Principiul energiei mecanice-lucru
Teorema energiei cinetice afirmă că lucrul mecanic net sau lucrul mecanic efectuat de forța netă este egal cu variația energiei cinetice.
W net = TO t – TO o = 1⁄2 m(v t² – v o² )
W net = Există două tipuri de forțe, și anume forța conservativă și forța neconservativă. Astfel, lucrul mecanic net poate fi considerat a fi compus din lucrul mecanic efectuat de o forță conservativă și lucrul mecanic efectuat de o forță neconservativă.
Wc + Wnc = ΔKE
Lucrul mecanic efectuat de o forță conservativă este egal cu variația negativă a energiei potențiale:
W c = -ΔPE
– ΔPE + W nc = ΔKE
W nc = ΔPE + ΔKE
Wnc = ΔME
Ecuația de mai sus afirmă că lucrul mecanic efectuat de o forță neconservativă asupra unui obiect este egal cu schimbarea energiei mecanice a obiectului. Energia mecanică = energie potențială + energie cinetică. Energia potențială poate lua forma energiei potențiale gravitaționale sau a energiei potențiale elastice.
Exemplu de întrebare: Teorema energiei mecanice-lucrul mecanic
O cutie de 2 kg se mișcă inițial cu o viteză de 10 m/s. La scurt timp după aceea, cutia se oprește. Coeficientul de frecare cinetică dintre cutie și podea este 0.2. Accelerația gravitațională este de 10 m/s² . Care este deplasarea cutiei?
Discuții:
Identificat: 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 Newtoni,
Întrebare: valoarea deplasării cutiei (s)
Teorema energiei mecanice-lucrul-mecanică:
W nc = ΔME
W nc = ΔPE + ΔKE
Înălțimea (h) rămâne constantă sau nu există nicio modificare a înălțimii, deci nu există nicio modificare a energiei potențiale gravitaționale.
Wnc = ΔKE
Lucrul mecanic efectuat de forța de frecare cinetică este:
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)
Forța de frecare cinetică efectuează un lucru mecanic negativ (forța de frecare cinetică este în direcția opusă deplasării obiectului)
Schimbarea energiei cinetice:
ΔKE = 1⁄2 m (v t² – v o² ) = 1⁄2 (2)(0² – 10² ) = (0 – 100) = – 100
Deplasarea obiectului:
W nc = ΔKE
– (4)(s) = – 100
s = – 100 / – 4 = 25 metri
20 de întrebări și răspunsuri conceptuale despre principiul lucru-energie mecanică:
1. Întrebare: Ce este principiul lucrului mecanic-energie? Răspuns: Principiul lucrului mecanic-energie afirmă că lucrul mecanic efectuat asupra unui obiect este egal cu schimbarea energiei sale mecanice.
2. Întrebare: Cum este definit lucrul mecanic în fizică? Răspuns: Lucrul mecanic este definit ca produsul dintre forța aplicată unui obiect și distanța parcursă de acesta în direcția forței.
3. Întrebare: Ce constituie energia mecanică? Răspuns: Energia mecanică constă din energia cinetică și energia potențială a unui obiect.
4. Întrebare: În absența forțelor neconservative, ce se poate spune despre energia mecanică totală a unui sistem închis? Răspuns: Energia mecanică totală rămâne constantă.
5. Întrebare: Dați un exemplu de forță conservativă. Răspuns: Forța gravitațională este un exemplu de forță conservativă.
6. Întrebare: Prin ce se diferențiază energia potențială de energia cinetică? Răspuns: Energia potențială este energia datorată poziției, cum ar fi înălțimea față de sol, în timp ce energia cinetică este datorată mișcării.
7. Întrebare: Cum se leagă lucrul mecanic efectuat de o forță conservativă de energia potențială? Răspuns: Lucrul mecanic efectuat de o forță conservativă este egal cu variația negativă a energiei potențiale.
9. Întrebare: Cum explică principiul energiei mecanice-lucru conversia energiei potențiale în energie cinetică într-un obiect în cădere liberă? Răspuns: Pe măsură ce un obiect cade, energia sa potențială scade, iar energia sa cinetică crește cu o cantitate echivalentă, menținând constantă energia mecanică totală.
10. Întrebare: Ce se întâmplă cu energia mecanică a unui sistem atunci când asupra acestuia acționează forțe neconservative, precum frecarea? Răspuns: Energia mecanică scade deoarece forțele neconservative disipă energia, adesea sub formă de căldură.
11. Întrebare: Poate crește energia mecanică a unui sistem? Răspuns: Da, atunci când se efectuează lucru mecanic extern asupra sistemului.
12. Întrebare: Cum este legat conceptul de lucru mecanic de energie? Răspuns: Lucrul mecanic este mijlocul prin care energia este transferată sau transformată într-un sistem.
13. Întrebare: Dacă un obiect se mișcă cu o viteză constantă, ce se poate spune despre lucrul mecanic net efectuat asupra lui? Răspuns: Lucrul mecanic net efectuat asupra lui este zero deoarece nu are loc nicio accelerație.
15. Întrebare: De ce are un arc comprimat energie potențială? Răspuns: Când un arc este comprimat, se efectuează un lucru mecanic asupra lui, care este stocat sub formă de energie potențială. Această energie poate fi eliberată atunci când arcul este eliberat.
16. Întrebare: Ce este teorema lucru-energie? Răspuns: Teorema lucru-energie afirmă că lucrul mecanic efectuat asupra unui obiect este egal cu schimbarea energiei sale cinetice.
17. Întrebare: Cum este legată puterea de lucrul mecanic? Răspuns: Puterea este rata cu care se efectuează lucrul mecanic sau se transferă energia. Se calculează ca , unde este lucrul mecanic și este timpul.
18. Întrebare: Poate avea lucrul mecanic o valoare negativă? Răspuns: Da, lucrul mecanic este negativ atunci când forța și direcția mișcării sunt opuse.
19. Întrebare: Dacă unghiul dintre forță și direcția mișcării este de 90 de grade, care este lucrul mecanic efectuat? Răspuns: Lucrul mecanic efectuat este zero deoarece forța nu are nicio componentă în direcția mișcării.
20. Întrebare: Cum facilitează munca o mașină simplă, precum o pârghie? Răspuns: O pârghie nu modifică lucrul mecanic total efectuat, ci modifică modul în care se aplică forța, făcând sarcina mai ușor de gestionat sau mai eficientă.
Conceptul de lucru mecanic și principiul energiei mecanice sunt fundamentale în fizică și oferă o înțelegere fundamentală a modului în care energia este transferată și transformată în diverse sisteme.
