Ուժ եւ էներգիա

Ուժ եւ էներգիա. Հարաբերությունների եւ դիմումների խորը պատկերացում

I. Հիմնարար սկզբունքներ. Ուժ – վեկտորի գործողություն

1. Ուժի սահմանում. Ուժը, իր հիմնարար էության մեջ, փոխազդեցություն է, որը կարող է փոխել օբյեկտի շարժման վիճակը: Այս գործողությունը կարող է արտահայտվել արագության փոփոխության մեջ (ինչպես չափի, այնպես էլ ուղղությամբ), մարմնի դեֆորմացիան կամ ճնշումը: Կարեւոր է հասկանալ, որ ուժը վեկտորի արժեքն է, որն ունի ինչպես չափը (բացարձակ արժեքը) եւ այն ուղղությունը, որն էականորեն առանձնացնում է այն մասսայական արժեքներից, ինչպիսիք են զանգվածը կամ ջերմաստիճանը:

2. Էլեկտրաէներգիայի չափման միավորներ (Նյուտոն). Միջազգային համակարգում (SI) միջազգային համակարգում ուժը չափվում է Newtonians- ում (H): Մեկ Նյուտոնը սահմանվում է որպես 1 մետր վայրկյանում 1 մետր արագացման արագացման արագացման համար անհրաժեշտ ուժ (1 մ / ժամ) մարմնի 1 կիլոգրամ (1 կգ): Այս ստորաբաժանումն ուղղակիորեն կապում է ուժը զանգվածային եւ արագացման միջոցով, արտացոլելով Նյուտոնի հիմնարար օրենքը:

3. Ուժի տեսակները. Հիմնարար փոխազդեցություններ. Բնության մեջ նկատվող բոլոր ուժերը կարող են կրճատվել չորս հիմնարար փոխազդեցության.

   • Ձգողականության փոխազդեցություն. Այն գործում է զանգվածի բոլոր առարկաների միջեւ: Դա չորս փոխազդեցությունների թույլ է, բայց ունի գործողության անսահմանափակ շառավիղ եւ որոշում է երկնային մարմինների տեղաշարժը եւ տիեզերքի մեծ կառուցվածքի ձեւավորումը: Օրինակ է, մեզ գրավող ծանրությունը: Մաթեմատիկորեն նկարագրված է Նյուտոնի համընդհանուր ծանրության օրենքով (F = gm₁m₂ / r²) օրենքով:

   • Էլեկտրամագնիսական փոխազդեցություն. Այն գործում է էլեկտրական լիցքավորված մասնիկների միջեւ: Այն շատ ավելի ուժեղ է, քան գրավիտացիոն լինելը, ինչպես նաեւ ունի գործողության անսահման շառավիղ: Պատասխանատու քիմիական կապերի, լույսի, էլեկտրաէներգիայի եւ մագնիսի համար: Այն իրեն դրսեւորվում է կախազարդի ուժի տեսքով (մեղադրանքների ներգրավում / մերժում) եւ Լորենցի ուժերը (շարժվող լիցքի վրա մագնիսական դաշտի գործողությունը):

   • Ուժեղ փոխազդեցություն (միջուկային ուժ). Լավագույն խելամիտ փոխազդեցությունների ամենաուժեղը, բայց ունի շատ փոքր գործողություն (ատոմային միջուկի չափի կարգը): Այն պաշտպանում է եւ նեյտրոններ ատոմի միջուկում, հաղթահարելով էլեկտրաստատիկ հակադարձումը պրոտոնների միջեւ:

   • Թույլ փոխազդեցություն. Պատասխանատու ռադիոակտիվ քայքայման որոշ տեսակների համար, օրինակ, բետա-քայքայումը: Այն ունի նաեւ շատ փոքր շարք:

4. Նյուտոնի օրենքները. Դասական մեխանիկայի հիմքը. Նյուտոնի երեք օրենքները դասական մեխանիկայի հիմնաքարն են եւ նկարագրում են ուժի, զանգվածի եւ շարժման միջեւ կապը.

