La energía es lo que hace posible la vida no sólo en nuestro planeta, sino también en el Universo. Sin embargo, puede ser muy diferente. Así, el calor, el sonido, la luz, la electricidad, las microondas, las calorías son diferentes tipos energía. Esta sustancia es necesaria para todos los procesos que ocurren a nuestro alrededor. Todo en la Tierra recibe la mayor parte de su energía del Sol, pero existen otras fuentes. El Sol transmite a nuestro planeta tanto como lo producirían al mismo tiempo 100 millones de las centrales eléctricas más potentes.

¿Qué es energía?

La teoría propuesta por Albert Einstein examina la relación entre materia y energía. Este gran científico pudo demostrar la capacidad de una sustancia para transformarse en otra. Resultó que la energía es el factor más importante en la existencia de los cuerpos y la materia es secundaria.

La energía es, en general, la capacidad de realizar algún tipo de trabajo. Es ella quien está detrás del concepto de fuerza capaz de mover un cuerpo o darle nuevas propiedades. ¿Qué significa el término “energía”? La física es a la que han dedicado su vida muchos científicos de diferentes épocas y países. Aristóteles también utilizó la palabra "energía" para denotar la actividad humana. Traducido del griego, "energía" es "actividad", "fuerza", "acción", "poder". La primera vez que apareció esta palabra fue en el tratado de un científico griego llamado “Física”.

En el sentido hoy generalmente aceptado, este término fue introducido en uso por un físico inglés, y este importante acontecimiento ocurrió en 1807. En los años 50 del siglo XIX. El mecánico inglés William Thomson utilizó por primera vez el concepto de “energía cinética” y en 1853 el físico escocés William Rankine introdujo el término “energía cinética”. energía potencial».

Hoy en día esta cantidad escalar está presente en todas las ramas de la física. es una sola medida diversas formas movimiento e interacción de la materia. En otras palabras, representa una medida de la transformación de una forma en otra.

Unidades de medida y símbolos.

Se mide la cantidad de energía. Esta unidad especial, dependiendo del tipo de energía, puede tener diferentes denominaciones, por ejemplo:

• W es la energía total del sistema.
• Q - térmico.
• U - potencial.

Tipos de energía

En la naturaleza hay muchos diferentes tipos energía. Los principales son:

• mecánico;
• electromagnético;
• eléctrico;
• químico;
• térmico;
• nuclear (atómico).

Existen otros tipos de energía: luminosa, sonora, magnética. EN últimos años Un número cada vez mayor de físicos se inclina por la hipótesis de la existencia de la llamada energía "oscura". Cada uno de los tipos de esta sustancia enumerados anteriormente tiene sus propias características. Por ejemplo, la energía sonora se puede transmitir mediante ondas. Contribuyen a la vibración de los tímpanos en los oídos de personas y animales, gracias a lo cual se pueden escuchar los sonidos. Durante diversas reacciones químicas, se libera la energía necesaria para la vida de todos los organismos. Cualquier combustible, comida, baterías, baterías son un almacenamiento de esta energía.

Nuestra estrella aporta energía a la Tierra en forma de ondas electromagnéticas. Sólo así podrá superar la inmensidad del espacio. Gracias a tecnologías modernas, como los paneles solares, podemos utilizarlos con el mayor efecto. El exceso de energía no utilizada se acumula en instalaciones especiales de almacenamiento de energía. Junto con los tipos de energía mencionados anteriormente, a menudo se utilizan fuentes termales, ríos, océanos y biocombustibles.

Energía mecánica

Este tipo de energía se estudia en la rama de la física denominada “Mecánica”. Se designa con la letra E. Se mide en julios (J). ¿Qué es esta energía? La física mecánica estudia el movimiento de los cuerpos y su interacción entre sí o con campos externos. En este caso, la energía debida al movimiento de los cuerpos se llama cinética (denotada por Ek), y la energía debida a campos externos o externos se llama potencial (Ep). La suma del movimiento y la interacción representa la energía mecánica total del sistema.

Existe una regla general para calcular ambos tipos. Para determinar la cantidad de energía, es necesario calcular el trabajo necesario para transferir el cuerpo del estado cero al estado dado. Además, cuanto más trabajo, más energía tendrá el cuerpo en un estado determinado.

Separación de especies según diferentes características.

Hay varios tipos de intercambio de energía. Según diversos criterios, se divide en: externo (cinético y potencial) e interno (mecánico, térmico, electromagnético, nuclear, gravitacional). La energía electromagnética, a su vez, se divide en magnética y eléctrica, y la energía nuclear en energía de interacciones débiles y fuertes.

