємодій. Тіла складаються з атомів, а ті, у свою чергу, — із позитивно й негативно заряджених частинок. Коли тіло не деформовано, сили відштовхування та притягання атомів урівноважені, тобто рівнодійна дорівнює нулю. Під час розтягування більшою стає сила притягання, а під час стискання — сила відштовхування.

Кінетична енергія — це енергія руху. Тіло може виконувати роботу не тільки за рахунок взаємодії з іншими тілами, але й завдяки власному руху. Таку енергію називають кінетичною. Ти ж знаєш, що молоток, щоб забити цвях, має добряче розігнатися. Але легкому молотку це не допоможе, якщо цвях надто великий. Отже, кінетична енергія залежить від маси й швидкості руху тіла:

де Ек — кінетична енергія; m — маса тіла; v — швидкість руху тіла (м/с).

Розглядаючи рівняння кінетичної енергії, можна відзначити кілька цікавих фактів:

  • 1) кінетична енергія залежить від квадрата швидкості руху тіла — це означає, що зі збільшенням швидкості руху тіла вдвічі його кінетична енергія збільшується вчетверо;
  • 2) кінетична енергія завжди буває або нульовою, або позитивною.

До цього часу ми розглядали два види енергії: потенціальну енергію та кінетичну енергію. Сума потенціальної та кінетичної енергії називається повною механічною енергією:

ЕПОВНА = ЕΠ + ЕК.

Зазвичай ми говоримо про споживання енергії, насправді ж енергія нікуди не зникає. Вона просто переходить з одного виду в інший. У фізиці це називається законом збереження енергії: загальна кількість енергії замкненої системи тіл залишається сталою. Енергія не виникає нізвідки й нікуди не зникає — відбувається лише перетворення одного виду енергії в інший або передача енергії від одних тіл до інших. А якщо ніякі сили, окрім сил тяжіння і пружності в системі тіл не діють, то сталою залишається також і повна механічна енергія. Тоді кажуть про закон збереження повної механічної енергії.

У природі існують також інші види енергії, наприклад:

  • теплова, або внутрішня, — пов’язана з хаотичним рухом молекул у середовищі (часто вживається відносно температури);
  • хімічна — зберігається в певних хімічних речовинах і може виділятися внаслідок реакцій;
  • електрична — пов’язана з електричним і магнітним полями;
  • променева — переноситься світлом та іншим електромагнітним випромінюванням.

Можна навести такі приклади переходу одного виду енергії в інший:

  • стрибки на лижах із трампліна;
  • катання на рампах для скейтбордистів, фріскейтерів, ролерів;
  • розхитування на гойдалках.

Дослід. «Автомобіль із гумовим мотором»

Тобі знадобляться:

  • 1) використаний компакт-диск — 2 шт.;
  • 2) шпатель дерев’яний довжиною 14 см — 3 шт.;
  • 3) кришка діаметром 28 мм для пластикової пляшки;
  • 4) резинки діаметром 60 мм — 6 шт.;
  • 5) ізоляційна стрічка;
  • 6) упор для резинок (олівець або паличка довжиною 7-8 см);
  • 7) олівець довжиною 17-18 см.

Виготовлення пристрою:

  • а) з’єднай компакт-диски, шпателі й пластикову кришку, як показано на фото 1, 2 (див. с. 122);
  • б) протягни резинки крізь отвори в компакт-дисках і зафіксуй їх за допомогою упора для резинок і олівця, як на фото 3, 4.

1. Підготуй поверхню підлоги.

2. За допомогою олівця скрути резинку, зробивши певну кількість обертів (вона визначаються шляхом досліду).

3. Обіпри кінець олівця, який повинен виступати за контур компакт-диска приблизно на 2 см, об поверхню підлоги.

4. Відпусти пристрій:

Спостерігай: пристосування рухається поверхнею підлоги.

Розбір досліду

Цей дослід демонструє дію закону збереження й перетворення механічної енергії.