   • Նյուտոնի առաջին օրենքը (իներցիայի օրենք). Օբեկտը մնում է հանգստի կամ միատեսակ ուղղանկյուն շարժում, եթե որեւէ արտաքին ուժեր դրա վրա չեն գործում, կամ եթե ակտիվ ուժերը փոխհատուցվեն (հավասար ուժը զրոյական է):

   • Նյուտոնի երկրորդ օրենքը. Արագացում, որը ձեռք է բերում առարկա ուղղակիորեն համամասնորեն օբյեկտի վրա գործող հավասար ուժի, եւ հակադարձում է օբյեկտի զանգվածի համամասնությամբ: Մաթեմատիկորեն արտահայտված բանաձեւով. F = ma, որտեղ F- ն հավասար ուժ է, M զանգվածը `A – արագացում:

   • Նյուտոնի երրորդ օրենքը (գործողությունների եւ հակազդեցության օրենք). Եթե ​​մեկ օբյեկտը ինչ-որ մեկ այլ ուժի մեջ է գործում (գործողություն), ապա երկրորդ օբյեկտը առաջին հերթին գործում է չափի հավասար եւ հակառակ ուղղությամբ, ուժի (ընդդիմության) ուղղությամբ: Կարեւոր է, որ գործողությունների եւ հակազդեցության ուժերը կցվեն տարբեր օբյեկտների:

5. Ուժի օրինակներ առօրյա կյանքում.

   • Ձգողություն (քաշ). Այն ուժը, որի միջոցով երկիրը բոլոր առարկաները գրավում է իր մակերեսին: Օբիի քաշը հավասար է իր զանգվածի գործին `անվճար անկումը արագացնելու համար (G ≈ 9.8 մ / ս.): P = MG:

   • Friction ուժ: Կոնտակտային երկու մակերեւույթների հարաբերական շարժումից բխող ուժը: Կան լոգարիթմական շփման ուժ (գործողություններ, երբ մեկ մարմին սահում է մյուսի մակերեսին) եւ հանգստի շփման ուժը (կանխում է շարժման սկիզբը):

   • Առաձգականության ուժը. Այն ուժը, որը տեղի է ունենում առաձգական մարմնի դեֆորմացման ժամանակ եւ ձգտում է այն վերադարձնել իր սկզբնական վիճակը: Այն ներկայացնում է Huka (F = -KX), որտեղ k- ը առաձգականության գործակից է, X- ը դեֆորմացման արժեք է:

   • Archimedes Power (հրում իշխանություն). Մարմնի վրա գործող ուժը, որը ընկղմվում է հեղուկի կամ գազի մեջ եւ ուղղահայաց վեր է ուղղվում: Այն հավասար է մարմնի կողմից մատակարարվող հեղուկի կամ գազի ծանրությանը:

   • Centripetal Force: Ուժը, որն ուղղված է շրջանի կենտրոնին եւ առաջացնում է օբյեկտի շարժումը շրջագծի շուրջ: Հավասար է MA- ին_գ = MV² / R, որտեղ M- ն զանգված է, v- ն արագությունն է, r- ն շրջանակի շառավղն է:

II. Էներգիա. Աշխատանքի ներուժ

1. Էներգետիկայի որոշում. Էներգիան մասշտաբային ֆիզիկական քանակ է, որը բնութագրում է մարմնի կամ մարմինների համակարգի աշխատանքը կատարելու ունակությունը: Ի տարբերություն ուժի, էներգիան ուղղություն չունի: Էներգիան կարող է գոյություն ունենալ տարբեր ձեւերով եւ կարող է վերափոխվել մի ձեւից մյուսը:

2. Էներգիայի չափման միավորներ (Joul): Միավորների միջազգային համակարգում (SI), էներգիան չափվում է Joules (J): Մեկ Joul սահմանվում է որպես 1 Նյուտոնի ուժի կողմից կատարված աշխատանք, երբ գործի ուղղությամբ 1 մետր հեռավորության վրա օբյեկտ տեղափոխելիս: Այլ հաճախ օգտագործվող էներգիայի միավորները ներառում են կալորիաներ (Feces) եւ կիլովատ ժամեր (կՎտժ):

3. Էներգիայի տեսակները. Կան շատ տարբեր տեսակի էներգիա, որոնցից յուրաքանչյուրը կապված է որոշակի ֆիզիկական երեւույթի հետ.

