Энергия в физике. Виды энергии. Работа и энергия

Предположим, мы взяли тележку, наполненную кирпичами, и она весит m килограммов. Начав толкать ее с определенной силой F, мы смогли переместить ее на расстояние s.

Снова учим физику: энергия и работа в классической механике

Понятие энергия встречается повсюду. Мы говорим о жизненной энергии, внутренней энергии, электроэнергии и атомной энергии. Однако попробуйте сформулировать точное определение, что такое энергия? Такое задание заставит задуматься почти каждого. То же касается и слова работа. Все мы работаем, и у нас всегда есть дела. Но, что конкретно мы понимаем под работой? Ответы на эти вопросы нужны именно в этой статье!

На нашем канале в Телеграм вы можете найти много полезной информации на разные темы.

Энергия

Сначала рассмотрим самую простую интерпретацию. Из множества возможных определений энергии выделим одно:

Энергия – это одно из основных свойств материи и мера способности выполнять работу.

В классической механике энергия измеряется в Джоулях и чаще всего обозначается буквой E.

Теперь мы плавно переходим к понятию работы. Хотя, как показывает практика, работа – занятие не самое любимое, гораздо приятнее отдыхать. Но давайте подробно разберем и этот аспект.

Механическая энергия

Механическая энергия подразделяется на кинетическую (энергию движения) и потенциальную (энергию взаимодействия). Сумма этих двух видов энергии представляет собой механическую энергию.

Потенциальная энергия определяется взаимным расположением взаимодействующих тел или частями одного и того же тела. Например, объект, который находится на определенной высоте над уровнем Земли, имеет потенциальную энергию, поскольку она зависит от положения этого объекта относительно Земли (как указывает А. В. Пёрышкин в своем учебнике по физике за 7 класс). Огромное количество потенциальной энергии содержится в воде в реках, которая удерживается плотинами. Когда вода падает, она преобразует свою потенциальную энергию в работу, приводя в движение мощные турбины гидроэлектростанций.

Для того чтобы вычислить потенциальную энергию (обозначаемую как Eп), необходимо знать массу тела (m) и высоту, на которой оно находится: Eп = mgh или Eп = Fh, где mg = F.

Кинетическая энергия определяется как энергия, которой объект обладает в результате своего движения. Например, движущаяся вода, вращая колеса водяной мельницы, использует свою кинетическую энергию, осуществляя работу.

Кинетическую энергию также имеет движущийся воздух — ветер, например, вращающий флюгеры на крышах.

На современных гидроэлектростанциях кинетическую энергию воды превращают в электрическую энергию.

Кинетическая энергия прямо пропорциональна массе и квадрату скорости объекта. Она обозначается буквой Eк. Формула имеет вид: Eк = (mv²) / 2.

Тепловая энергия

Тепловая энергия представляет собой энергию движения частиц. Однако данное определение не совсем точное, так как теплота — это только один из способов передачи энергии, наряду с работой. В производственной и повседневной жизни тепловая энергия имеет огромное значение: ежедневно мы кипятим воду для чая или кофе, нагреваем еду на плите и так далее. В промышленности ее используют для выполнения различных физических операций, не требующих химических преобразований, таких как плавление, нагревание или сушка.

Существуют разные формулы для вычисления тепловой энергии:

\\mathrm=\mathrm \Delta \mathrm, \mathrm=\mathrm, \mathrm=\mathrm, \mathrm=\lambda \mathrm\, где q — удельная теплота сгорания топлива, L — удельная теплота парообразования, c — удельная теплоемкость, λ — удельная теплота плавления.

Как работа соотносится с энергией

В связи с этим, долгое время понятие энергии считалось более философским, чем строго научным. Такие выдающиеся ученые как Лейбниц, Лагранж, Бернулли и другие выдвигали свои уникальные интерпретации количественной и качественной характеристики энергии. Точное научное определение энергии в физике было охарактеризовано лишь к 1807 году, во многом благодаря британскому естествоиспытателю Томасу Юнгу.

Юнг определил механическую работоспособность и связал её с понятием работы. На основании его выводов можно сказать, что работа и энергия связаны следующим образом:

Энергия — это количественная мера, передающаяся внутри системы при физическом изменении, отражающая способность объекта выполнять работу.

Если объект способен совершить работу или фактически это делает, значит, у него есть энергия. Это означает, что чем больше работа, выполняемая телом, тем выше его энергетический потенциал.

Работа и энергия в физике — зачем это нужно?

Почему нам нужна энергия, если уже существует понятие работы? Это вполне резонный вопрос, который, как правило, возникает у каждого, кто в первый раз изучает физику и наталкивается на концепцию энергии как меры, показывающей способность выполнять работу.

Есть масса, есть сила, есть работа. Необходима ли в этом контексте еще абстракция энергии? Как можно понимать термин способность выполнять работу? Так, как будто ее может не быть. Давайте представим, что понятие энергии как физической величины вообще отсутствует, и попробуем решить стандартную задачу на работу.

Условие. Автомобиль преодолел расстояние 3500 км. Определите работу, выполненную автомобилем, если он имеет силу тяги $20~кН$.

