Հիմնական նյութ

Ֆիզիկա

Դասընթաց․ (Ֆիզիկա) > Բաժին 5

Դաս 1: Աշխատանք և էներգիա

Ի՞նչ է էներգիայի պահպանումը

Սովորիր, թե ինչ է նշանակում էներգիայի պահպանում, և ինչպես է այն հեշտացնում խնդիրների լուծումը։

Ո՞րն է էներգիայի պահպանման օրենքի սկզբունքը

Ֆիզիկայում պահպանում տերմինը վերաբերում է այն ամենին, ինչն անփոփոխ է։ Սա նշանակում է, որ հավասարման ցանկացած փոփոխական, որ պահպանում է իր մեծությունը, հաստատուն է ժամանակի ընթացքում։ Այն ունի նույն արժեքը մինչ ինչ-որ երևույթ և նրանից հետո։

Ֆիզիկայում կան շատ պահպանվող մեծություններ: Դրանք հաճախ մեզ օգնում են շատ բարդ իրավիճակներում կանխատեսել ընթացքը: Մեխանիկայում կան երեք հիմանական մեծություններ, որոնք պահպանվում են: Դրանք են էներգիան, իմպուլսը և իմպուլսի մոմենտը.

Եթե դուք այլ հոդվածներում նայել եք որոշ օրինակներ, օրինակ՝ լիցքավորվող փղերի կինետիկ էներգիան, ապա էներգիայի պահպանումը կարող է զարմացնել ձեզ: Ի վերջո էներգիան հաճախ փոխվում է բախումների ժամանակ: Ստացվում է, որ մեզ անհրաժեշտ է ավելացնել որոշ հիմնադրույթներ:

Էներգիան, որը մենք կքնարկենք այս հոդվածում, վերաբերում է համակարգի լրիվ էներգիային: Երբ մարմինը շարժվում է, նրա հետ կապված էներգիան, օրինակ՝ կինետիկ, գրավիտացիոն պոտենցյալ, ներքին էներգիան կարող են փոխել իրենց տեսակը, բայց եթե էներգիան պահպանվում է, ապա մարմնի լրիվ էներգիան կմնա հաստատուն:
- Էներգիայի պահպանումը վերաբերում է միայն փակ համակարգերին։ Անհարթ հատակով սահող գնդակի էներգիան չի պահպանվում, քանի որ այն մեկուսացված չէ հատակից։ Հատակն իրականում շփման պատճառով ազդում է գնդակի վրա։ Ինչևիցե, եթե դիտարկենք գնդակն ու հատակը միասին որպես համակարգ, ապա այս դեպքում էներգիան կպահպանվի։ Սովորաբար այս համակարգին մենք անվանում ենք գնդակ–հատակ համակարգ։

Մեխանիկայի խնդրիներում ամենայն հավանականությամբ կհանդիպենք այնպիսինները, որոնք իրենց մեջ կպարունակեն կինետիկ էներգիա (E, start subscript, K, end subscript), գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիա (U, start subscript, g, end subscript), առաձգական զսպանակի պոտենցիալ էներգիան (U, start subscript, s, end subscript) , և ներքին (ջերմային էներգիա) (E, start subscript, H, end subscript). Նման խնդրիների լուծումը հաճախ սկսվում է համակարգի էներգիայի պահպանման հաստատմամբ՝ որոշակի i սկզբնական պահի և որոշ ժամանակ անց f պահի միջև:

E_\mathrm{Կ․սկ․} + U_\mathrm{գր․սկ․} + U_\mathrm{զսպ․սկ․} = E_\mathrm{Կ․վ․} + U_\mathrm{գր․վ․} + U_\mathrm{զսպ․վ․} + E_\mathrm{Ջ․վ․}

E, start subscript, Կ, ․, ս, կ, ․, end subscript, plus, U, start subscript, գ, ր, ․, ս, կ, ․, end subscript, plus, U, start subscript, զ, ս, պ, ․, ս, կ, ․, end subscript, equals, E, start subscript, Կ, ․, վ, ․, end subscript, plus, U, start subscript, գ, ր, ․, վ, ․, end subscript, plus, U, start subscript, զ, ս, պ, ․, վ, ․, end subscript, plus, E, start subscript, Ջ, ․, վ, ․, end subscript,

Ինչը կարող ենք գրել հետևյալ տեսքով.