   • Կինետիկ էներգիա. Այն էներգիան, որը մարմինը ունի իր շարժման պատճառով: Այն հավասար է մարմնի քաշի մարմնի կեսի կեսին `իր արագության համար` k = ½ մ²:

   • Հնարավոր էներգիա. Այն էներգիան, որը մարմինը ունի իր դիրքի ուժային դաշտում (օրինակ, գրավիտացիոն կամ էլեկտրաստատիկ) կամ դրա դեֆորմացիայի պատճառով:

     • Ձգողական պոտենցիալ էներգիա. Այն էներգիան, որը մարմինը տիրապետում էր երկրի մակերեւույթի վերեւում գտնվող որոշակի բարձրության վրա: Այն հավասար է Մրտին, որտեղ M զանգվածը է, G – անվճար անկման արագացում, H – բարձրություն:

     • Առաձգական դեֆորմացիայի հնարավոր էներգիա. Արտաքին ուժի ազդեցության տակ դեֆորմացված է առաձգական մարմնում պահվող էներգիան: Այն հավասար է ½ kx², որտեղ k- ը առաձգականության գործակից է, X- ը դեֆորմացման արժեքն է:

     • Էլեկտրաստատիկ պոտենցիալ էներգիա. Էներգիան, որը լիցքավորված մասնիկ է էլեկտրական դաշտում:

   • Mal երմային էներգիա (ներքին էներգիա). Էներգիան, որը կապված է մարմինը կազմող ատոմների եւ մոլեկուլների քաոսային շարժման հետ: Այն համամասն է մարմնի ջերմաստիճանի համար:

   • Քիմիական էներգիա. Էներգիան պահվում է քիմիական կապերի մեջ ատոմների եւ մոլեկուլների միջեւ: Այն առանձնանում կամ ներծծվում է քիմիական ռեակցիաների ժամանակ:

   • Էլեկտրական էներգիա. Էներգիա, որը կապված է էլեկտրական լիցքների շարժման հետ:

   • Միջուկային էներգիա. Ատոմների միջուկներում պահվող էներգիան: Այն առանձնանում է միջուկային ռեակցիաների ժամանակ, ինչպիսիք են միջուկների կամ ջերմամեկուսիչ սինթեզի բաժինը:

   • Թեթեւ էներգիա (էլեկտրամագնիսական ճառագայթային էներգիա). Էլեկտրամագնիսական ալիքներով փոխանցված էներգիան (օրինակ, թեթեւ, ռադիոալիքների, X-Radiation):

4. Էներգախնայողության օրենք. Բնության հիմնարար օրենքներից մեկը, պնդելով, որ փակ համակարգի ամբողջական էներգիան ժամանակի ընթացքում մնում է կայուն: Էներգիան հնարավոր չէ ստեղծել կամ ոչնչացվել, այն կարող է տեղափոխվել միայն մի ձեւից մյուսը: Այս օրենքը հիմք է հանդիսանում բազմաթիվ ֆիզիկական հաշվարկների եւ տեխնոլոգիական զարգացումների համար:

5. Էներգետիկ վերափոխման օրինակներ.

   • Mal երմային էլեկտրակայան. Վառելիքի (ածուխի, գազի, յուղի) քիմիական էներգիան վերածվում է ջերմային էներգիայի, որը ջուր է տաքացնում եւ այն վերածում գոլորշու: Գոլորշը պտտեցնում է տուրբինը, որը մղում է գեներատորը, որը վերածում է էլեկտրական էներգիայի պտույտի մեխանիկական էներգիան:

   • Հիդրոէլեկտրակայան Բարձր բարձրության վրա տեղակայված ջրի հնարավոր էներգիան վերածվում է կինետիկ էներգիայի, երբ ջուրը ընկնում է: Water րի կինետիկ էներգիան պտտեցնում է տուրբինը, որը մղում է էլեկտրական էներգիա արտադրող գեներատորը:

   • Արեգակնային մարտկոց. Արեւի թեթեւ էներգիան ուղղակիորեն վերածվում է էլեկտրական էներգիայի, ֆոտոէլեկտրական ազդեցության միջոցով:

   • Ավտոմեքենաների շարժիչ. Վառելիքի այրումը վառելիքի քիմիական էներգիան վերածվում է ջերմային էներգիայի: Ther երմային էներգիան վերածվում է մեխանիկական էներգիայի, որը շարժիչ է շարժիչի մխոց: Մեխանիկական էներգիան փոխանցվում է մեքենայի անիվներին:

III. Աշխատանք. Էներգիայի փոխանցման միջոց

1. Աշխատանքի որոշում. Աշխատանքը ֆիզիկական քանակ է, որը բնութագրում է էներգիայի տեղափոխումը մի մարմնից մյուսը իշխանության ազդեցության տակ: Աշխատանքը կատարվում է միայն այն դեպքում, եթե մարմինը շարժվում է իշխանության ազդեցության տակ:

2. Աշխատանքի հաշվարկման բանաձեւ. Մշտական ​​ուժի կողմից կատարված աշխատանքը սահմանվում է որպես մասշտաբային ուժի գործի տեղափոխման համար. A = F ⋅ S = FS COS α, որտեղ F- ն ուժ է, իսկ շարժումը `ուժի վեկտորի եւ շարժման վեկտորի միջեւ:

3. Աշխատանքի չափման միավորներ (Joul). Աշխատանքը չափվում է Joules (J), ինչպես նաեւ էներգետիկայի ոլորտում: Մեկ Joule- ը 1 Նյուտոնի ուժի մեջ կատարված աշխատանք է, երբ մարմինը 1 մետր հեռավորության վրա տեղափոխելիս գործի ուղղությամբ տեղափոխելիս:

4. Աշխատանքի եւ էներգիայի հաղորդակցություն. Թեորեմը կինետիկ էներգիայի մասին. Կինետիկ էներգիայի թեորեմը պնդում է, որ մարմնի նկատմամբ հավասար լիազորությամբ կատարված աշխատանքը հավասար է այս մարմնի կինետիկ էներգիայի փոփոխությանը. A = δk = k₂ – k₁ = ½ mv₂₂, – որովհետեւ V₁- ը մարմնի վերջին արագությունն է:

5. Ձգողականության եւ հավանական էներգիայի աշխատանքը. Ձգությամբ կատարված աշխատանքը, մարմինը մեկ կետից մյուսը տեղափոխելիս կախված չէ հետագծի ձեւից, բայց կախված է միայն այս կետերի միջեւ եղած բարձունքների տարբերությունից: Ձգողականության գործը հավասար է հակադարձ նշանով վերցված գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությանը. A = -δu = – (u₂ -u₁) = – (mgh₂ -mgh₁):

6. Ֆրակցիայի ուժի աշխատանքներ. Frictict Force- ի աշխատանքը միշտ բացասական է, քանի որ այն ուղղված է շարժման ուղղությամբ: Դա հանգեցնում է մարմնի կինետիկ էներգիայի անկման եւ դրա վերածելու ջերմային էներգիայի:

IV. Ուժ. Աշխատանքի արագությունը

1. Էլեկտրաէներգիայի սահմանում. Իշխանությունը ֆիզիկական քանակ է, որը բնութագրում է աշխատանքի արագությունը: Դա ցույց է տալիս, թե որքան արագ է էներգիան փոխարկվում կամ փոխանցվում մեկ մարմնից մյուսը:

2. Հզորության հաշվարկման բանաձեւ. Իշխանությունը սահմանվում է որպես աշխատանքի հարաբերակցություն այն ժամանակին, երբ այս աշխատանքը ավարտվեց. P = A / T, որտեղ է աշխատանքը, T- ն է ժամանակը: Նաեւ իշխանությունը կարող է արտահայտվել ուժի եւ արագության միջոցով. P = F ⋅ v = FV COS α, որտեղ F- ն ուժ է, V- ն արագություն է, իսկ արագությունը `վեկտորի եւ արագության վեկտորի միջեւ:

3. Էլեկտրաէներգիայի չափման միավորներ (վտ). Միավորների միջազգային համակարգում (SI), իշխանությունը չափվում է վտներով (WT): Մեկ WATT- ը մի ուժ է, որի վրա աշխատանքն իրականացվում է 1-ին 1 վայրկյանում `1 w = 1 ժ / վ: Մեկ այլ հաճախ օգտագործվող էներգաբլոկը ձիաուժ է (L.S.). 1 HP: 746 վտ:

4. Էլեկտրաէներգիայի օրինակներ.