Cinético

Cualquier cuerpo en movimiento se caracteriza por la presencia de energía cinética. A menudo se le llama la fuerza impulsora. La energía de un cuerpo en movimiento se pierde cuando frena. Por tanto, cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la energía cinética.

Cuando un cuerpo en movimiento entra en contacto con un objeto estacionario, una parte cinética se transfiere a este último, provocando que se mueva. La fórmula de la energía cinética es la siguiente:

• mi k = mv 2: 2,
  donde m es la masa del cuerpo, v es la velocidad de movimiento del cuerpo.

En palabras, esta fórmula se puede expresar de la siguiente manera: la energía cinética de un objeto es igual a la mitad del producto de su masa por el cuadrado de su velocidad.

Potencial

Este tipo de energía la poseen los cuerpos que se encuentran en algún tipo de campo de fuerza. Por tanto, lo magnético se produce cuando un objeto se expone a un campo magnético. Todos los cuerpos de la Tierra tienen energía gravitacional potencial.

Dependiendo de las propiedades de los objetos de estudio, estos pueden tener diferentes tipos de energía potencial. Así, los cuerpos elásticos y elásticos que son capaces de estirarse tienen energía potencial de elasticidad o tensión. Cualquier cuerpo que cae y que antes estaba inmóvil pierde potencial y adquiere cinética. En este caso, la magnitud de estos dos tipos será equivalente. En el campo gravitacional de nuestro planeta, la fórmula de la energía potencial tendrá la siguiente forma:

• mi p = mghg,
  donde m es el peso corporal; h es la altura del centro de masa corporal por encima del nivel cero; g es la aceleración de la caída libre.

En palabras, esta fórmula se puede expresar de la siguiente manera: la energía potencial de un objeto que interactúa con la Tierra es igual al producto de su masa, la aceleración de la gravedad y la altura a la que se encuentra.

Esta cantidad escalar es una característica de la reserva de energía de un punto material (cuerpo) ubicado en un campo de fuerza potencial y que se utiliza para adquirir energía cinética debido al trabajo de las fuerzas del campo. A veces se le llama función de coordenadas, que es un término en Langrangiano del sistema (la función de Lagrange del sistema dinámico). Este sistema describe su interacción.

La energía potencial se equipara a cero para una determinada configuración de cuerpos ubicados en el espacio. La elección de la configuración está determinada por la conveniencia de realizar cálculos adicionales y se denomina "normalización de la energía potencial".

Ley de conservación de la energía.

Uno de los postulados más básicos de la física es la Ley de Conservación de la Energía. Según él, la energía no aparece de ningún lado ni desaparece por ningún lado. Cambia constantemente de una forma a otra. En otras palabras, sólo se produce un cambio de energía. Por ejemplo, la energía química de la batería de una linterna se convierte en energía eléctrica y de ésta en luz y calor. Varios electrodomésticos convierten la electricidad en luz, calor o sonido. En la mayoría de los casos, el resultado final del cambio es calor y luz. Después de esto, la energía pasa al espacio circundante.

La ley de la energía es capaz de explicar que muchos científicos afirman que el volumen total de energía en el universo permanece constantemente sin cambios. Nadie puede volver a crear energía ni destruirla. Al producir uno de sus tipos, la gente utiliza la energía del combustible, el agua que cae y un átomo. En este caso, un tipo se convierte en otro.

En 1918, los científicos pudieron demostrar que la ley de conservación de la energía es una consecuencia matemática de la simetría traslacional del tiempo: el valor de la energía conjugada. En otras palabras, la energía se conserva porque las leyes de la física no difieren en distintos momentos.

Características energéticas

La energía es la capacidad del cuerpo para realizar un trabajo. En sistemas físicos cerrados, se conserva durante todo el tiempo (mientras el sistema esté cerrado) y representa una de las tres integrales aditivas de movimiento que conservan su valor durante el movimiento. Estos incluyen: energía, momento La introducción del concepto de "energía" es apropiada cuando el sistema físico es homogéneo en el tiempo.

Energía interna de los cuerpos.

Es la suma de las energías de las interacciones moleculares y de los movimientos térmicos de las moléculas que lo componen. No se puede medir directamente porque es una función única del estado del sistema. Siempre que el sistema se encuentra en un estado determinado, energía interna tiene un significado inherente, independientemente de la historia del sistema. Cambio en la energía interna durante la transición de uno. condición física en otro siempre es igual a la diferencia entre sus valores en el estado final e inicial.

