Kinētiskās Enerģijas Formula

[Semarias Alfna]

Laiizlasītu šo fiztēmu, ir jāpaveic darbs, bet lai paveiktu darbu, ir vajadzīga enerģija! Arī, piemēram, pirms ejam uz skolu vai darbu mēs kaut ko iekožam/ieēdam. Tātad, enerģiju var definēt kā fizikālas sistēmas spēju veikt darbu. Padarītais darbs ir vienāds ar enerģijas izmaiņu, kas nepieciešama darba veikšanai, tādēļ gan darbam, gan enerģijai ir viena un tā pati mērvienība - džouls (J). Piemēram, ja 1 N lielu spēku pārvieto kasti par 1 m, tad ir padarīt 1 J liels darbs un līdz ar to patērēta 1 J liela enerģija (1.att.).

Enerģija var izpausties divās formās:

1) Kinētiskā enerģija;

2) Potenciālā enerģija.

Fiztēmā par darbu (saite uz fiztēmu) noskaidrojām, ka, palaižot vaļā virs zemes paceltu ķermeni, smaguma spēks veic darbu, lai ķermenis kristu zemes virzienā. Līdz ar to var secināt, ka arī paceltam ķermenim piemīt spēja veikt darbu, kaut gan tas sākotnēji neatrodas kustībā. Šādā gadījumā saka, ka ķermenim ir potenciālā enerģija Ep, ko aprēķina Ep=mgh, kur

m - ķermeņa masa, kg

g - brīvās krišanas paātrinājums, m/s2

h - augstums virs zemes, m

Svarīgi ir tas, ka nosakot potenciālo enerģiju ir jāpieņem nulles līmenis, piemēram, zemes virsmu vai grīdu. Lai arī cilvēks ir aizmidzis krēslā un daudz nekustas (3. att.), tā masas centrs atrodas noteiktā augstumā virs zemes un tam piemīt potenciālā enerģija.

Ķermenim reizē varbūt gan kinētiskā, gan potenciālā enerģija, līdz ar to ķermeni stāvokli var raksturot, ja izmanto abus šos enerģijas veidus. Potenciālas Ep un kinētiskās enerģijas Ek summu sauc par pilno mehānisko enerģiju E (5. att.). Ja aplūkotais ķermenis neatrodas mijiedarbībā ar citiem ķermeņiem, tad pilnā mehāniskā enerģija paliek nemainīgs lielums, tas ir viens no universālajiem fizikas likumiem - enerģijas nezūdamības likums -, kas nosaka to, ka enerģija nezūd un nerodas no jauna, bet tikai maina savu formu. Tāpēc, ja palielinās vai samazinās kinētiskā enerģija, tad attiecīgi palielinās vai samazinās potenciālā enerģija.

Kinētiskās enerģijas aprēķina izteiksme Ek=mv2/2 parāda, ka visvairāk kinētisko enerģiju ietekmē ātrums, jo kinētiskā enerģijas atkarība no ātruma ir kvadrātiska. Tādēļ arī tiek uzsvērta ātruma lielā nozīmē ceļu satiksmes drošībā, jo, palielinot ātrumu 2 reizes, transporta līdzekļa kinētiskā enerģija pieaug 4 reizes un lai automašīnu apturētu, kādam spēkam ir jāpastrādā darbs šīs kinētiskaš enerģijas apmērā. Ja 1 t smaga automašīna pilsētā apstājusies pie luksofora (1. att. a), tad tās kinētiskā enerģija ir 0. Sasniedzot pilsētā atļauto ātrumu 50 km/h, kinētiskā enerģija ir pieaugusi aptuveni līdz 10 kJ (1. att. b). Grafiski attēlojot kinētiskās enerģijas atkarību no ātruma, iegūst uzskatāmu kvadrātiskā pieauguma grafiku (1. att. c).

Līdz ar ātruma lielo ietekmi uz kinētisko enerģiju, nav jābrīnās, ja viegli ķermeņi sasniedz masīvu ķermeņu kinētisko enerģiju, tiem tikai jākustās pietiekoši ātri! Latviešu tenisista Ernesta Gulbja maksimālais serves ātrums ar 57 g smagu bumbiņu ir 240 km/h. Šādai bumbiņai kinētiskā enerģija ir 127 J. Ja pēc spēles Gulbis izbrac nelielu līkumu ar motociklu (kopējā masa 250 kg), tad braucot ar ātrumu 1 m/s, tiktu sasniegta tieši tā pati kinētiskā enerģija (2. att.).

