Sadržaj
- Newtonovi zakoni kretanja
- Očuvane količine u fizici
- Energetske transformacije i oblici energije
- Primjeri prijenosa energije
- Praćenje uštede energije
- Primjer kinematike: Slobodni pad
- Što je s Einsteinom?
- Trajni stroj za gibanje?
Jer fizika je proučavanje protoka materije i energije zakon očuvanja energije Ključna je ideja objasniti sve što fizičar proučava i način na koji to proučava.
Fizika nije u memoriranju jedinica ili jednadžbi, već u okviru koji regulira kako se sve čestice ponašaju, čak i ako sličnosti nisu vidljive na prvi pogled.
Prvi zakon termodinamike je izmjena ovog zakona o očuvanju energije u smislu toplinske energije: unutarnja energija sustava mora biti jednak ukupnom svom radu obavljenom u sustavu, plus ili minus toplini koja ulazi u sustav ili izlazi iz njega.
Drugi poznati princip očuvanja u fizici je zakon očuvanja mase; Kao što otkrijete, ova dva zakona očuvanja - i ovdje ćete se upoznati i s dva druga - povezana su više nego što ispunjava oko (ili mozak).
Newtonovi zakoni kretanja
Svako proučavanje univerzalnih fizičkih principa trebalo bi biti potkrijepljeno pregledom triju osnovnih zakona pokreta, koje je Isaac Newton izradio prije stotine godina. Ovi su:
Očuvane količine u fizici
Zakoni očuvanja u fizici primjenjuju se na matematičko savršenstvo samo u istinski izoliranim sustavima. U svakodnevnom su životu takvi scenariji rijetki. Četiri su sačuvane količine masa, energija, moment i kutni zamah, Posljednja tri od njih spadaju pod djelokrug mehanike.
Masa je samo količina materije nečega, a kada se množi s lokalnim ubrzanjem zbog gravitacije, rezultat je težina. Masa se više ne može uništiti ili stvoriti ispočetka nego što to može energija.
moment je proizvod mase predmeta i njegove brzine (m ·v). U sustavu dviju ili više čestica sudaranja, ukupni se zamah sustava (zbroj pojedinačnih trenutaka objekata) nikada ne mijenja sve dok ne postoje gubici trenja ili interakcije s vanjskim tijelima.
Kutni zamah (L) je samo zamah oko osi rotirajućeg objekta, a jednak je m ·v · r, gdje je r udaljenost od objekta do osi rotacije.
energija pojavljuje se u mnogim oblicima, neki korisniji od drugih. Toplina, oblik u kojem je sva energija na kraju predodređena da postoji, najmanje je korisna u smislu njezinog korisnog rada i obično je proizvod.
Zakon očuvanja energije može biti napisan:
KE + PE + IE = E
gdje je KE = kinetička energija = (1/2) mv2, PE = potencijalna energija (jednak mgh kada je gravitacija jedina sila koja djeluje, ali se vidi u drugim oblicima), IE = unutarnja energija, a E = ukupna energija = konstanta.
Energetske transformacije i oblici energije
Sva energija u svemiru nastala je iz Velikog praska i ta se ukupna količina energije ne može promijeniti. Umjesto toga, kontinuirano promatramo oblike koji mijenjaju energiju, od kinetičke energije (energije pokreta) do toplinske energije, od kemijske do električne energije, od gravitacijske potencijalne energije do mehaničke energije i tako dalje.
Primjeri prijenosa energije
Toplina je posebna vrsta energije (Termalna energija) u tome što je, kao što je napomenuto, manje korisno za ljude od ostalih oblika.
To znači da nakon što se dio energije sustava transformira u toplinu, on se ne može tako lako vratiti u korisniji oblik bez unošenja dodatnog rada, što oduzima dodatnu energiju.
Okrutna količina zračeće energije koju sunce izbacuje svake sekunde i nikada je ni na koji način ne može povratiti ili ponovo upotrijebiti, stalni je dokaz ove stvarnosti koja se neprekidno razvija po cijeloj galaksiji i cijelom svemiru. Dio te energije "zarobljen" je u biološkim procesima na Zemlji, uključujući fotosintezu u biljkama, koja prave vlastitu hranu, kao i opskrbu hranom (energijom) za životinje i bakterije, i tako dalje.
Također mogu biti zarobljeni proizvodima ljudskog inženjerstva, poput solarnih ćelija.
Praćenje uštede energije
Studenti fizike u srednjim školama obično koriste pitane grafikone ili crtežne grafikone kako bi pokazali ukupnu energiju ispitivanog sustava i pratili njegove promjene.
Budući da se ukupna količina energije u pita (ili zbroj visina šipki) ne može promijeniti, razlika u kategorijama kriški ili šipki pokazuje koliko je ukupna energija u bilo kojoj točki jedan oblik energije ili drugi.
U scenariju se na različitim točkama mogu prikazati različite karte za praćenje tih promjena. Na primjer, imajte na umu da se količina toplinske energije gotovo uvijek povećava, što u većini slučajeva predstavlja otpad.
Na primjer, ako bacate kuglu pod kutom od 45 stupnjeva, u početku je sva njena energija kinetička (jer je h = 0), a zatim u mjestu na kojem lopta doseže najvišu točku, potencijalna energija kao udio ukupna energija je najveća.
I kako raste, a kako kasnije pada, dio njegove energije pretvara se u toplinu kao rezultat sila trenja iz zraka, tako da KE + PE ne ostaje konstantan u cijelom ovom scenariju, već se smanjuje, dok ukupna energija E i dalje ostaje konstantna ,
(Umetnite neke primjerne dijagrame sa pie / bar grafikonima koji prate promjene energije
Primjer kinematike: Slobodni pad
Ako držite kuglu za kuglanje od 1,5 kg sa krova 100 m (oko 30 priča) iznad zemlje, možete izračunati njenu potencijalnu energiju s obzirom na to da vrijednost g = 9,8 m / s2 i PE = mgh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1.470 Joulesa (J)
Ako otpustite kuglu, nula kinetičke energije povećava se i brže kako kuglica pada i ubrzava. U trenutku kad dođe do tla, KE mora biti jednak vrijednosti PE na početku problema, odnosno 1.470 J. U ovom trenutku,
KE = 1.470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5 kg)v2
Ako ne izgubimo energiju zbog trenja, očuvanje mehaničke energije omogućava vam da izračunate v, za koje se ispostavilo 44,3 m / s.
Što je s Einsteinom?
Studenti fizike mogli bi zbuniti poznate masa-energija jednadžba (E = mc2), pitajući se prkosi li zakonu čuvanje energije (ili očuvanje mase), jer podrazumijeva da se masa može pretvoriti u energiju i obrnuto.
To zapravo ne krši nijedan zakon jer pokazuje da su masa i energija zapravo različiti oblici iste stvari. To je svojevrsno mjerenje istih u različitim jedinicama s obzirom na različite zahtjeve klasičnih i kvantnih mehaničkih situacija.
U toplinskoj smrti svemira, prema trećem zakonu termodinamike, sva će se materija pretvoriti u toplinsku energiju. Jednom kada se ova pretvorba energije završi, više se ne mogu dogoditi nikakve transformacije, barem ne bez drugog hipotetičkog pojedinačnog događaja kao što je Veliki prasak.
Trajni stroj za gibanje?
"Stalni stroj za kretanje" (npr. Klatno koje se ljulja s istim vremenskim razmakom i pomiče se bez ikakvog usporavanja) na Zemlji je nemoguće zbog otpora zraka i pridruženih gubitaka energije. Da bi se gizmo nastavio trebao bi se u nekom trenutku unijeti vanjski rad, čime se poništava svrha.