Energía interna del gas.

Además de los sólidos, los gases también tienen energía. Representa la energía cinética del movimiento térmico (caótico) de las partículas del sistema, que incluyen átomos, moléculas, electrones y núcleos. La energía interna de un gas ideal (un modelo matemático de un gas) es la suma de las energías cinéticas de sus partículas. En este caso se tiene en cuenta el número de grados de libertad, que es el número de variables independientes que determinan la posición de la molécula en el espacio.

Cada año la humanidad consume cada vez más recursos energéticos. Muy a menudo, los hidrocarburos fósiles como el carbón, el petróleo y el gas se utilizan para obtener la energía necesaria para iluminar y calentar nuestros hogares, el funcionamiento de vehículos y diversos mecanismos. Se refieren a

Lamentablemente, sólo una pequeña parte de la energía de nuestro planeta proviene de recursos renovables como el agua, el viento y el sol. Hoy su participación en el sector energético es sólo del 5%. La gente recibe otro 3% en forma de energía nuclear producida en las centrales nucleares.

Los recursos no renovables tienen las siguientes reservas (en julios):

• energía nuclear - 2 x 10 24;
• energía de gas y petróleo - 2 x 10 23;
• el calor interno del planeta es 5 x 10 20.

Valor anual de los recursos renovables de la Tierra:

• energía solar - 2 x 10 24;
• viento - 6 x 10 21;
• ríos - 6,5 x 10 19;
• mareas del mar - 2,5 x 10 23.

Sólo con una transición oportuna del uso de las reservas de energía no renovables de la Tierra a otras renovables, la humanidad tendrá la oportunidad de una existencia larga y feliz en nuestro planeta. Para implementar desarrollos avanzados, los científicos de todo el mundo continúan estudiando cuidadosamente las diversas propiedades de la energía.

¿Qué tienen que ver con esto las “condiciones para convertir un tipo de energía en otro” y la “conservación de las leyes en el tiempo”?

Existe tal teorema de Noether. Esto ocurre en matemáticas, ni siquiera en física, estrictamente hablando. Ella dice que si un determinado sistema de ecuaciones tiene algún tipo de simetría, entonces también habrá algo que no cambiará durante las transformaciones dentro del marco de esta simetría.

Bueno, si algo no cambia, entonces se “salva”. Todas las "leyes de conservación" físicas de algo son consecuencia de una u otra simetría de ecuaciones físicas.

La ley de conservación de la energía es solo una de las muchas leyes de conservación física, algunas de las cuales también conoces (por ejemplo, la ley de conservación del momento, la ley de conservación del momento angular, la ley de conservación de la carga eléctrica). Y cada una de las leyes de conservación física refleja una de las simetrías de las ecuaciones físicas.

Por ejemplo, el transporte paralelo en el espacio no cambia las leyes físicas ni la forma de las ecuaciones físicas que reflejan estas leyes. Una consecuencia de este hecho es la conservación del impulso de cualquier sistema cerrado. Y si las leyes físicas y las ecuaciones que las describen cambiaran durante tal transferencia, no habríamos conservado el impulso total.

La situación es similar con la transferencia de tiempo. Dado que y mientras las leyes físicas no cambien con el tiempo, la energía total de un sistema cerrado no cambia. En consecuencia, el hecho de la inmutabilidad de las leyes físicas "permite" que los "tipos de energía" individuales cambien sólo de tal manera que se conserve la energía total (total) de un sistema cerrado. En consecuencia, un aumento de un tipo de energía, lo quiera o no, SIEMPRE va acompañado de una disminución de otro, de modo que la cantidad no cambia. Y si la energía total de un sistema cerrado comienza a cambiar con el tiempo, entonces las leyes físicas han comenzado a cambiar. Hasta ahora no se ha registrado tal fenómeno, pero ¿quién sabe qué pasó, por ejemplo, en el momento del surgimiento de nuestro Universo? O qué sucederá dentro de miles de millones de años.

Así, GLOBALmente la conservación de la energía es sinónimo (consecuencia, equivalente) de la constancia de las leyes físicas en el tiempo. La condición de conservación es la causa fundamental universal de la transición de un "tipo de energía" a otro. Dado que la suma no cambia, los términos sólo pueden cambiar a expensas de los demás. Bueno, los mecanismos físicos de implementación más específicos serán diferentes en diferentes casos.