Monster Truck šova laikā iespaidīgie automobiļi veic galvu reibinošus trikus (4. att. a), kuros tiem jārēķinās ar uz automobili darbojošos smaguma spēku. Tomēr smaguma spēks nav vienīgais, kas ietekē mūsu vertikālās kustības dinamiku. Izmantojot, piemēram, liftu vai eskalatoru (4. att. b) elektromotori veic darbu, lai pārvietotu mūs noteiktā augstumā un izmainītu mūsu potenciālo enerģiju.

Ja tiek deformēts kāds elastīgs ķermenis, tad šādā gadījumā arī tiek uzkrāta enerģija, jo pārtraucot deformāciju, ķermenis ir spējīgs veikt darbu. Piemēram, ja tiek nospiesta poga uz tālvadības pults (5. att.), tad pēc pogas atlaišanas tā atgriežas sākotnēja stāvoklī, veicot darbu uz uzkrātās potenciālās enerģijas rēķina.

Ja pogai ir jāpadara lielāks mehāniskais darbs nekā tas ir, piemēram, 5. att. redzamajai pultij, tad pogas mehānismā tiek iebūvēta atspere, kas uzkrāj potenciālo enerģiju un veic nepieciešamo darbu pogas atgriešanai sākuma stāvoklī. Drošības noteikumu ietvaros, Lielā Hadronu paātrinātāja (LHC) darbības apturēšanai vadības panelī (6. att. a) ir ierīkota liela, sarkana poga (6. att. b), kuras mehānismā ir atspere, kas pogas lietošanas gadījumā to atgriež sākotnējā stāvoklī.

Iepriekš kinētiskā enerģija tika pieminēta, ja objekts pārvietojās, tomēr tas nav obligāti nepieciešams. Arī rotējošiem ķermeņiem ir noteiks kinētiskās enerģijas daudzums (7. att. a), ko aprēkiņa, izmantojot izteiksmi Ek=Iω2/2, kur

I - ķermeņa inerces moments, kgm2

ω - rotācijas leņķiskais ātrums, rad/s

Datora cietais disks parasti nemēdz kustēties prom no datora korpusa, tomēr šīs datora komponentes iekšpusē notiek atmiņas elementa rotācijas kustība (7. att. b), kas piešķir tam kinētisko enerģiju.

Enerģijas nezūdamības likums ir universāls fizikas likums, kas nosaka to, ka kopējais slēgtā sistēmā esošais enerģijas daudzums laikā nemainās, neatkarīgi no tā, kādi procesi sistēmā norisinās. Tas nozīmē, ka enerģija nezūd un nerodas no jauna, tā tikai pārvēršas no viena enerģijas veida citā vai pāriet no viena ķermeņa uz citu. Lai enerģijas nezūdamības likums būtu spēkā, ir būtiski, ka apskatāmā sistēma nemijiedarbojas ar apkārtējo vidi jeb citām ārpus tās esošām sistēmām. Šādas sistēmas sauc par slēgtām jeb izolētām. Piemēram, Zeme nav slēgta sistēma, jo tā nepārtraukti saņem siltumu no Saules.

Mehānikā enerģijas nezūdamības likums nosaka to, ka ķermeņa pilnā mehāniskā enerģija ir konstanta jeb laikā nemainās, ja ķermeņa kustību neietekmē ārēji apstākļi. Pilnā mehāniskā enerģija E ir kinētiskās jeb kustības enerģijas Ek un potenciālās jeb ķermeņa iekšējās enerģijas Ep summa:

1960. gadu beigās dzimušais kevlars ir jauna veida augsto tehnoloģiju sintētiskā šķiedra. To plaši izmanto ložu necaurlaidīgo izstrādājumu jomā un ir viens no ideāliem ložu necaurlaidīgajiem materiāliem. Tātad, kāds materiāls ir Kevlars, un kāpēc tam ir tik spēcīga ložu necaurlaidīga veiktspēja? Kādas ir parastās lietojumprogrammas? Sāksim ar Kevlara molekulāro struktūru un ložu necaurlaidības principu.

Kevlar sākotnēji bija sava veida aramīda šķiedras materiāls, ko izstrādāja DuPont (DuPont) Amerikas Savienotajās Valstīs. Tā ķīmiskais nosaukums ir poliparafenilēntereftalamīds, kas ir polimerizēts no p-fenilēndiamīna un tereftaloilhlorīda. augstas molekulmasas polimēros. Molekulārā formula ir (C14H10O2N2)n, kas nozīmē, ka tā sastāv no atkārtotām vienībām, kas savienotas viena ar otru, veidojot ķēdes struktūru, un šīs ķēdes struktūras ir savienotas ar ūdeņraža saitēm, veidojot tīklu.

Kā minēts iepriekš, atšķirībā no cietajiem ložu necaurlaidīgajiem materiāliem, piemēram, keramikas un metāliem, Kevlaram ir īpaši augsta izturība, laba stingrība un stiepes īpašības, pateicoties ciešai ķīmisko saišu kombinācijai molekulā. Vla šķiedra radīs elastīgu deformāciju šāviņa stiepšanās un bīdes dēļ. Šī procesa laikā lodes enerģija ir spiesta izkliedēties uz citu zonu, nevis trieciena punktu. Kinētiskās enerģijas zudums ievērojami samazinās lodes ātrumu, un galu galā to pārtvers šķiedras tīkls. Kevlar pielietojums ložu necaurlaidības jomā ir ievērojami uzlabojis dažādu ložu necaurlaidīgu izstrādājumu aizsardzības veiktspēju un tajā pašā laikā ievērojami samazinājis ložu necaurlaidīgā aprīkojuma svaru, kas ir liels progress ložu necaurlaidības jomā.

Ar labu karstumizturību, stiepes izturību un augstu izturību Kevlar ir plaši izmantots dažādu ikdienas dzīves produktu un ložu necaurlaidīgu iekārtu ražošanā. Piemēram, dzērienu salmiņi un aizsargcimdi, kas bieži tiek izmantoti mūsu ikdienā; izpletņu troses kosmosa vajadzībām, troses kuģiem; sacīkšu tērpi, ugunsdzēsēju siltumizolācijas aizsargtērpi; militārās bruņuvestes, ložu necaurlaidīgās plāksnes, bruņu ķiveres utt. Pagaidiet. Kevlar pielietojums ievērojami atvieglo mūsu dzīvi un veicina ražošanas nozares progresu.

Strāvas iedarbībā dažādi elektrības vadītāji sasilst, jo elektroni, saduroties ar materiālu veidojošajiem atomiem vai molekulām, atdod tiem daļu savas kinētiskās enerģijas. Vieni vadītāji sasilst vairāk, citi mazāk - tas atkarīgs no to elektriskās pretestības un arīno cauri plūstošā elektronu skaita laika vienībā, kuru raksturo strāvas stiprums. Strāvas radito siltumu iespējams aprēķināt, jo vadītājā izdalītais siltuma daudzums Q ir vienāds ar strāvas veikto darbu (Q = A). Formula strāvas darba aprēķināšanai jau iepriekš bija dota, līdz ar to varam uzrakstīt, ka Q. = Ult

Uz spuldzes vienmēr ir rakstīts spriegums, kādam tā paredzēta. Ja lietošanai elektriskajā tīklā paredzētu spuldzi (220 V) pievieno automašīnas akumulatoram, kura spriegums ir 12 V, tā nespīd, jo spriegums ir pārāk zems. Savukārt kabatas lukturīša spuldzīti, kas paredzēta dažu voltu spriegumam, nedrīkst piesllēgt elektriskajam tīklam, jo tad spriegums būs pārāk liels un kvēldiegs momentā pārdegs. Vēl uz spuldzēm raksta to jaudu vatos vai caur spuldzi plūstošās strāvas stiprumu ampēros.

Angliski maiņstrāvu sauc par "alternating current", saīsināti - AC. Līdzstrāvu sauc par "direct current" un saīsināti apzīmē DC. Šos apzīmējumus bieži var atrast elektrisko ierīču aprakstos.

3a8082e126