Arbeidsmekanisk energiprinsipp
Arbeid-kinetisk energi-teoremet sier at nettoarbeidet eller arbeidet utført av nettokraften er lik endringen i kinetisk energi.
W netto = TIL t – TIL o = 1⁄2 m(v t² – v o² )
W netto = Det finnes to typer krefter, nemlig konservativ kraft og ikke-konservativ kraft. Dermed kan nettoarbeid betraktes som å bestå av arbeidet utført av en konservativ kraft og arbeidet utført av en ikke-konservativ kraft.
W c + W nc = ΔKE
Arbeidet utført av en konservativ kraft er lik den negative endringen i potensiell energi:
W c = -ΔPE
– ΔPE + W nc = ΔKE
W nc = ΔPE + ΔKE
Wnc = ΔME
Ligningen ovenfor sier at arbeidet som utføres av en ikke-konservativ kraft på et objekt er lik endringen i objektets mekaniske energi. Mekanisk energi = potensiell energi + kinetisk energi. Potensiell energi kan ha form av gravitasjonspotensiell energi eller elastisk potensiell energi.
Eksempelspørsmål: Arbeid-mekanisk energi-teoremet
En eske på 2 kg beveger seg først med en hastighet på 10 m/s. Kort tid etter stopper esken. Den kinetiske friksjonskoeffisienten mellom esken og gulvet er 0.2. Gravitasjonsakselerasjonen er 10 m/s² . Hvor stor er eskens forskyvning?
Diskusjon:
Identifisert: m = 2 kg, v o = 10 m/s, vt = 0, k = 0.2, w = mg = (1 kg)(10 m/s² ) = 10 kg m/s² = 10 Newton,
Spurt: størrelsen på boksens forskyvning (s)
Arbeidsmekanisk energi-teoremet:
W nc = ΔME
W nc = ΔPE + ΔKE
Høyden (h) forblir konstant, eller det er ingen endring i høyden, så det er ingen endring i den gravitasjonsmessige potensielle energien.
Wnc = ΔKE
Arbeidet som utføres av den kinetiske friksjonskraften er:
W nc = – f k s = μ k N -s = μ k w -s = μ k mg -s
W nc = – (0.2)(2)(10)(s) = – (4)(s)
Den kinetiske friksjonskraften gjør negativt arbeid (den kinetiske friksjonskraften er i motsatt retning av objektets forskyvning)
Endring i kinetisk energi:
ΔKE = 1⁄2 m (v t 2 – v o 2 ) = 1⁄2 (2)(0 2 – 10 2 ) = (0 – 100) = – 100
Objektets forskyvning:
W nc = ΔKE
– (4)(s) = – 100
s = – 100 / – 4 = 25 meter
20 konseptuelle spørsmål og svar om prinsippet om arbeid og mekanisk energi:
1. Spørsmål: Hva er prinsippet om arbeid og mekanisk energi? Svar: Prinsippet om arbeid og mekanisk energi sier at arbeidet som utføres på et objekt er lik endringen i dets mekaniske energi.
2. Spørsmål: Hvordan defineres arbeid i fysikk? Svar: Arbeid er definert som produktet av kraften som påføres et objekt og avstanden det beveger seg i kraftens retning.
3. Spørsmål: Hva utgjør mekanisk energi? Svar: Mekanisk energi består av et objekts kinetiske energi og potensielle energi.
4. Spørsmål: Hva kan sies om den totale mekaniske energien i et lukket system i fravær av ikke-konservative krefter? Svar: Den totale mekaniske energien forblir konstant.
5. Spørsmål: Gi et eksempel på en konservativ kraft. Svar: Gravitasjonskraften er et eksempel på en konservativ kraft.
6. Spørsmål: Hvordan er potensiell energi forskjellig fra kinetisk energi? Svar: Potensiell energi er energien som skyldes posisjon, for eksempel høyde over bakken, mens kinetisk energi skyldes bevegelse.
7. Spørsmål: Hvordan forholder arbeidet utført av en konservativ kraft seg til potensiell energi? Svar: Arbeidet utført av en konservativ kraft er lik den negative endringen i potensiell energi.
9. Spørsmål: Hvordan forklarer prinsippet om arbeid og mekanisk energi omdannelsen av potensiell energi til kinetisk energi i et fritt fallende objekt? Svar: Når et objekt faller, reduseres den potensielle energien og den kinetiske energien øker tilsvarende, slik at den totale mekaniske energien holdes konstant.
10. Spørsmål: Hva skjer med den mekaniske energien i et system når ikke-konservative krefter, som friksjon, virker på det? Svar: Den mekaniske energien avtar fordi ikke-konservative krefter avgir energi, ofte som varme.
11. Spørsmål: Kan den mekaniske energien i et system øke? Svar: Ja, når det utføres eksternt arbeid på systemet.
12. Spørsmål: Hvordan er begrepet arbeid relatert til energi? Svar: Arbeid er måten energi overføres eller transformeres på i et system.
13. Spørsmål: Hvis et objekt beveger seg med konstant hastighet, hva kan sies om nettoarbeidet som utføres på det? Svar: Nettoarbeidet som utføres på det er null fordi det ikke skjer noen akselerasjon.
15. Spørsmål: Hvorfor har en komprimert fjær potensiell energi? Svar: Når en fjær komprimeres, utføres det arbeid på den, som lagres som potensiell energi. Denne energien kan frigjøres når fjæren slippes.
16. Spørsmål: Hva er arbeid-energi-teoremet? Svar: Arbeid-energi-teoremet sier at arbeidet som utføres på et objekt er lik endringen i dets kinetiske energi.
17. Spørsmål: Hvordan er effekt relatert til arbeid? Svar: Effekt er hastigheten som arbeid utføres eller energi overføres med. Det beregnes som , hvor er arbeid og er tid.
18. Spørsmål: Kan arbeid ha en negativ verdi? Svar: Ja, arbeid er negativt når kraften og bevegelsesretningen er motsatt.
19. Spørsmål: Hvis vinkelen mellom kraften og bevegelsesretningen er 90 grader, hva er det utførte arbeidet? Svar: Det utførte arbeidet er null fordi kraften ikke har noen komponent i bevegelsesretningen.
20. Spørsmål: Hvordan gjør en enkel maskin, som en spak, arbeidet enklere? Svar: En spak endrer ikke det totale arbeidet som utføres, men endrer måten kraften påføres, noe som gjør oppgaven mer håndterbar eller effektiv.
Arbeidsbegrepet og prinsippet om mekanisk energi er grunnleggende i fysikk og gir en grunnleggende forståelse av hvordan energi overføres og transformeres i ulike systemer.