Потенціальна енергія (у цьому експерименті — енергія пружної деформації) накопичується в еластичних резинках, коли їх скручують олівцем. Коли скручена зв’язка резинок вивільняється, її потенціальна енергія, накопичена під час скручування, поступово переходить у кінетичну енергію пристрою. Розкручуючись, зв’язка резинок щільно притискає олівець до поверхні підлоги, і єдиним фізичним тілом, яке витрачає механічну енергію системи тіл, є компакт-диски пристрою, що обертаються навколо власної осі. Це дозволяє пристрою (умовно названому «автомобілем») переміщуватися (котитися) вперед поверхнею підлоги.

Пристрій припиняє свій рух (зупиняється), тому що для подолання сили тертя, яка діє на пристрій, що рухається, необхідно виконати певну роботу. Енергія для виконання цієї роботи спочатку була накопичена в скрученій зв’язці резинок, і під час руху пристрою енергія поступово витрачається.

Кілька слів про тертя в цьому досліді — тертя корисне чи шкідливе? Коли ми резинки натягуємо, скручуючи їх олівцем, упор для резинок міцніше притискає упор до поверхні компакт-диска. Між упором для резинок і поверхнею компакт-диска існує тертя спокою. Якби цього тертя не було, упор для резинок крутився б абсолютно вільно, і пристрій взагалі не можна було б завести навіть на один оберт. Це означає, що тут тертя спокою корисне, тому що допомагає роботі (руху) пристрою.

З іншого боку, олівець повинен легше ковзати по поверхні пластикової кришки. Це необхідно, щоб пристрій, обертаючись, просунувся далі. Це означає, що тут тертя ковзання шкідливе, тому що воно заважає роботі (руху) пристрою. Пластикова кришка була обрана в цьому експерименті через те, що між її поверхнею й поверхнею оболонки олівця, рівномірно вкритою лаком, коефіцієнт тертя буде невеликим.

Ізоляційна стрічка, надіта на краї компакт-дисків, забезпечує виникнення такого значення сили тертя спокою, яка дозволяє пристрою котитися поверхнею без прослизання (не «пробуксовувати», як кажуть шофери). Це означає, що тут тертя спокою корисне, тому що допомагає роботі пристрою, збільшуючи зчеплення компакт-дисків із поверхнею підлоги.

У пристрою є тертя ще в одному місці — це тертя кінчика олівця об поверхню підлоги, по якій олівець «повзе» слідом за пристроєм. Це означає, що тут тертя ковзання шкідливе, тому що воно заважає роботі (затримує рух уперед) пристрою.

Але тут важко щось зробити, аби зменшити тертя.

Висновок:

  • 1) там, де частини механізму повинні рухатись, тертя шкідливе, і його необхідно зменшувати;
  • 2) там, де частини механізму не повинні рухатись, де необхідне хороше зчеплення, тертя корисне, і його треба збільшувати.

От і закінчилась наша подорож. Є така прикмета: щоб повернутися у якесь місце, потрібно кинути у воду монетку. Кинемо і ми монетку з палуби теплохода.

Спочатку ми підкинемо її вгору. Кінетична енергія буде перетворюватися в потенціальну, доки не стане рівною нулю. Тоді монетка зупиниться, а потенціальна енергія стане максимальною.

Під час падіння, навпаки, потенціальна енергія буде зменшуватися, а кінетична — зростати, доки монета не досягне поверхні води. Під час польоту на неї діятиме сила опору повітря й трохи гальмувати її. До речі, робота цієї сили мас знак мінус. При цьому частина механічної енергії перейде у внутрішню енергію й буде витрачена на нагрівання повітря та монети. Звісно, це невелика енергія, і суттєвого впливу на рух монети опір повітря не здійснює. Але хіба можна сказати таке про падіння парашутиста або метеорита?

Нарешті, монета впаде у воду. Її швидкість зменшиться, бо на нагрівання води витрачатиметься більше механічної енергії.