start fraction, 1, divided by, 2, end fraction, m, v, start subscript, ս, կ, ․, end subscript, squared, plus, m, g, h, start subscript, ս, կ, ․, end subscript, plus, start fraction, 1, divided by, 2, end fraction, k, x, start subscript, ս, կ, ․, end subscript, squared, equals, start fraction, 1, divided by, 2, end fraction, m, v, start subscript, վ, end subscript, squared, plus, m, g, h, start subscript, վ, end subscript, plus, start fraction, 1, divided by, 2, end fraction, k, x, start subscript, վ, end subscript, squared, plus, E, start subscript, Ջ, ․, վ, end subscript

Ի՞նչ ի նկատի ունենք համակարգ ասելով

Ֆիզիկայում համակարգ ասելով նկատի են ունենում մարմինների համախումբը, որն ընտրել են մոդելավորելու և հավասարումները լուծելու համար։ Եթե մենք ուզում ենք նկարագրել մարմնի շարժումը՝ օգտվելով էներգիայի պահպանման օրենքից, ապա մեր նախընտրած համակարգը պիտի ներառի մեզ հետաքրքրող մարմինն ու բոլոր այլ մարմինները, որոնց հետ նա փոխազդում է։

Գործնականում մենք ստիպված ենք անտեսել որոշ փոխազդեցություններ։ Երբ ընտրում ենք համակարգը, գծում ենք մի ջրբաժան մեզ հետաքրքրող գործոնների և չհետաքրքրողների միջև։ Այն, ինչն անտեսում ենք, ընդհանրացված անվանում ենք միջավայր։ Միջավայրի որոշ գործոնների անտեսումը դարձնում է մեր հաշվարկները պակաս ճշգրիտ։ Լավ ֆիզիկոսն այն մասնագետն է, ով նույնքան լավ է հասկանում բոլոր այն երևույթները, որոնք դուք պետք է նկարագրեք, որքան այն երևույթները, որոնք կարող են հանգիստ անտեսվել։

Դիտարկենք մի խնդիր, որում մարդը կամրջից պարանով ցատկ է կատարում: Համակարգը իր մեջ պետք է ներառի առնվազն ցատկողին, պարանը և երկիրը: Ավելի ճշգրիտ հաշվարկը կարող է ներառել օդը, որի ազդեցությունը մարդու դիմադրության ուժն է։ Մենք կարող ենք ավելի ընդլայնել և ներառել կամուրջը և դրա հիմքը, բայց, քանի որ գիտենք, որ կամուրջը շատ ավելի ծանր է, քան ցատկողը, մենք կարող ենք անտեսել այն: Մենք չենք ակնկալի, որ պարանի՝ ցատկողին դանդաղեցնող ուժը կունենա մեծ ազդեցություն կամրջի վրա, հատկապես, եթե կամուրջը նախատեսված է ծանր բեռներին դիմանալու համար:

Նույնիսկ հեռավոր մարմինների միջև միշտ կա փոխազդեցության որոշակի նուրբ մակարդակ, ուստի մենք պետք է խելացիորեն ընտրենք մեր համակարգի սահմանը:

Ի՞նչ է լրիվ մեխանիկական էներգիան

Լրիվ մեխանիկական էներգիան՝ E, start subscript, Մ, end subscript, համակարգի պոտենցիալ և կինետիկ էներգիաների գումարն է։

start box, E, start subscript, M, end subscript, equals, E, start subscript, P, end subscript, plus, E, start subscript, K, end subscript, end box

Միայն կոնսերվատիվ ուժերը, ինչպիսիք են գրավիտացիոն և զսպանակի առաձգականության ուժերը, ունեն իրենցով պայմանավորված պոտենցիալ էներգիա: Ոչ կոնսերվատիվ ուժերը, օրինակ՝ շփման և դիմադրության ուժերը չունեն: Մենք կոնսերվատիվ ուժերի շնորհիվ միշտ կարող ենք ետ ստանալ այն էներգիան, որը տվել էինք համակարգին: Այնուամենայինիվ, ոչ կոնսերվատիվ ուժերի կողմից տարված էներգիան դժվար է վերականգնել: Այն հիմնականում փոխակերպվում է ջերմության կամ այլ, համակարգից դուրս, էներգիայի. այլ կերպ ասած՝ փոխանցվել է արտաքին միջավայրին:

Գործնականում սա նշանակում է, որ լրիվ մեխանիկական էներգիայի պահպանումը հաճախ ավելի կարևոր է հաշվարկներ կատարելու համար, քան էներգիայի պահպանումն ընդհանուր առմամբ ուսումնասիրելու համար։ Մեխանիկական էներգիան պահպանվում է, երբ համակարգում գործող ուժերը կոնսերվատիվ են։ Բարեբախտաբար, շատ են այն դեպքերը, երբ ոչ կոնսերվատիվ ուժերը կարելի է անտեսել կամ գոնե հեշտությամբ մոտարկել։

Ինչպե՞ս կարող է էներգիայի պահպանումը նկարագրել մարմինների շարժումը

Երբ էներգիան պահպանվում է, մենք կարող ենք կազմել հավասարումներ, որոնք հավասարեցնում են էներգիաjի տարբեր տեսակների գումարները համակարգում։ Դրանից հետո, հավանաբար, մենք կկարողանանք լուծել հավասարումներն արագության, հեռավորության և այլ մեծությունների համար, որոնցից կախված է էներգիան։ Եթե մենք չունենք բավականաչափ ինֆորմացիա՝ գտնելու համար եզակի լուծումը, ուստի օգտակար կարող է լինել փոփոխականների՝ միմյանցից կախումը պատկերելը, ինչը կօգնի պատկերացում կազմել լուծումների մասին։

Դիտարկենք այն դեպքը, երբ գոլֆ խաղացողը գտնվում է Լուսնի մակերևույթի վրա, ուր ազատ անկման արագացումը 1,625 մ/վsquared է և հարվածում է գոլֆի գնդակին։ Ի դեպ, տիեզերագնաց Ալան Շեփերդն իրականում արել է դա։ Գնդակը նետվում է Լուսնի մակերևույթից 45degrees անկյան տակ և 20 մ/վ արագությամբ ուղղաձիգ և հորիզոնական ուղղություններով, ընդհանուր՝ 28,28 մ/վ լրիվ արագությամբ։ Որքա՞ն բարձր կթռչի գոլֆի գնդակը։

Մենք կարող ենք սկսել լրիվ մեխանիկական էներգիայի հավասարումից.

E, start subscript, Մ, end subscript, equals, start fraction, 1, divided by, 2, end fraction, m, v, squared, plus, m, g, h

Լրիվ մեխանիկական էներգիայի պահպանման օրենքի կիրառումը կարող է օգնել մեզ որոշել h բարձրությունը․ նկատենք, որ զանգվածը կրճատվում է։

start fraction, 1, divided by, 2, end fraction, m, v, start subscript, ս, կ, end subscript, squared, equals, m, g, h, start subscript, վ, end subscript, plus, start fraction, 1, divided by, 2, end fraction, m, v, start subscript, վ, end subscript, squared

\begin{aligned} h &= \frac{\frac{1}{2}v_{սկ}^2-\frac{1}{2}v_վ^2}{g} \\ &=\frac{\frac{1}{2}(28{,}28~\mathrm{մ/վ})^2-\frac{1}{2}(20~\mathrm{մ/վ})^2}{1{,}625~\mathrm{մ/վ^2}} \\ &= 123~\mathrm{մ}\end{aligned}

[Ինչպե՞ս ենք պարզում, որ հրթիռի վերջնական արագությունը 20 մ/վ է։]

Ինչպես տեսնում ենք, էներգիայի պահպանման օրենքի կիրառումը մեզ թույլ է տալիս լուծել որոշակի խնդիրներ, որոնց լուծումը միայն կինեմատիկ հավասարումներով կլիներ շատ խնդրահարույց:

Վարժություն 1․ Ենթադրենք, թե գնդակն անսպասելիորեն բախվում է 2 մ բարձրության վրա տեղադրված ամերիկայի դրոշին: Որքա՞ն է գնդակի արագությունը բախման ժամանակ։

[Ցույց տալ պատասխանը]

Վարժություն 2․ Ներքևում պատկերված գծապատկերը ցույց է տալիս կինետիկ, գրավիտացիոն պոտենցիալ և լրիվ մեխանիկական էներգիաների փոփոխությունը ժամանակի ընթացքում փոքրիկ մոդելավորված հրթիռի թռիչքի ողջ ժամանակամիջոցում։ Մեզ հետաքրքրող մեծությունները՝ առավելագույն բարձրությունը, գագաթնակետը, շարժիչի կանգ առնելու ժամանակը, իսպառ այրումը, ցույց են տրված գրաֆիկի վրա։ Հրթիռի վրա իր թռիչքի ողջ ընթացքում ազդում են թե՛ կոնսերվատիվ, թե՛ ոչ կոնսերվատիվ ուժեր։ Կա՞ արդյոք այնպիսի ժամանակամիջոց, երբ հրթիռի վրա ազդում են միայն կոնսերվատիվ ուժեր։ Ինչու՞։

[Ցույց տալ պատասխանը]

Ինչու՞ հնարավոր չէ ստեղծել հավերժական շարժիչով մեքենա

Հավերժական շարժիչով մեքենա ասելով հասկանում են այն մեքենան, որը հավերժ շարժվում է՝ առանց իր արագության նվազման: Տարիների ընթացքում նկարագրվել են տարօրինակ և հիանալի մեքենաների բազմաթիվ օրինակներ: Դրանք ներառում են պոմպեր, որոնք կոչված են աշխատելու ինքնուրույն իրենց վրա թափվող ջրի միջոցով, անիվներ, որոնք կոչված են հրելու իրենց և պտտվելու ոչ հավասարակշռված զանգվածների միջոցով, ինչպես նաև իրենք իրենց վանող բազմաթիվ մագնիսների տատանումներ։

Թեև հաճախ հետաքրքիր է այդպիսի մեքենան, այնուամենայնիվ, այդպիսի մեքենան երբեք չի համարվել հավերժական շարժիչով և չի էլ կարող երբևէ համարվել: Իրականում, նույնիսկ եթե այդպիսի մեքենա լիներ, այն շատ օգտակար չէր էլ լինի: Այն աշխատանք կատարելու ունակություն չէր ունենա: Նկատենք, որ այն տարբերվում է գերմիասնության մեքենայի հայեցակարգից, որը, ինչպես ասում են, թողարկում է դրա մեջ ներդված էներգիայի ավելի քան 100% -ը, ինչը խախտում է էներգիայի պահպանման սկզբունքը:

Մեխանիկայի ամենահիմնական սկզբունքներից ելնելով՝ ոչինչ չկա, որը խստորեն անհնար է դարձնում հավերժական շարժիչով մեքենայի գոյությունը: Եթե համակարգը ամբողջովին մեկուսացված լիներ միջավայրից և ենթարկվեր միայն կոնսերվատիվ ուժերի ազդեցությանը, ապա էներգիան կպահպանվեր, և այն կգործեր հավերժ: Խնդիրն այն է, որ իրականում հնարավոր չէ ստեղծել ամբողջապես մեկուսացված համակարգ, և էներգիան երբեք ամբողջությամբ չի պահպանվում մեքենայի մեջ:

Այսօր հնարավոր է պատրաստել ծայրաստիճան փոքր շփման թռչող անիվներ, որոնք պտտվում են վակուումում՝ էներգիան պահեստավորելու համար: Այնուամենայնիվ, նրանք էլ են կորցնում էներգիա և ի վերջո պտտվում են ներքև, ինչը տևում է մի քանի տարի է [2]: Երկիրը, տիեզերքում իր առանցքի շուրջ պտտվելով, միգուցե նման մեքենայի ծայրահեղ օրինակ է: Սակայն Լուսնի, մակընթացային շփման և այլ երկնային մարմինների հետ փոխազդեցության պատճառով այն նույնպես աստիճանաբար դանդաղում է: Փաստորեն, յուրաքանչյուր երկու տարին մեկ, գիտնականները ստիպված են մեր գրառմանը մի թռիչքային վայրկան ավելացնել օրվա տևողությունը հաշվելու համար:

Հղումներ

[1]Նկարը պատրաստված է ՕփենՌոկետի միջոցով 15.03. Օգտագործողների հավասարումները էներգիան հաշվելու համար օփենռոկետի փաստաթղթերում։

[2] Աբբասի, Թասնիմ, Վերականգնվող էներգիայի աղբյուրներ․ դրանց ազդեցությունը գլոբալ տաքացման և աղտոտման վրա, A.S.A., 2010. ISBN: 9788120339941

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Մուտք գործել

Դասակարգել ըստ

Առայժմ հրապարակումներ չկան։

Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: