Кинетическая и потенциальная энергия определение. Чем отличается кинетическая энергия от потенциальной

Энергия. Кинетическая и потенциальная энергия

«Переворачивая каждый новый камень,

мы находим невообразимую странность,

ведущую нас к удивительным открытиям…»

Ричард Фейман

В этой теме познакомимся с очень важным физическим понятием – понятием энергии.

Люди часто употребляют слово энергия . Например, это электроэнергия, которая обеспечивает освещение в домах, освещение на улицах, да и работу различных приборов, таких, как компьютер, холодильник, микроволновая печь и так далее. Различные виды транспорта, такие как, автомобили, корабли, самолеты и так далее используют энергию топлива . Да и в самом человеке жизненные процессы поддерживаются за счет энергии, получаемой нами из пищи.

Понятие энергии связано с понятием работы. Например, человек может совершить работу, подняв рюкзак на некоторую высоту. На это он затрачивает энергию. Сам рюкзак не совершает работы, но если его резко отпустить, то он упадет и совершит работу, ударившись об землю. Также работу может совершать и движущийся автомобиль: его двигатель с некоторой силой тянет автомобиль, перемещая его на определенное расстояние. Более того, движущийся автомобиль может привести в движение какое-то неподвижное препятствие, оказавшееся у него на пути, а, значит, совершит работу.

Если тело способно совершить работу, то говорят, что оно обладает энергией. Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает. Таким образом, энергия – это физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело. Энергию обозначают буквой E и в системе СИ измеряют в джоулях (так же, как и работу).

[E ] = [Дж]

Совершенная работа равна изменению энергии. Энергия, как и работа, является скалярной величиной (она не может быть куда-либо направлена).

A = DE

Существует несколько видов энергии. В этой теме речь пойдёт только о двух видах энергии: кинетической энергией и потенциальной энергией . Кинетическая и потенциальная энергия , в общем случае, называется механической энергией .

Потенциальная энергия – это энергия, которая определяется взаимным расположением взаимодействующих тел (или же частей одного и того же тела) . Кинетическая энергия – это энергия, которой обладает всякое движущееся тело.

Рассмотрим потенциальную энергию. Название «потенциальная потенциа », которое в переводе на русский означает «возможность ». Скажем, поднятое над поверхностью Земли тело, обладает некоторой потенциальной энергией. Если считать, что потенциальная энергия тела, лежащего на поверхности Земли, равна нулю, то потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту, будет равна работе, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю. То есть, для того чтобы поднять тело на определенную высоту, нужно совершить работу против силы тяжести. Совершенная работа, равна изменению энергии. Но так как для поднятия тела нужно совершить работу против силы тяжести, работа равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком. Потенциальную энергию обозначают E п.

A = –DE п

Работа равна произведению силы и пути. Сила, в данном случае – это сила тяжести, путь – это высота, на которую поднято тело.

A = Fs

A = F тяж h

Таким образом, потенциальная энергия тела, поднятого над Землей на высоту h равна

E п = mgh

Очень большой потенциальной энергией обладает вода в реках, которую удерживают плотинами.

Из-за своей огромной массы эта вода может совершить огромную работу, падая даже с небольшой высоты. Именно это и используется людьми для создания гидроэлектростанций. Вода совершает работу, тем самым, заставляя гидротурбины вращаться. Вследствие этого, генераторы на электростанциях вырабатывают электроэнергию, которая потом передается в жилые дома, фабрики, заводы и так далее.

Необходимо отметить, что потенциальной энергией обладает всякое упруго деформированное тело . Если сжать пружину, то при распрямлении она способна будет совершить работу. Наиболее наглядный пример – это дверь на пружине: когда её открывают, совершают работу, растягивая пружину и, тем самым, сообщая ей некоторую энергию. А когда дверь отпускают, уже пружина сама совершает работу, и за счет сжатия, закрывает дверь.