Решение. Работа равна произведению силы на пройденное расстояние: $A=F\Delta s$. Сила тяги составляет 20 кН, что можно выразить в стандартных единицах как $20 \cdot 10^3~Н$. Подставив в формулу, получаем: $A= 20\cdot 10^3~Н \cdot 3500~м=70000000~Дж=70~МДж$.

Автомобиль выполнил работу в 70 мегаджоулей. Однако, предположим, что такой вывод мы сделали «по умолчанию», что автомобиль действительно трудился. Да, двигатель создает силу, и машина проезжает 3500 километров. Но ведь что, если она просто не заведется? Может быть просто нет топлива? Двигателю необходимо какое-то значение энергии, чтобы выполнить эту работу на должном уровне.

Имя абстрактного понятия энергии именно и позволяет учесть все эти аспекты. Каждая сила, реакция, процесс, движение требуют определенного запаса энергии, чтобы происходить и реализовываться. Ваше тело, к примеру, может иметь силу и переносить тяжелые предметы, но если вовремя не поесть, вы не сможете полностью реализовать весь свой потенциал.

Эксперимент с шариками

Эксперимент заключается в следующем: будем скатить шарики с горки произвольной формы (см. рис. 10).

Рис. 10. Горка произвольной формы

Мы даже можем не знать точной формы горки. Установим у подножия горки резиновую мембрану. Шарик будет ударять по мембране, и мы сможем наблюдать за её прогибом (см. рис. 11).

Рис. 11. Поведение мембраны под воздействием шарика

Сперва возьмем шарик массой m = 1 кг и скатим его с высоты h = 1 м. Мы увидим, что мембрана прогнется (см. рис. 12).

Рис. 12. Скатывание шарика с горки высотой 1 м

Если взять больший шарик или повысить высоту горки – мембрана прогнется значительно сильнее (см. рис. 13).

Но если мы возьмем шарик массой m = 0,5 кг и прокатим его с высоты h = 2 м, увидим тот же эффект. Аналогично, если шарик массой m = 2 кг скатить с горки высотой h = 0,5 м, мы наблюдаем аналогичный результат (см. рис. 13).

Рис. 13. Поведение мембраны в зависимости от массы шарика

Таким образом, можно сделать вывод, что важно произведение m·h. Мембрана прогибается одинаково при одинаковом произведении m·h. Это означает, что:

E~m·h

Кинетическая и потенциальная энергии

Энергия санок на горке обусловлена тем, что объект поднят на некоторую высоту. Эту энергию традиционно называют потенциальной энергией тела, расположенного выше поверхности (см. рис. 14).

Когда санки спускаются вниз по склону, они разгоняются до определенной скорости. Потенциальная энергия трансформируется в кинетическую энергию, связанную с движением объекта (см. рис. 15).

Как эффективно подготовиться к ЦТ по физике и математике?

Для успешной подготовки к ЦТ по физике и математике необходимо выполнить три ключевых условия:

1. Изучить все темы, а также выполнить тесты и задания, представленные в учебных материалах на нашем сайте. Для этого достаточно уделять подготовке к ЦТ по физике и математике три-четыре часа в день. Дело в том, что ЦТ — это экзамен, на котором недостаточно просто знать физику или математику, нужно научиться эффективно, быстро и без ошибок решать большое количество задач разной сложности. Этому навыку можно овладеть только решая тысячи задач.
2. Выучить все формулы и законы в физике, а также формулы и методы в математике. На самом деле, это не так уж сложно: в физике всего около 200 формул, а в математике численно даже меньше. В каждом предмете есть около десятка стандартных методов решения задач базового уровня, которые также можем выучить, чтобы впоследствии на автомате и без затруднений решать большую часть ЦТ. В результате вам останется лишь поразмышлять над самыми сложными задачами.
3. Посетить все три этапа репетиционного тестирования по физике и математике. На каждом этапе можно пройти тестирование по два раза, чтобы проработать оба варианта. Кроме умения быстро и качественно решать задачи, знание формул и методов, важно также правильно планировать время, распределять усилия и, что самое важное, аккуратно заполнять бланки ответов, чтобы не перепутать номера задач и свои данные. Во время репетиции также важно привыкнуть к стилю постановки вопросов, ведь он может казаться незнакомым и трудным для неподготовленного участника.

Тщательное и ответственное выполнение этих трех пунктов, а также тщательная проработка итоговых контрольных тестов, позволит вам добиться на ЦТ отличных результатов, максимально приближенных к вашему потенциалу.

Обнаружили ошибку?

Если, по вашему мнению, вы нашли ошибку в учебных материалах, пожалуйста, сообщите об этом на электронную почту (адрес электронной почты указан здесь). В своем сообщении укажите предмет (физика или математика), название или номер темы, номер задачи, или конкретное место в тексте (страницу), где, по вашему мнению, находится ошибка. Дополнительно опишите, в чем, как вам кажется, заключается ошибка. Ваше сообщение не останется без внимания: ошибка будет исправлена, или вам объяснят, почему это не является ошибкой.

ЗАПРЕЩЕНО использование материалов, размещенных на сайте, или их частей в любых коммерческих целях, а также их копирование, воспроизведение, публикация или любое другое использование в любом формате. Нарушение авторских прав может повлечь юридическую ответственность. Для получения более детальной информации, пожалуйста, ознакомьтесь с условиями.