Con la conservación del impulso y otras leyes de conservación, la historia es exactamente la misma.

Está claro que los electrones y sus componentes participan directamente en la conversión de energía, pero ¿qué sucede exactamente?

Un átomo o grupo de átomos que interactúan tiene ciertos niveles de energía correspondientes a su estado estable. Más precisamente, estos niveles corresponden no tanto al estado del átomo o de los átomos en su conjunto, sino al estado de sus electrones.

¿De dónde provienen estos niveles de energía y sus correspondientes estados? Los estados son soluciones estacionarias de las ecuaciones de la mecánica cuántica y el nivel de energía es un número característico (o, si se prefiere, un parámetro del sistema) en el que se puede encontrar una solución estacionaria. Un átomo o sistema de átomos puede tener cualquier otra energía sólo durante un tiempo muy corto (el estado no es estacionario) y seguramente pasará a uno de los estados estacionarios.

Consideremos ahora una situación en la que 1) dos átomos estaban lejos el uno del otro y 2) estaban muy cerca. En el segundo caso, los campos eléctricos de los núcleos cargados se superpondrán. Los electrones en un campo conjunto de este tipo tendrán estados estacionarios diferentes que en la situación de dos átomos alejados uno del otro. Y otros estados tienen otras (sus) energías.

Ahora comparamos los valores más bajos de los niveles de energía estacionarios en el primer y segundo caso. Si en el segundo la energía es menor, entonces es "beneficioso" que los átomos se unan en una molécula y emitan el exceso de energía (entonces el fotón emitido volará a algún lugar lejano o, por el contrario, interactuará muchas veces y será reemitido). con otros átomos y su energía se convertirá en energía cinética del movimiento caótico de los átomos, es decir, en calor). Aquí tienes la formación de una molécula diatómica con la liberación de energía durante una reacción química.

En el caso contrario, la energía interna mínima de la molécula es mayor que la suma de las energías mínimas de los dos átomos. ¿Pueden tales átomos formar una molécula? Sí, si primero obtienen una diferencia de energía de alguna parte. Por ejemplo, un átomo podría tener no la energía más baja posible, sino una energía más alta. ¿Por qué? Bueno, absorbió un fotón, pero no tuvo tiempo de devolverlo. O chocó con otro átomo y se excitó debido a la energía de la colisión (la energía cinética de la visión térmica se convirtió en energía interna del átomo y aún no se ha emitido). Y dado que la energía de uno de los átomos no es mínima, entonces puede resultar "rentable" crear una molécula y "caer" en su energía mínima. He aquí un ejemplo de una reacción química con absorción de energía: algo excita un átomo gastando su energía, y sólo gracias a esto el átomo pudo reaccionar con su vecino. Y la energía absorbida antes de la reacción permaneció dentro de la molécula. Esta energía interna sólo se liberará después de la destrucción de la molécula.

¿Y en esto sólo intervienen electrones?

Electrones y campos eléctricos de los núcleos con los que interactúan los electrones. Cualquier reacción química es un cambio en el estado de las capas electrónicas.

¿Por qué no están involucrados los núcleos? Porque los núcleos son incomparablemente más pesados ​​que los electrones. El Sol tampoco reacciona con dificultad ante la aproximación o la distancia de la Tierra: es demasiado pesado para que se mueva de forma perceptible por una bagatela así. Entonces los núcleos atómicos no están invertidos. atención especial sobre lo que está pasando con sus electrones

Los propios núcleos tampoco se desintegran debido al campo eléctrico de los electrones. Fuerzas internas Los quarks que se encuentran en el núcleo son incomparablemente más potentes que los campos eléctricos del átomo.

Por esta razón, la mecánica cuántica resuelve el problema del control de los electrones en el campo de los núcleos, pero no está interesada en el comportamiento de los núcleos en el campo de los electrones; se trata de una corrección tan pequeña que no se puede medir. En consecuencia, toda química es el comportamiento de las capas de electrones en los campos de uno o varios núcleos. Y cuando se trata del comportamiento del propio núcleo, no hay tiempo para la química.

Estrechamente relacionado con el concepto de trabajo hay otro concepto físico fundamental: el concepto de energía. Dado que la mecánica estudia, en primer lugar, el movimiento de los cuerpos y, en segundo lugar, la interacción de los cuerpos entre sí, se acostumbra distinguir entre dos tipos. energía mecánica: energía cinética, causado por el movimiento del cuerpo, y energía potencial, causado por la interacción de un cuerpo con otros cuerpos.

Energía cinética sistema mecánico llamada energíadependiendo de la velocidad de movimiento de los puntos de este sistema.

Se puede encontrar una expresión para la energía cinética determinando el trabajo de la fuerza resultante aplicada a un punto material. Con base en (2.24), escribimos la fórmula para el trabajo elemental de la fuerza resultante:

Porque
, entonces dA = mυdυ. (2.25)

Para encontrar el trabajo realizado por la fuerza resultante cuando la velocidad del cuerpo cambia de υ 1 a υ 2, integramos la expresión (2.29):

(2.26)

Dado que el trabajo es una medida de la transferencia de energía de un cuerpo a otro, entonces

Con base en (2.30), escribimos que la cantidad hay energía cinética

cuerpo:
de donde en lugar de (1.44) obtenemos

(2.27)

El teorema expresado por la fórmula (2.30) suele denominarse teorema de la energía cinética . De acuerdo con él, el trabajo de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo (o sistema de cuerpos) es igual al cambio en la energía cinética de este cuerpo (o sistema de cuerpos).

Del teorema de la energía cinética se deduce significado físico de la energía cinética : La energía cinética de un cuerpo es igual al trabajo que es capaz de realizar en el proceso de reducir su velocidad a cero. Cuanto mayor sea la “reserva” de energía cinética que tenga un cuerpo, mayor gran trabajo es capaz de realizar.

La energía cinética de un sistema es igual a la suma de las energías cinéticas de los puntos materiales que componen este sistema:

(2.28)

Si el trabajo de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo es positivo, entonces la energía cinética del cuerpo aumenta; si el trabajo es negativo, entonces la energía cinética disminuye.

Es obvio que el trabajo elemental de la resultante de todas las fuerzas aplicadas al cuerpo será igual al cambio elemental en la energía cinética del cuerpo:

dA = dEk (2.29)

En conclusión, observamos que la energía cinética, como la velocidad del movimiento, es relativa. Por ejemplo, la energía cinética de un pasajero sentado en un tren será diferente si consideramos el movimiento con respecto a la superficie de la carretera o con respecto al vagón.

§2.7 Energía potencial

El segundo tipo de energía mecánica es energía potencial – energía debido a la interacción de los cuerpos.

La energía potencial no caracteriza ninguna interacción de los cuerpos, sino sólo la que se describe mediante fuerzas que no dependen de la velocidad. La mayoría de las fuerzas (gravedad, elasticidad, fuerzas gravitacionales, etc.) son sólo eso; la única excepción son las fuerzas de fricción. El trabajo de las fuerzas consideradas no depende de la forma de la trayectoria, sino que está determinado únicamente por sus posiciones inicial y final. El trabajo realizado por tales fuerzas en una trayectoria cerrada es cero.

Las fuerzas cuyo trabajo no depende de la forma de la trayectoria, sino que depende únicamente de la posición inicial y final del punto material (cuerpo) se llaman fuerzas potenciales o conservativas .

Si un cuerpo interactúa con su entorno a través de fuerzas potenciales, entonces se puede introducir el concepto de energía potencial para caracterizar esta interacción.

Potencial es la energía provocada por la interacción de los cuerpos y en función de su posición relativa.

Encontremos la energía potencial de un cuerpo elevado sobre el suelo. Sea un cuerpo de masa m que se mueva uniformemente en un campo gravitacional desde la posición 1 a la posición 2 a lo largo de una superficie cuya sección transversal por el plano del dibujo se muestra en la figura. 2.8. Esta sección es la trayectoria de un punto material (cuerpo). Si no hay fricción, entonces actúan tres fuerzas sobre el punto:

1) la fuerza N desde la superficie es normal a la superficie, el trabajo de esta fuerza es cero;

2) gravedad mg, el trabajo de esta fuerza A 12;

3) fuerza de tracción F de algún organismo motriz (motor de combustión interna, motor eléctrico, persona, etc.); Denotemos el trabajo de esta fuerza por A T.

Consideremos el trabajo de la gravedad al mover un cuerpo a lo largo de un plano inclinado de longitud ℓ (figura 2.9). Como se puede ver en esta figura, el trabajo es igual a

A" = mgℓ cosα = mgℓ cos(90° + α) = - mgℓ sinα

Del triángulo ВСD tenemos ℓ sinα = h, por lo que de la última fórmula se sigue:

La trayectoria de un cuerpo (ver Fig. 2.8) se puede representar esquemáticamente mediante pequeñas secciones de un plano inclinado, por lo tanto, para el trabajo de la gravedad en toda la trayectoria 1 -2, es válida la siguiente expresión:

A 12 =mg (h 1 -h 2) =-(mg h 2 - mg h 1) (2.30)

Entonces, El trabajo de la gravedad no depende de la trayectoria del cuerpo, sino de la diferencia en las alturas de los puntos inicial y final de la trayectoria.

Tamaño

e n = mg h (2.31)

llamado energía potencial un punto material (cuerpo) de masa m elevado sobre el suelo a una altura h. Por tanto, la fórmula (2.30) se puede reescribir de la siguiente manera:

A 12 = =-(En 2 - En 1) o A 12 = =-ΔEn (2.32)

El trabajo de la gravedad es igual al cambio en la energía potencial de los cuerpos tomado con el signo opuesto, es decir, la diferencia entre su final y su inicial.valores (teorema de la energía potencial ).

Se puede dar un razonamiento similar para un cuerpo deformado elásticamente.

(2.33)

Tenga en cuenta que la diferencia de energías potenciales tiene un significado físico como cantidad que determina el trabajo de las fuerzas conservativas. En este sentido, no importa a qué posición o configuración se le debe atribuir energía potencial cero.

Del teorema de la energía potencial se puede obtener un corolario muy importante: Las fuerzas conservadoras siempre están dirigidas hacia una energía potencial decreciente. El patrón establecido se manifiesta en el hecho de que cualquier sistema abandonado a sí mismo siempre tiende a pasar a un estado en el que su energía potencial tiene el menor valor. Esto es principio de energía potencial mínima .

Si un sistema en un estado dado no tiene energía potencial mínima, entonces este estado se llama energéticamente desfavorable.

Si la bola está en el fondo de un cuenco cóncavo (figura 2.10, a), donde su energía potencial es mínima (en comparación con sus valores en posiciones vecinas), entonces su estado es más favorable. El equilibrio de la pelota en este caso es sostenible: Si mueves la pelota hacia un lado y la sueltas, volverá a su posición original.

Por ejemplo, la posición de la pelota en la parte superior de una superficie convexa es energéticamente desfavorable (figura 2.10, b). La suma de las fuerzas que actúan sobre la pelota es cero y, por tanto, esta pelota estará en equilibrio. Sin embargo, este equilibrio es inestable: el más mínimo impacto es suficiente para que ruede hacia abajo y pase así a un estado energéticamente más favorable, es decir tener menos

PAG energía potencial.

En indiferente En equilibrio (figura 2.10, c), la energía potencial de un cuerpo es igual a la energía potencial de todos sus posibles estados más cercanos.

En la Figura 2.11, puede indicar alguna región limitada del espacio (por ejemplo, CD), en la que la energía potencial es menor que fuera de ella. Esta zona fue nombrada pozo potencial .

Condicionado por el movimiento.

En términos simples, la energía cinética es la energía que tiene un cuerpo sólo cuando se mueve. Cuando un cuerpo no se mueve, la energía cinética es cero.

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  El concepto de energía cinética se introdujo por primera vez en las obras de Gottfried Leibniz (1695), dedicadas al concepto de “fuerza viva”.

  Significado físico

  Consideremos un sistema que consta de un punto material y escribamos la segunda ley de Newton:

  m a → = F → , (\displaystyle m(\vec (a))=(\vec (F)),)

  Dónde F → (\displaystyle (\vec (F)))- es la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. Multipliquemos escalarmente la ecuación por el desplazamiento del punto material. d s → = v → d t (\displaystyle (\rm (d))(\vec (s))=(\vec (v))(\rm (d))t). Teniendo en cuenta que

  a → = re v → re t , (\displaystyle (\vec (a))=(\frac ((\rm (d))(\vec (v)))((\rm (d))t)),) re (metro v 2 2) = F → re s → . (\displaystyle (\rm (d))\left(((mv^(2)) \over (2))\right)=(\vec (F))(\rm (d))(\vec (s )).)

  Si el sistema es cerrado, es decir, no hay fuerzas externas al sistema, o la resultante de todas las fuerzas es cero, entonces

  d (m v 2 2) = 0 , (\displaystyle d\left(((mv^(2)) \over (2))\right)=0,)

  y la magnitud

  T = m v 2 2 (\displaystyle T=((mv^(2)) \sobre 2))

  permanece constante. Esta cantidad se llama energía cinética punto material. Si el sistema está aislado, entonces la energía cinética es la integral del movimiento.

  - momento de inercia del cuerpo

  ω → (\displaystyle (\vec (\omega )))- velocidad angular del cuerpo.

  Significado físico del trabajo.

  Un 12 = T 2 - T 1 . (\displaystyle \A_(12)=T_(2)-T_(1).)

  Energía cinética del movimiento de rotación.

  Energía cinética en hidrodinámica.

  Relativismo

  Esta fórmula se puede reescribir de la siguiente manera.

  La energía potencial y cinética permite caracterizar el estado de cualquier cuerpo. Si el primero se utiliza en sistemas de objetos que interactúan, el segundo está asociado con su movimiento. Estos tipos de energía suelen considerarse cuando la fuerza que conecta los cuerpos es independiente de la trayectoria del movimiento. En este caso, sólo son importantes sus posiciones inicial y final.

  Información general y conceptos

  La energía cinética de un sistema es una de sus características más importantes. Los físicos distinguen dos tipos de dicha energía según el tipo de movimiento:

  Progresivo;

  Rotaciones.

  La energía cinética (E k) es la diferencia entre la energía total del sistema y la energía en reposo. En base a esto, podemos decir que es provocado por el movimiento del sistema. El cuerpo lo tiene sólo cuando se mueve. Cuando el objeto está en reposo, es igual a cero. La energía cinética de cualquier cuerpo depende únicamente de la velocidad del movimiento y de sus masas. La energía total de un sistema depende directamente de la velocidad de sus objetos y de la distancia entre ellos.

  Fórmulas básicas

  En el caso de que cualquier fuerza (F) actúe sobre un cuerpo en reposo para que entre en movimiento, podemos hablar de realizar un trabajo dA. En este caso, el valor de esta energía dE será mayor cuanto más trabajo se realice. En este caso, se cumple la siguiente igualdad: dA = dE.

  Teniendo en cuenta el camino recorrido por el cuerpo (dR) y su velocidad (dU), podemos utilizar la 2ª ley de Newton, en base a la cual: F = (dU/dE)*m.

  La ley anterior se utiliza sólo cuando existe un marco de referencia inercial. Hay otro matiz importante que se tiene en cuenta en los cálculos. El valor energético se ve afectado por la elección del sistema. Entonces, según el sistema SI, se mide en julios (J). La energía cinética de un cuerpo se caracteriza por la masa m, así como por la velocidad de movimiento υ. En este caso será: E k = ((υ*υ)*m)/2.

  Basándonos en la fórmula anterior, podemos concluir que la energía cinética está determinada por la masa y la velocidad. En otras palabras, representa una función del movimiento corporal.

  Energía en un sistema mecánico.

  

  La energía cinética es la energía de un sistema mecánico. Depende de la velocidad de movimiento de sus puntos. Esta energía de cualquier punto material está representada por la siguiente fórmula: E = 1/2mυ 2, donde m es la masa del punto y υ es su velocidad.

  Energía cinética sistema mecánico es la suma aritmética de las mismas energías de todos sus puntos. También se puede expresar mediante la siguiente fórmula: E k = 1/2Mυ c2 + Ec, donde υc es la velocidad del centro de masa, M es la masa del sistema, Ec es la energía cinética del sistema cuando se mueve. el centro de masa.

  Energía del cuerpo sólido

  

  La energía cinética de un cuerpo que se mueve traslacionalmente se define como la misma energía de un punto con una masa igual a la masa de todo el cuerpo. Para calcular los indicadores al moverse, se utilizan fórmulas más complejas. El cambio en esta energía del sistema en el momento de su movimiento de una posición a otra se produce bajo la influencia de fuerzas internas y externas aplicadas. Es igual a la suma del trabajo Aue y A"u de estas fuerzas durante este movimiento: E2 - E1 = ∑u Aue + ∑u A"u.

  Esta igualdad refleja un teorema sobre el cambio de energía cinética. Con su ayuda se resuelven diversos problemas mecánicos. Sin esta fórmula es imposible resolver una serie de problemas importantes.

  Energía cinética a altas velocidades.

  Si la velocidad del cuerpo es cercana a la velocidad de la luz, la energía cinética del punto material se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

  mi = m0c2/√1-υ2/c2 - m0c2,

  donde c es la velocidad de la luz en el vacío, m0 es la masa del punto, m0с2 es la energía del punto. A baja velocidad (υ

  

  Energía durante la rotación del sistema.

  Durante la rotación de un cuerpo alrededor de un eje, cada uno de sus volúmenes elementales de masa (mi) describe un círculo de radio ri. En este momento el volumen tiene una velocidad lineal υi. Al considerar un cuerpo sólido, la velocidad angular de rotación de todos los volúmenes será la misma: ω = υ1/r1 = υ2/r2 = … = υn/rn (1).

  La energía cinética de rotación de un cuerpo sólido es la suma de las mismas energías de sus volúmenes elementales: E = m1υ1 2/2 + miυi 2/2 +… + mnυn 2/2 (2).

  Usando la expresión (1), obtenemos la fórmula: E = Jz ω 2/2, donde Jz es el momento de inercia del cuerpo alrededor del eje Z.

  Al comparar todas las fórmulas, queda claro que el momento de inercia es una medida de la inercia de un cuerpo durante el movimiento de rotación. La fórmula (2) es adecuada para objetos que giran alrededor de un eje fijo.

  Movimiento del cuerpo plano

  La energía cinética de un cuerpo que desciende por un plano es la suma de la energía de rotación y del movimiento de traslación: E = mυc2/2 + Jz ω 2/2, donde m es la masa del cuerpo en movimiento, Jz es el momento de inercia del cuerpo alrededor del eje, υc es la velocidad del centro de masa, ω - velocidad angular.

  

  Cambio de energía en un sistema mecánico.

  El cambio en el valor de la energía cinética está estrechamente relacionado con la energía potencial. La esencia de este fenómeno se puede entender gracias a la ley de conservación de la energía en el sistema. La suma de E + dP durante el movimiento del cuerpo siempre será la misma. Un cambio en el valor de E siempre ocurre simultáneamente con un cambio en dP. Así, se transforman, como si fluyeran uno hacia el otro. Este fenómeno se puede encontrar en casi todos los sistemas mecánicos.

  Interrelación de energías

  Las energías potencial y cinética están estrechamente relacionadas. Su suma se puede representar como la energía total del sistema. A nivel molecular, es la energía interna del cuerpo. Está constantemente presente mientras exista al menos alguna interacción entre los cuerpos y el movimiento térmico.

  Seleccionar un sistema de referencia

  Para calcular el valor de la energía se selecciona un momento arbitrario (se considera el momento inicial) y un sistema de referencia. Es posible determinar el valor exacto de la energía potencial solo en la zona de influencia de fuerzas que no dependen de la trayectoria del cuerpo al realizar el trabajo. En física, estas fuerzas se denominan conservadoras. Tienen una conexión constante con la ley de conservación de la energía.

  

  La diferencia entre energía potencial y cinética.

  Si la influencia externa es mínima o reducida a cero, el sistema en estudio siempre gravitará hacia un estado en el que su energía potencial también tenderá a cero. Por ejemplo, una pelota lanzada hacia arriba alcanzará el límite de esta energía en el punto superior de su trayectoria y en el mismo momento comenzará a caer. En este momento, la energía acumulada durante el vuelo se convierte en movimiento (trabajo realizado). Para la energía potencial, en cualquier caso, existe una interacción de al menos dos cuerpos (en el ejemplo de la pelota, la gravedad del planeta influye en ella). La energía cinética se puede calcular individualmente para cualquier cuerpo en movimiento.

  Interrelación de diferentes energías.

  La energía potencial y cinética cambia exclusivamente durante la interacción de los cuerpos, cuando la fuerza que actúa sobre los cuerpos realiza un trabajo cuyo valor es diferente de cero. En un sistema cerrado, el trabajo realizado por la fuerza de gravedad o elasticidad es igual al cambio en la energía potencial de los objetos de signo “-”: A = - (Ep2 - Ep1).

  El trabajo realizado por la fuerza de gravedad o elasticidad es igual al cambio de energía: A = Ek2 - Ek1.

  De una comparación de ambas igualdades, se desprende claramente que el cambio de energía de los objetos en un sistema cerrado es igual al cambio de energía potencial y tiene signo opuesto: Ek2 - Ek1 = - (Ep2 - Ep1), o de lo contrario: Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.

  De esta igualdad se desprende claramente que la suma de estas dos energías de los cuerpos en un sistema mecánico cerrado y las fuerzas interactivas de elasticidad y gravedad siempre permanece constante. Con base en lo anterior, podemos concluir que en el proceso de estudio de un sistema mecánico se debe considerar la interacción de las energías potencial y cinética.