   • Ավտոմեքենաների շարժիչի հզորություն. Արտացոլում է այն արագությունը, որի միջոցով շարժիչը վառելիքի քիմիական էներգիան վերածում է մեխանիկական էներգիայի, որը մղում է մեքենան:

   • Էլեկտրական լամպի ուժը. Արտացոլում է այն արագությունը, որի միջոցով լամպը էլեկտրական էներգիան վերածում է թեթեւ եւ ջերմային էներգիայի:

   • Մարդկային իշխանություն. Արտացոլում է այն արագությունը, որով մարդը կարող է կատարել աշխատանքը (օրինակ, բարձրացնել կշիռները):

V. Ուժի եւ էներգիայի փոխհարաբերությունները. Խորը վերլուծություն

1. Ուժ, որպես էներգետիկ փոփոխությունների պատճառ. Ուժը մարմնի կամ համակարգի էներգիան փոխելու պատճառն է: Ուժի ենթարկված աշխատանքը հանգեցնում է մարմնի կինետիկ եւ (կամ) պոտենցիալ էներգիայի փոփոխության: Եթե ​​ուժը դրական աշխատանք է կատարում, ապա մարմնի էներգիան մեծանում է: Եթե ​​ուժը բացասական աշխատանք է կատարում, ապա մարմնի էներգիան նվազում է:

2. Հնարավոր էներգիա, որպես ուժի գործառույթ. Հնարավոր էներգիան կապված է մարմնի վրա գործող ուժի հետ, որը գործում է ներուժի հայեցակարգի միջոցով: Ուժը պոտենցիալ էներգիայի գրադիենտ է, այսինքն `այն ուղղված է հնարավոր էներգիայի անխռով թուլացմանը: Օրինակ, ինքնահոսն ուղղված է ներքեւ, գրավիտացիոն հնարավոր էներգիայի նվազեցման ուղղությամբ:

3. Նվազագույն գործողությունների սկզբունքը. Ֆիզիկայի հիմնարար սկզբունքներից մեկը, պնդելով, որ ֆիզիկական համակարգը զարգանում է այնպես, որ ակցիան նվազագույնի հասցնելը `ժամանակի տարբերությունից` կինետիկ եւ հավանական էներգիայի տարբերությունից: Այս սկզբունքը մեզ թույլ է տալիս նկարագրել մարմինների շարժումը եւ մարմինների համակարգերը `հիմնվելով էներգիայի ամենափոքր« արժեքի »սկզբունքի վրա:

4. Պահպանողական եւ ոչ-հաճախորդ ուժեր.

   • Պահպանողական ուժեր. Այն ուժերը, որոնց աշխատանքը կախված չէ հետագծի ձեւից, բայց կախված է միայն մարմնի սկզբնական եւ վերջնական դիրքից: Պահպանողական ուժերի օրինակները ծանրությունն են եւ առաձգականության ուժը: Պահպանողական ուժերի համար կարող եք ներկայացնել հնարավոր էներգիայի հայեցակարգը:

   • Ոչ -Custody ուժերը. Ուժերը, որոնց աշխատանքը կախված է հետագծի ձեւից: Ոչ-հարկային ուժի օրինակ է շփման ուժը: Ֆրակցիայի ուժի աշխատանքը միշտ բացասական է եւ հանգեցնում է էներգիայի տարածմանը (դրա վերափոխումը ջերմային է):

5. Մեխանիկական էներգիայի պահպանման օրենք. Մի համակարգի համար, որում միայն պահպանողական ուժերը գործում են, ամբողջական մեխանիկական էներգիան (կինետիկ եւ հավանական էներգիաների գումարը) մնում է կայուն: Սա նշանակում է, որ էներգիան կարող է գնալ կինետիկ ձեւից մինչեւ ներուժ եւ հակառակը, բայց դրա ընդհանուր գումարը չի փոխվում:

