Načelo dela in mehanske energije

Načelo dela in mehanske energije

Izrek o delu in kinetični energiji pravi, da je neto delo ali delo, ki ga opravi neto sila, enako spremembi kinetične energije.

W_net = DO_t – DO_o = 1⁄2 m(v)_t² - v_o²)

W_net = Obstajata dve vrsti sil, in sicer konzervativna sila in nekonzervativna sila. Tako lahko neto delo štejemo za delo, ki ga opravi konzervativna sila, in delo, ki ga opravi nekonzervativna sila.

W_c + W_nc = ΔKE

Delo, ki ga opravi konzervativna sila, je enako negativni spremembi potencialne energije:

W_c= -ΔPE

– ΔPE + W_nc = ΔKE

W_nc = ΔPE + ΔKE

Wnc = ΔME

Zgornja enačba pravi, da je delo, ki ga opravi nekonzervativna sila na predmet, enako spremembi mehanske energije predmeta. Mehanska energija = potencialna energija + kinetična energija. Potencialna energija je lahko v obliki gravitacijske potencialne energije ali elastične potencialne energije.

Primer vprašanja: Izrek o delu in mehanski energiji

Škatla z maso 2 kg se sprva premika s hitrostjo 10 m/s. Kmalu zatem se ustavi. Koeficient kinetičnega trenja med škatlo in tlemi je 0.2. Gravitacijski pospešek je 10 m/s.²Kolikšen je premik škatle?

Razprava:

Identificirano: 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,

Vprašanje: količina premika škatle (s)

Izrek o delu in mehanski energiji:

W_nc = ΔME

W_nc = ΔPE + ΔKE

Višina (h) ostane konstantna oziroma se višina ne spremeni, zato se tudi gravitacijska potencialna energija ne spremeni.

Wnc = ΔKE

Delo, ki ga opravi kinetična sila trenja, je:

W_nc = – f_k s = μ_k N -s = μ_k w-s = μk mg-s

W_nc = – (0.2)(2)(10)(s) = – (4)(s)

Kinetična sila trenja opravlja negativno delo (kinetična sila trenja je v nasprotni smeri od premika telesa)

Sprememba kinetične energije:

ΔKE = 1⁄2 m (v_t² - v_o²) = 1⁄2 (2)(0² - 10²) = (0 – 100) = – 100

Premik objekta:

W_nc = ΔKE

– (4)(s) = – 100

s = – 100 / – 4 = 25 metrov

20 konceptualnih vprašanj in odgovorov o načelu dela in mehanske energije:

1. vprašanje: Kaj je načelo dela in mehanske energije? Odgovor: Načelo dela in mehanske energije pravi, da je delo, opravljeno na predmetu, enako spremembi njegove mehanske energije.

2. vprašanje: Kako je delo definirano v fiziki? Odgovor: Delo je definirano kot produkt sile, ki deluje na predmet, in razdalje, za katero se premakne v smeri sile.

3. vprašanje: Kaj sestavlja mehansko energijo? Odgovor: Mehanska energija je sestavljena iz kinetične energije in potencialne energije telesa.

4. vprašanje: Kaj lahko rečemo o skupni mehanski energiji zaprtega sistema, če ne obstajajo nekonzervativne sile? Odgovor: Skupna mehanska energija ostane konstantna.

5. vprašanje: Navedite primer konzervativne sile. Odgovor: Gravitacijska sila je primer konzervativne sile.

6. vprašanje: Kakšna je razlika med potencialno in kinetično energijo? Odgovor: Potencialna energija je energija zaradi položaja, na primer višine nad tlemi, medtem ko je kinetična energija posledica gibanja.

7. vprašanje: Kakšno je razmerje med delom konzervativne sile in potencialno energijo? Odgovor: Delo, ki ga opravi konzervativna sila, je enako negativni spremembi potencialne energije.

9. vprašanje: Kako načelo dela in mehanske energije pojasnjuje pretvorbo potencialne energije v kinetično energijo pri prostem padu predmeta? Odgovor: Ko predmet pada, se njegova potencialna energija zmanjša, kinetična energija pa se poveča za enakovredno količino, pri čemer skupna mehanska energija ostane konstantna.

10. vprašanje: Kaj se zgodi z mehansko energijo sistema, ko nanj delujejo nekonzervativne sile, kot je trenje? Odgovor: Mehanska energija se zmanjša, ker nekonzervativne sile oddajajo energijo, pogosto kot toploto.

11. vprašanje: Ali se lahko mehanska energija sistema poveča? Odgovor: Da, ko se na sistemu izvaja zunanje delo.

12. vprašanje: Kakšna je povezava med konceptom dela in energijo? Odgovor: Delo je način, s katerim se energija v sistemu prenaša ali preoblikuje.

13. vprašanje: Če se objekt giblje s konstantno hitrostjo, kaj lahko rečemo o neto delu, opravljenem na njem? Odgovor: Neto delo, opravljeno na njem, je nič, ker se ne dogaja pospešek.

15. vprašanje: Zakaj ima stisnjena vzmet potencialno energijo? Odgovor: Ko je vzmet stisnjena, se na njej opravi delo, ki se shrani kot potencialna energija. Ta energija se lahko sprosti, ko vzmet spustimo.

16. vprašanje: Kaj je izrek o delu in energiji? Odgovor: Izrek o delu in energiji pravi, da je delo, opravljeno na predmetu, enako spremembi njegove kinetične energije.

17. vprašanje: Kako je moč povezana z delom? Odgovor: Moč je hitrost, s katero se opravi delo ali prenese energija. Izračuna se kot $P=W/t$, Kjer $W$ je delo in $t$ je čas.

18. vprašanje: Ali ima lahko delo negativno vrednost? Odgovor: Da, delo je negativno, kadar sta sila in smer gibanja nasprotni.

19. vprašanje: Če je kot med silo in smerjo gibanja 90 stopinj, kakšno je opravljeno delo? Odgovor: Opravljeno delo je nič, ker sila nima komponente v smeri gibanja.

20. vprašanje: Kako preprost stroj, kot je vzvod, olajša delo? Odgovor: Ročica ne spremeni celotnega opravljenega dela, ampak spremeni način uporabe sile, zaradi česar je naloga bolj obvladljiva ali učinkovita.

Koncept dela in načelo mehanske energije sta temeljna v fiziki in zagotavljata temeljno razumevanje prenosa in transformacije energije v različnih sistemih.