Коли монетка падає у воді, найближчі шари води «прилипають» до неї, а інші рухаються з меншими швидкостями.

Нарешті, при досяганні дна вся механічна енергія перейде у внутрішню енергію оточуючого середовища.

Задачі

  • 1. Маса тенісного м’яча 58,5 г. Яку кінетичну енергію мав передати йому тенісист Іво Карлович, щоб установити офіційний рекорд швидкості тенісного м’яча після удару — 251 км/год?
  • 2. Яка пружна енергія накопичується в сухожиллі спортсмена, що під час стрибка розтягується на 9 мм, якщо його жорсткість 10 кН/м?
  • 3. Підкинемо монетку (2 гривні) зі швидкістю 7 м/с вертикально вгору. На яку висоту вона підлетить, якщо не враховувати опір повітря? В цій і наступній задачі прискорення вільного падіння доцільно взяти 9,8 м/с2.
  • 4. Ми не стали ловити монетку, і вона впала у воду. З якою швидкістю вона ввійде у воду, якщо ми стоїмо на другій палубі на висоті 7,5 м над поверхнею води? Яку енергію монетка витратить на нагрівання води і дна, якщо її маса дорівнює 4 г, а глибина занурення — 12 м?
  • 5. Спортсмен масою 70 кг здійснює стрибок з парашутом з висоти 1200 метрів. Швидкість його приземлення — приблизно 5 м/с. Яка частина (у відсотках) механічної енергії перейшла «по дорозі» у внутрішню? З якої висоти мав би стрибнути спортсмен без парашута, щоб приземлитися з тією самою швидкістю?
  • 6. Коли дельфін вистрибує з води, він може піднятися на висоту 5 метрів над її поверхнею. Яка початкова швидкість дельфіна?

Цікаві факти

Кінська сила — це насправді не сила, а потужність. Поняття «кінська сила» увів шотландець Джеймс Ватт для опису потужності своїх парових машин. Спостерігаючи за кіньми на вугільних копальнях, Ватт вирахував, що середньостатистичний кінь здатен протягом тривалого часу піднімати із шахти вантаж вагою близько 75 кілограмів зі швидкістю один метр за секунду (що дорівнює 3,6 км/год). Ця потужність і була прийнята за одну кінську силу (скорочено к. с.).

Із цією швидкістю кінь може довго тягнути лише 15 % своєї ваги, тобто кінь вагою 500 кг розвиває потужність 1 к. с. У сучасних одиницях це 735 Вт. Однак коні мають різну вагу. Поні вагою 170 кг навряд чи покаже більше третини кінської сили, а півторатонний ваговоз може працювати за трьох коней. У ривку середній кінь здатен розвивати потужність до 15 к. с.

Ми з тобою живемо на планеті Земля. Її адреса — Галактика Чумацький Шлях, Сонячна система. Сонце — це джерело енергії, яка бере участь у майже всіх процесах, що відбуваються на Землі. Кожну секунду воно випромінює енергію 386 мільярдів МДж. (До речі, пригадай, як це число записати в стандартній формі). Коли ця енергія досягає Землі, на кожен квадратний метр має «приходити» за секунду 1367 Дж (величину 1367 Вт/м2 називають сонячною сталою). Але коли ця енергія проходить через атмосферу, то за рахунок поглинання вона зменшується приблизно в 5 разів. Це та енергія, яка дає нашій планеті життя.

Кисень у нашому повітрі й органічні речовини — результат фотосинтезу, який відбувається в рослинах під дією сонячних променів. Гігантський «тепловий насос» веде до пересування великих мас повітря й кругообігу води в природі. Енергія вітру, води, органічних видів палива, не кажучи вже про сонячні електростанції — це також результат впливу Сонця. У всіх цих процесах відбувається перетворення сонячної енергії на інші види енергії.

Відповіді до задач

Попередня
Сторінка
Наступна
Сторінка

Зміст