Vi. Ուժի եւ էներգիայի օգտագործումը տարբեր ոլորտներում

1. Մեխանիկա. Ուժի եւ էներգիայի օրենքներն են մարմինների շարժումը եւ փոխգործակցությունը նկարագրող մեխանիկայի հիմքը: Դրանք օգտագործվում են շարժման հետագծերը հաշվարկելու համար, կառույցի վրա գործող ուժերը եւ տարբեր առաջադրանքներ կատարելու համար անհրաժեշտ էներգիան:

2. Էներգիա: Էներգետիկ վերափոխման սկզբունքները հասկանալը էներգիայի զարգացման բանալին է: Ուժը եւ էներգիան օգտագործվում են էլեկտրաէներգիայի արտադրության, փոխանցման եւ սպառման համար, ինչպես նաեւ էներգիայի նոր աղբյուրների զարգացման համար:

3. Տրանսպորտ. Ուժը եւ էներգիան կարեւոր դեր են խաղում տրանսպորտում: Ներքին այրման շարժիչները, էլեկտրական շարժիչներն ու այլ շարժիչները ուժ են օգտագործում տրանսպորտային միջոցներ վարելու համար: Շարժման համար անհրաժեշտ էներգիան կարելի է ձեռք բերել տարբեր աղբյուրներից, ինչպիսիք են բենզինը, դիզելային վառելիք, էլեկտրականություն կամ ջրածնի:

4. Շինարարություն Շենքերի եւ կառույցների ձեւավորում եւ կառուցելիս անհրաժեշտ է հաշվի առնել այն ուժերը, որոնք գործում են կառույցների եւ դրանց կառուցման եւ շահագործման համար անհրաժեշտ էներգիայով: Կարեւոր է ապահովել կառույցների ուժն ու կայունությունը, ինչպես նաեւ օպտիմալացնել շենքերի էներգաարդյունավետությունը:

5. Դեղ: Ուժը եւ էներգիան օգտագործվում են բժշկության մեջ տարբեր հիվանդությունների ախտորոշման եւ բուժման համար: Օրինակ, X-rab առագայթումը, ուլտրաձայնային եւ լազերները օգտագործում են էլեկտրամագնիսական էներգիա `ներքին օրգանների եւ հյուսվածքների պատկերներ ստանալու համար: Ուժը օգտագործվում է նաեւ վիրաբուժության եւ ֆիզիոթերապիայի մեջ:

6. Սպորտ. Հասկանալով ուժի եւ էներգիայի սկզբունքներն օգնում են մարզիկներին բարելավել դրանց արդյունքները: Տեղաշարժերի, ուսումնական ուժերի եւ դիմացկունության տեխնիկայի օպտիմալացումը, ինչպես նաեւ պատշաճ սնուցում թույլ են տալիս մարզիկներին արդյունավետ օգտագործել էներգիա եւ հասնել առավելագույն արդյունքների:

7. Տիեզերագնացություն. Տիեզերանավ թռիչքի ուղիների հաշվարկը, դրանց շարժումը եւ էներգետիկ դրույթը բարդ առաջադրանքներ են, որոնք պահանջում են ուժեղ պատկերացում ուժի եւ էներգիայի օրենքների մասին: Տիեզերական սարքերը օգտագործում են էներգիայի տարբեր աղբյուրներ, ինչպիսիք են արեւային պանելները եւ ռադիոիզոտոպիկ ջերմաէլեկտրակայանները:

VII. Վերջնական դիտողություններ (հայց)

Այս հոդվածը ապահովում է ուժի եւ էներգետիկ հասկացությունների սպառիչ վերանայում, նրանց հարաբերություններն ու դիմումները տարբեր ոլորտներում: Այս հիմնարար սկզբունքները հասկանալը անհրաժեշտ է ֆիզիկայի ուսումնասիրության եւ շատ տեխնիկական եւ գործնական խնդիրների լուծման համար: