Obsah
- Newtonov zákon o pohybe
- Zachované množstvá vo fyzike
- Transformácie energie a formy energie
- Príklady prenosu energie
- Sledovanie úspory energie
- Príklad kinematiky: voľný pád
- A čo Einstein?
- Nepretržitý pohybový stroj?
Pretože fyzika je štúdiom toho, ako tok hmoty a energie, zákon o úspore energie je kľúčovou myšlienkou vysvetliť všetko, čo fyzik študuje, a spôsob, akým ho študuje.
Fyzika nie je o zapamätaní jednotiek alebo rovníc, ale o rámci, ktorý riadi, ako sa budú chovať všetky častice, aj keď podobnosti nie sú na prvý pohľad zrejmé.
Prvý zákon termodynamiky je prehodnotením tohto zákona o úspore energie z hľadiska tepelnej energie: vnútorná energia systému sa musí rovnať celkovej sume vykonanej práce na systéme plus alebo mínus teplo tečúce do alebo zo systému.
Ďalším dobre známym ochranným princípom vo fyzike je zákon zachovania hmoty; ako zistíte, tieto dva zákony na ochranu prírody - a tu vás predstavia aj dvom ďalším - sú vo väčšej miere prepojené ako s očami (alebo mozgom).
Newtonov zákon o pohybe
Akákoľvek štúdia univerzálnych fyzikálnych princípov by mala byť podporená preskúmaním troch základných zákonov o pohybe, ktoré Isaac Newton pred stovkami rokov zatĺkol do formy. Sú to tieto:
Zachované množstvá vo fyzike
Zákony zachovania vo fyzike sa vzťahujú na matematickú dokonalosť iba v skutočne izolovaných systémoch. V každodennom živote sú také scenáre zriedkavé. Existujú štyri konzervované množstvá hmota, energie, spád a moment hybnosti, Posledné tri z nich spadajú do kompetencie mechanikov.
hmota je iba množstvo niečoho, a keď sa vynásobí miestnym zrýchlením v dôsledku gravitácie, výsledkom je hmotnosť. Hmota už nemôže byť ničená alebo vytváraná od nuly, ako je to možné.
Spád je súčin hmotnosti hmoty a jej rýchlosti (m ·proti). V systéme dvoch alebo viacerých zrážajúcich sa častíc sa celková hybnosť systému (súčet jednotlivých momentov objektov) nikdy nemení, pokiaľ nedôjde k stratám trením alebo interakciám s externými telesami.
Uhlová hybnosť (L) je len hybnosť okolo osi rotujúceho objektu a je rovná m ·v r ·, kde r je vzdialenosť od objektu k osi otáčania.
energie sa objavuje v mnohých podobách, niektoré sú užitočnejšie ako iné. Teplo, forma, v ktorej je všetka energia určená na existenciu, je najmenej užitočná z hľadiska uvedenia do užitočnej práce a zvyčajne je produktom.
Zákon o úspore energie možno písať:
KE + PE + IE = E
kde KE = Kinetická energia = (1/2) mproti2, PE = potenciálna energia (rovná sa mgh, keď gravitácia je jedinou silou pôsobiacou, ale viditeľnou v iných formách), IE = vnútorná energia a E = celková energia = konštanta.
Transformácie energie a formy energie
Všetka energia vo vesmíre vznikla z Veľkého tresku a toto celkové množstvo energie sa nemôže zmeniť. Namiesto toho pozorujeme neustále sa meniace formy energie, od kinetickej energie (energie pohybu) po tepelnú energiu, od chemickej energie po elektrickú energiu, od energie gravitačného potenciálu po mechanickú energiu atď.
Príklady prenosu energie
Teplo je špeciálny druh energie (termálna energia) v tom, ako je uvedené, je pre človeka menej užitočná ako iné formy.
To znamená, že akonáhle sa časť energie systému zmení na teplo, nedá sa tak ľahko vrátiť do užitočnejšej formy bez vstupu ďalších prác, ktoré si vyžadujú ďalšiu energiu.
Zúrivé množstvo žiarivej energie, ktorú slnko vydáva každú sekundu a nikdy sa nemôže žiadnym spôsobom regenerovať alebo znovu použiť, je stálym dôkazom tejto reality, ktorá sa neustále rozvíja po celej galaxii a vo vesmíre ako celku. Časť tejto energie je „zachytená“ v biologických procesoch na Zemi, vrátane fotosyntézy v rastlinách, ktoré si vyrábajú vlastné jedlo, ako aj poskytujú potravu (energiu) pre zvieratá a baktérie atď.
Môže byť tiež zachytený produktmi ľudského inžinierstva, ako sú napríklad solárne články.
Sledovanie úspory energie
Študenti fyziky na strednej škole zvyčajne používajú koláčové grafy alebo stĺpcové grafy na znázornenie celkovej energie študovaného systému a na sledovanie jeho zmien.
Pretože celkové množstvo energie v koláče (alebo súčet výšok tyčí) sa nemôže zmeniť, rozdiel v plátoch alebo kategóriách tyčí ukazuje, koľko z celkovej energie v danom bode je jedna forma energie alebo iná.
V scenári môžu byť na rôznych miestach zobrazené rôzne grafy na sledovanie týchto zmien. Napríklad upozorňujeme, že množstvo tepelnej energie sa takmer vždy zvyšuje, čo vo väčšine prípadov predstavuje odpad.
Napríklad, ak hodíte loptu do 45-stupňového uhla, všetka jej energia je spočiatku kinetická (pretože h = 0) a potom v bode, v ktorom lopta dosiahne svoj najvyšší bod, jej potenciálna energia ako podiel celková energia je najvyššia.
Ako stúpa, tak aj postupne klesá, časť jeho energie sa premení na teplo v dôsledku trecích síl zo vzduchu, takže KE + PE nezostane konštantný počas tohto scenára, ale naopak klesá, zatiaľ čo celková energia E zostáva konštantná ,
(Vložte niekoľko vzorových diagramov s koláčovými / stĺpcovými grafmi sledujúcimi zmeny energie
Príklad kinematiky: voľný pád
Ak držíte bowlingovú guľu s hmotnosťou 1,5 kg zo strechy 100 m nad zemou, môžete vypočítať jej potenciálnu energiu vzhľadom na hodnotu g = 9,8 m / s2 a PE = mgh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s)2) = 1 470 joulov (J)
Ak guľu pustíte, jej nulová kinetická energia sa zvyšuje a rýchlejšie, ako lopta klesá a akceleruje. V okamihu, keď sa dostane na zem, sa KE musí rovnať hodnote PE na začiatku problému alebo 1 460 J. V tejto chvíli
KE = 1 470 = (1/2) mproti2 = (1/2) (1,5 kg)proti2
Za predpokladu, že nedôjde k strate energie v dôsledku trenia, umožňuje vám úspora mechanickej energie počítať proti, ktorá sa ukáže byť 44,3 m / s.
A čo Einstein?
Študenti fyziky môžu byť zmätení slávnymi mass-energia rovnice (E = mc2), zaujíma sa, či je v rozpore so zákonom úspora energie (alebo zachovanie hmotnosti), pretože to znamená, že hmotu možno previesť na energiu a naopak.
V skutočnosti to neporušuje ani jeden zákon, pretože ukazuje, že hmota a energia sú v skutočnosti rôzne formy tej istej veci. Je to niečo ako ich meranie v rôznych jednotkách vzhľadom na rôzne požiadavky klasických a kvantových mechanických situácií.
Pri tepelnej smrti vesmíru sa podľa tretieho termodynamického zákona premení všetka hmota na tepelnú energiu. Akonáhle je táto premena energie dokončená, nemôžu už nastať žiadne ďalšie premeny, aspoň nie bez ďalšej hypotetickej singulárnej udalosti, ako je Veľký tresk.
Nepretržitý pohybový stroj?
„Stroj s trvalým pohybom“ (napr. Kyvadlo, ktoré sa hojdá s rovnakým časovaním a zametaním bez toho, aby sa spomalilo) je na Zemi nemožné z dôvodu odporu vzduchu a súvisiacich energetických strát. Ak chcete udržať Gizmo v chode, bude v určitom okamihu vyžadovať vstup externej práce, čím by sa porazil účel.