Рассмотрим кинетическую энергию. Слово «кинетическая » происходит от латинского слова «кинема », которое переводится на русский язык как «движение ». Эту энергию обозначают E к. Идущий человек, едущий велосипедист или автомобиль обладают кинетической энергией. Можно сказать, что кинетическая энергия движущегося тела равна работе, которую нужно совершить, чтобы остановить это тело . Для того, чтобы определить, от чего зависит кинетическая энергия, проведем несколько опытов. Возьмем наклонную плоскость, а на горизонтальную плоскость положим брусок. С наклонной плоскости скатим шарик. После столкновения шарик переместит брусок на некоторое расстояние, то есть, совершит работу. Если скатить шарик с большей высоты, то он переместит брусок на большее расстояние, то есть, совершит больше работы. Это говорит нам о том, что шарик обладал большей энергией, чем в предыдущий раз. В чем же причина? Очевидно, что скатываясь с большей высоты, шарик набрал большую скорость. Из этого можно сделать вывод, что кинетическая энергия тем больше, чем больше скорость тела . Если скатить более массивный шарик с той же высоты, то брусок окажется ещё дальше, то есть, шарик совершит ещё большую работу, чем во второй раз. Значит, кинетическая энергия тем больше, чем больше масса тела . Это вполне логично: известно, что более массивное тело более инертно, то есть его сложнее остановить. И, конечно, чем быстрее движется тело, тем труднее остановить его. Кинетическая энергия вычисляется по формуле

То есть, кинетическая энергия равна половине произведения массы тела и квадрата его скорости .

Тело может обладать, как потенциальной, так и кинетической энергией одновременно. Рассмотрим несколько примеров. Кот, сидящий на дереве, обладает только потенциальной энергией. Он не двигается, но находится на определенной высоте над поверхностью Земли. Автомобиль, едущий по дороге, наоборот, обладает только кинетической энергией (он двигается, но находится на поверхности Земли, то есть, на нулевой высоте). А вот летящий самолет обладает и потенциальной, и кинетической энергией. Ведь он двигается с определенной скоростью и находится на определенной высоте. То же самое можно сказать и о летящей птице. В этом случае, полная механическая энергия тела будет равна сумме потенциальной и кинетической энергии.

Упражнения.

Задача 1. Найдите потенциальную энергию яблока, висящего на яблоне, на высоте 3 м над землей. Масса яблока равна 350 г.

Задача 2. Автомобиль массой 1,5 т едет со скоростью 60 км/ч, а автомобиль массой 9 ц едет со скоростью 80 км/ч. Определите, какой автомобиль обладает большей кинетической энергией?

Задача 3. Истребитель массой 26 т летит со скоростью три 3600 км/ч. Известно, что полная механическая энергия истребителя составляет 15 ГДж. На какой высоте летит истребитель?

Основные выводы:

– Энергия – это физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело.

– Энергия , как и работа , является скалярной величиной и измеряется в Дж (джоулях).

– Механическая энергия делится на два вида: кинетическая и потенциальная энергия.

– Потенциальная энергия – это энергия, которая определяется взаимным расположением взаимодействующих тел (или же частей одного и того же тела).

E п = mgh

– Кинетическая энергия – это энергия, которой обладает всякое движущееся тело.

Для приведения любого тела в движение обязательным условием является произведение работы . При этом, для выполнения данной работы необходимо израсходовать некоторую энергию.

Энергия характеризует тело с точки зрения возможности производить работу. Единицей измерения энергии является Джоуль , сокращенно [Дж].

Полная энергия любой механической системы эквивалентна суммарному значению потенциальной и кинетической энергии. Поэтому, принято выделять потенциальную и кинетическую энергию в качестве разновидностей механической энергии.

Если речь ведется о биомеханических системах, то полная энергия таких систем состоит дополнительно из тепловой и энергии обменных процессов.

В изолированных системах тел, когда на них действуют лишь сила тяжести и упругости, величина полной энергии неизменна. Это утверждение является законом сохранения энергии.

Что же из себя представляет и тот, и другой вид механической энергии?

О потенциальной энергии

Потенциальная энергия это энергия, определяемая взаимным положением тел, либо составляющих этих тел, взаимодействующих друг с другом. Иными словами, эта энергия определяется величиной расстояния между телами .

К примеру, когда тело падает вниз и приводит в движение окружающие тела на пути падения, сила тяжести производит положительную работу. И, наоборот, в случае поднятия тела вверх, можно говорить о производстве отрицательной работы.

Следовательно, каждое тело при нахождении на определенном расстоянии от земной поверхности обладает потенциальной энергией. Чем больше высота и масса тела, тем больше значение работы, совершаемой телом. В то же время, в первом примере, при падении тела вниз, потенциальная энергия будет отрицательной, а при поднятии потенциальная энергия положительна.

Это объясняется равенством работы силы тяжести по значению, но противоположностью по знаку изменению потенциальной энергии.

Также примером возникновения энергии взаимодействия может служить предмет, подверженный упругой деформации — сжатая пружинка : при распрямлении ей будет производиться работа силы упругости. Здесь речь идет о совершении работы вследствие изменения расположения составляющих тела относительно друг друга при упругой деформации.

Подытожив информацию, отметим, что абсолютно каждый предмет, на который воздействует сила тяжести или сила упругости, будет обладать энергией разницы потенциалов.

О кинетической энергии

Кинетической является энергия, которой начинают обладать тела вследствие совершения процесса движения . Исходя из этого, кинетическая энергия тел, находящихся в покое, равняется нулю.

Величина данной энергии эквивалентна величине работы, которую нужно совершить для выведения тела из состояния покоя и заставить его, тем самым, двигаться. Иными словами, кинетическую энергию можно выразить как разницу между полной энергией и энергией покоя.

Работа поступательного движения, которую производит движущееся тело, напрямую зависит от массы и скорости в квадрате. Работа вращательного движения зависит от момента инерции и квадрата угловой скорости.

Полная энергия движущихся тел включает в себя оба вида производимой работы, ее определяют, согласно следующему выражению: . Основные характеристики кинетической энергии:

Аддитивность – определяет кинетическую энергию как энергию системы, состоящую из совокупности материальных точек, и равную суммарной кинетической энергии каждой точки этой системы;
Инвариантность относительно поворота системы отсчета — кинетическая энергия независима от положения и направления скорости точки;
Сохранение – характеристика указывает, что кинетическая энергия систем неизменна при любых взаимодействиях, в случаях изменения только механической характеристики.

Примеры тел, обладающих потенциальной и кинетической энергией

Все предметы, поднятые и находящиеся на некотором расстоянии от земной поверхности в неподвижном состоянии, способны обладать потенциальной энергией. Как пример, это бетонная плита, поднятая краном , которая находится в неподвижном состоянии, взведенная пружина.

Кинетическую энергию имеют движущиеся транспортные средства, а также, в целом, любой катящийся предмет.

При этом, в природе, бытовых вопросах и в технике потенциальная энергия способна переходить в кинетическую, а кинетическая, в свою очередь, наоборот, в потенциальную энергию.

Мяч , который бросают с некоторой точки на высоте: в самом верхнем положении потенциальная энергия мячика максимальна, а значение кинетической энергии равно нулю, поскольку мяч не движется и пребывает в состоянии покоя. При снижении высоты потенциальная энергия соответственно постепенно уменьшается. Когда мячик достигнет земной поверхности, то он покатится; в данный момент кинетическая энергия увеличивается, а потенциальная будет равна нулю.

Кинетическая и потенциальная энергии.

Кинетическая энергия тела является мерой его механического движения и определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы вызвать данное движение тела. Если сила F действует на покоящееся тело и вызывает его движение со скоростью v, то она совершает работу, а энергия движущегося тела возрастает на величину затраченной работы. Таким образом, работа силы F на пути, который тело прошло за время возрастания скорости от 0 до v, идет на увеличение кинетической энергии тела, т. е. dA = dT.

Используя скалярную запись второго закона Ньютона F =mdv/dt и умножая обе части равенства на перемещение ds, получим

Так как

Таким образом, для тела массой т, движущегося со скоростью v, кинетическая энергия

Из формулы (12.1) видно, что кинетическая энергия зависит только от массы и скорости тела, т. е. кинетическая энергия системы есть функция состояния ее движения.

При выводе формулы (12.1) предполагалось, что движение рассматривается в инерциальной системе отсчета, так как иначе нельзя было бы использовать закон Ньютона. В разных инерциальных системах отсчета, движущихся друг относительно друга, скорость тела, а, следовательно, и его кинетическая энергия будут неодинаковы. Таким образом, кинетическая энергия зависит от выбора системы отсчета.

Потенциальная энергия - часть общей механической энергии системы, определяемая взаимным расположением тел и характером сил взаимодействия между ними.

Пусть взаимодействие тел осуществляется посредством силовых полей (например, поля упругих сил, поля гравитационных сил), характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного
положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Такие поля называются потенциальными, а силы, действующие в них,- консервативными. Если же работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такие силы называются диссипативными; примером их являются силы трения.

Тело, находясь в потенциальном поле сил, обладает потенциальной энергией П, которая определяется с точностью до некоторой произвольной постоянной. Это, однако, не отражается на физических законах, так как в них входит или разность потенциальных энергий в двух положениях тела, или производная П по координатам. Поэтому потенциальную энергию какого-то определенного положения тела считают равной нулю (выбирают нулевой уровень отсчета), а энергию других положений отсчитывают относительно нулевого уровня.

Потенциальная энергия тела обычно определяется работой, которую совершили бы действующие на него внешние силы, преодолевающие консервативные силы взаимодействия, перемещая его из конечного состояния, где потенциальная энергия равна нулю, в данное положение. Работа консервативных сил, приложенных к телу, равна изменению потенциальной энергии этого тела, взятому с обратным знаком, т. е.

так как работа совершается за счет убыли потенциальной энергии.

Поскольку работа dA есть скалярное произведение силы F на перемещение dr, то выражение (12.2) можно записать в виде

Следовательно, если известна функция П(г), то (12.3) полностью определяет силу F по модулю и направлению. В случае консервативных сил

или в векторном виде

где символом grad П обозначена сумма

(12.5)

где i, j, k- единичные векторы координатных осей. Вектор, определяемый выражением (12.5), называется градиентом скаляра П. Для него наряду с обозначением grad П применяется также обозначение Ñ П. Ñ(«набла») означает символический вектор, называемый оператором Гамильтона или набла-оператором:

(12.6)

Конкретный вид функции П зависит от характера силового поля. Например, потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту h над поверхностью Земли, равна

, (12.7)

где h - высота, отсчитанная от нулевого уровня, для которого П 0 = 0. Выражение (12.7) вытекает непосредственно из того, что потенциальная энергия равна работе силы тяжести: при падении тела с высоты h на поверхность Земли.

Так как начало отсчета выбирается произвольно, то потенциальная энергия может иметь отрицательное значение (кинетическая энергия всегда положительна!). Если принять за нуль потенциальную энергию тела, лежащего на поверхности Земли, то потенциальная энергия тела, находящегося на дне тахты (глубина h"),

Работа совершается в природе всегда, когда какое-либо тело в направлении его движения или против него действует сила (или несколько сил) со стороны другого тела (других тел).

Работа силы равна произведению модулей силы и перемещения точки приложения силы и на косинус угла между ними.

А= F · S ·соs , где А Дж); F – сила, (Н); S- перемещение, (м).

Энергия не создается и не уничтожается, а только превращается из одной формы в другую: из кинетической в потенциальную и наоборот. Учитывая значение Ек и Еп, закон сохранения механической

энергии можно записать так:

В состоянии 2 тело обладает кинетической энергией (так как уже развило скорость), но при этом потенциальная энергия уменьшилась, так как h 2 меньше h 1 . Часть потенциальной энергии перешло в кинетическую.

Состояние 3 — это состояние перед самой остановкой. Тело как бы только-только дотронулось до земли, при этом скорость максимальная. Тело обладает максимальной кинетической энергией. Потенциальная энергия равна нулю (тело находится на Земле).

Полные механические энергии равны между собой, если пренебрегать силой сопротивления воздуха.

Кинетической энергией тела называют физическую величину, которая равна половине произведения массы тела на его скорость в квадрате. Это энергия движения, она эквивалентна той работе, которую должна совершить сила, приложенная к телу в состоянии покоя, для того, чтобы сообщить ему заданную скорость. После удара кинетическая энергия может преобразоваться в иной вид энергии, например, в звуковую, световую или тепловую.

Утверждение, которое называют теоремой о кинетической энергии, говорит о том, что ее изменение является работой равнодействующей силы, приложенной к телу. Данная теорема справедлива всегда, даже если тело движется под действием непрерывно меняющейся силы, а ее направление не совпадает с направлением его перемещения.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия определяется не скоростью, а взаимным положением тел, например, относительно Земли. Данное понятие может быть введено только для тех сил, работа которых не зависит от траектории движения тела, а определяется только его начальным и конечным положениями. Такие силы называют консервативными, их работа равна нулю, если тело перемещается по замкнутой траектории.

Консервативные силы и потенциальная энергия

Сила тяжести и сила упругости являются консервативными, для них можно ввести понятие потенциальной энергии. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение при перемещении тела из одного положения в другое.

Изменение потенциальной энергии тела в поле силы тяжести, взятое с противоположным знаком, равно работе, которую совершает сила для перемещения тела. При упругой деформации потенциальная энергия зависит от взаимодействия частей тела друг с другом. Обладая определенным запасом потенциальной энергии, сжатая или растянутая пружина может привести в движение тело, которое к ней прикреплено, то есть сообщить ему кинетическую энергию.

Помимо сил упругости и тяжести свойством консервативности обладают другие виды сил, например, сила электростатического взаимодействия заряженных тел. Для силы трения понятие потенциальной энергии нельзя ввести, ее работа будет зависеть от пройденного пути.