Fórmula para encontrar energía. Energía: energía potencial y cinética. Ley de conservación de la energía mecánica total.

Dependiendo del tipo de movimiento, la energía se consume varias formas: cinético, potencial, interno, electromagnético, etc. Sin embargo, la mayoría de los problemas de dinámica y cinemática consideran energías cinéticas y potenciales. La suma de estas dos cantidades es la energía total, que es lo que necesitamos encontrar en muchos de estos problemas.

Para encontrar la energía total como se indicó anteriormente, primero es necesario calcular la energía cinética y potencial por separado. La energía cinética es la energía del movimiento mecánico de un sistema. La velocidad de movimiento es un valor fundamental, y cuanto mayor es, mayor es la energía cinética del cuerpo. A continuación se indica para calcular la energía cinética: E = mv^2 /2, donde m es un cuerpo, kg, v es un cuerpo en movimiento, m/s. De esta fórmula podemos concluir que el valor de la energía cinética no depende solo de. velocidad, sino también por masa. Una carga de mayor masa a la misma velocidad tiene más energía.

La energía potencial también se llama energía en reposo. Es la energía mecánica de varios cuerpos, caracterizada por la interacción de sus fuerzas. El valor de la energía potencial se encuentra en función de la masa del cuerpo, sin embargo, a diferencia del caso anterior, este no se mueve a ningún lado, es decir, su velocidad es cero. El caso más común es cuando un cuerpo cuelga sobre la superficie de la Tierra en reposo. En este caso, la fórmula para la energía potencial quedará así: P=mgh, donde m es la masa corporal, kg, y h es la altura a la que se encuentra el cuerpo, m. También hay que tener en cuenta que la energía potencial no. siempre tiene un valor positivo. Si, por ejemplo, es necesario determinar la energía potencial de un cuerpo ubicado bajo tierra, entonces tomará un valor negativo: P = -mgh

La energía total es el resultado de la suma de la cinética y el potencial. Por tanto, la fórmula para calcularla se puede escribir de la siguiente manera: Eo=E+P=mv^2/2+mgh En particular, un cuerpo volador posee simultáneamente ambos tipos de energía, y la relación entre ellos cambia durante las diferentes fases de su vida. vuelo. En el punto de referencia cero predomina la energía cinética, luego a medida que avanza el vuelo parte de ella se convierte en energía potencial, y al final del vuelo comienza a predominar nuevamente la energía cinética.

Vídeo sobre el tema.

Para determinar la energía total de movimiento de un cuerpo físico o la interacción de elementos de un sistema mecánico, es necesario sumar los valores de la energía cinética y potencial. Según la ley de conservación, esta cantidad no cambia.

Instrucciones

La energía es un concepto físico que caracteriza la capacidad de los cuerpos de algún sistema cerrado para realizar una determinada tarea. La energía mecánica acompaña cualquier movimiento o interacción y puede transferirse de un cuerpo a otro, liberarse o absorberse. Depende directamente de las fuerzas que actúan en el sistema, sus magnitudes y direcciones.

La energía cinética Ekin es igual al trabajo de la fuerza motriz, que imparte aceleración a un punto material desde un estado de reposo hasta la adquisición de una determinada velocidad. En este caso, el cuerpo recibe una reserva igual a la mitad del producto de la masa m por el cuadrado de la velocidad v²: Ekin = m v²/2.

Los elementos de un sistema mecánico no siempre están en movimiento; también se caracterizan por un estado de reposo. En este momento surge la energía potencial. Este valor no depende de la velocidad del movimiento, sino de la posición del cuerpo o de la disposición de los cuerpos entre sí. Es directamente proporcional a la altura h a la que se encuentra el cuerpo sobre la superficie. De hecho, la energía potencial es impartida al sistema por la fuerza de gravedad que surge entre cuerpos o entre un cuerpo y: Epot = m g h, donde g es un valor constante, la aceleración de la gravedad.

La energía cinética y la potencial se equilibran entre sí, por lo que su suma es siempre constante. Existe una ley de conservación de la energía, según la cual la energía total siempre permanece constante. En otras palabras, no puede surgir del vacío ni desaparecer en ninguna parte. Para determinar la energía total, debes combinar las siguientes fórmulas: Epol = m v²/2 + m g h = m (v²/2 + g h).

Un ejemplo clásico de conservación de energía es el péndulo matemático. La fuerza aplicada imparte trabajo, lo que hace que el péndulo oscile. Poco a poco, la energía potencial generada en el campo gravitatorio lo obliga a reducir la amplitud de las oscilaciones y, finalmente, a detenerse.

Las energías cinética y potencial son características de la interacción y movimiento de los cuerpos, así como su capacidad para realizar cambios en el entorno externo. La energía cinética se puede determinar para un cuerpo en relación con otro, mientras que la energía potencial siempre describe la interacción de varios objetos y depende de la distancia entre ellos.

Energía cinética

La energía cinética de un cuerpo es una cantidad física que es igual a la mitad del producto de la masa del cuerpo por su velocidad al cuadrado. Esta es la energía del movimiento, equivale al trabajo que debe realizar una fuerza aplicada a un cuerpo en reposo para impartirle una velocidad determinada. Después de un impacto, la energía cinética se puede convertir en otro tipo de energía, como sonido, luz o calor.

El enunciado, que se llama teorema de la energía cinética, dice que su cambio es el trabajo de una fuerza resultante aplicada al cuerpo. Este teorema siempre es válido, incluso si el cuerpo se mueve bajo la influencia de una fuerza que cambia continuamente y su dirección no coincide con la dirección de su movimiento.

Energía potencial

La energía potencial no está determinada por la velocidad, sino por la posición relativa de los cuerpos, por ejemplo, en relación con la Tierra. Este concepto sólo puede introducirse para aquellas fuerzas cuyo trabajo no depende de la trayectoria del cuerpo, sino que está determinado únicamente por sus posiciones inicial y final. Estas fuerzas se denominan conservativas; su trabajo es cero si el cuerpo se mueve a lo largo de una trayectoria cerrada.

Fuerzas conservativas y energía potencial.

La fuerza de gravedad y la fuerza de elasticidad son conservadoras; para ellas se puede introducir el concepto de energía potencial. Lo que tiene un significado físico no es la energía potencial en sí, sino su cambio cuando un cuerpo se mueve de una posición a otra.

El cambio en la energía potencial de un cuerpo en el campo de gravedad, tomado con el signo opuesto, es igual al trabajo realizado por la fuerza para mover el cuerpo. Durante la deformación elástica, la energía potencial depende de la interacción de las partes del cuerpo entre sí. Al poseer una cierta reserva de energía potencial, un resorte comprimido o estirado puede poner en movimiento el cuerpo que está adherido a él, es decir, impartirle energía cinética.

Además de las fuerzas de elasticidad y gravedad, la propiedad del conservadurismo tiene otros tipos de fuerzas, por ejemplo, la fuerza de interacción electrostática de cuerpos cargados. Para la fuerza de fricción no se puede introducir el concepto de energía potencial; su trabajo dependerá del camino recorrido.

Fuentes:

• Physikon, Energías cinéticas y potenciales.

Joule (J) es una de las unidades de medida más importantes del Sistema Internacional de Unidades (SI). Los julios miden el trabajo, la energía y el calor. Para presentar el resultado final en julios, trabaje con unidades SI. Si en el problema se dan otras unidades de medida, conviértalas a unidades del Sistema Internacional de Unidades.

Pasos

Cálculo del trabajo (J)

El concepto de trabajo en física. Si mueves la caja, harás trabajo. Si levantas la caja, harás trabajo. Para que la obra se complete se deben cumplir dos condiciones:

• Aplicas una fuerza constante.
• Bajo la acción de una fuerza aplicada, el cuerpo se mueve en la dirección de la fuerza.

1. Calcula el trabajo. Para hacer esto, multiplique la fuerza y ​​​​la distancia (por la cual se movió el cuerpo). En el SI, la fuerza se mide en newtons y la distancia en metros. Si utiliza estas unidades, el trabajo realizado se medirá en julios.

   Encuentra la masa del cuerpo. Es necesario calcular la fuerza que se debe aplicar para mover el cuerpo. Consideremos un ejemplo: calcule el trabajo realizado por un atleta al levantar (desde el suelo hasta el pecho) una barra que pesa 10 kg.

   • Si el problema tiene unidades de medida no estándar, conviértalas a unidades SI.

2. Calcula la fuerza. Fuerza = masa x aceleración. En nuestro ejemplo, tenemos en cuenta la aceleración de la gravedad, que es igual a 9,8 m/s 2 . La fuerza que se debe aplicar para mover la barra hacia arriba es 10 (kg) x 9,8 (m/s2) = 98 kg∙m/s2 = 98 N.

   • Si el cuerpo se mueve en un plano horizontal, no se tiene en cuenta la aceleración debida a la gravedad. Es posible que el problema requiera que calcules la fuerza necesaria para superar la fricción. Si se da la aceleración en el problema, simplemente multiplíquela por la masa dada del cuerpo.

3. Mide la distancia recorrida. Para nuestro ejemplo, digamos que la barra se eleva a una altura de 1,5 m (si el problema tiene unidades de medida no estándar, conviértalas a unidades SI).

   Multiplica la fuerza por la distancia. Para levantar una barra de 10 kg a una altura de 1,5 m, el atleta realizará un trabajo igual a 98 x 1,5 = 147 J.

   Calcule el trabajo realizado cuando la fuerza se dirige formando un ángulo. El ejemplo anterior era bastante sencillo: las direcciones de la fuerza y ​​el movimiento del cuerpo coincidían. Pero en algunos casos la fuerza se dirige en ángulo con respecto a la dirección del movimiento. Consideremos un ejemplo: calcule el trabajo realizado por un niño que tira de un trineo una distancia de 25 m utilizando una cuerda que tiene una desviación de la horizontal de 30º. En este caso, trabajo = fuerza x coseno (θ) x distancia. El ángulo θ es el ángulo entre la dirección de la fuerza y ​​la dirección del movimiento.

   Encuentre la fuerza total aplicada. En nuestro ejemplo, digamos que el niño aplica una fuerza de 10 N.

   • Si el problema dice que la fuerza se dirige hacia arriba, hacia la derecha/izquierda, o su dirección coincide con la dirección del movimiento del cuerpo, entonces para calcular el trabajo, simplemente multiplica la fuerza por la distancia.

4. Calcula la fuerza correspondiente. En nuestro ejemplo, sólo una parte de la fuerza total empuja el trineo hacia adelante. Como la cuerda apunta hacia arriba (en ángulo con la horizontal), otra parte de la fuerza total intenta levantar el trineo. Por tanto, calcule la fuerza cuya dirección coincide con la dirección del movimiento.

   • En nuestro ejemplo, el ángulo θ (entre el suelo y la cuerda) es de 30º.
   • cosθ = cos30º = (√3)/2 = 0,866. Encuentre este valor usando una calculadora; Establezca la unidad de ángulo en la calculadora en grados.
   • Multiplica la fuerza total por cosθ. En nuestro ejemplo: 10 x 0,866 = 8,66 N es una fuerza cuya dirección coincide con la dirección del movimiento.

5. Multiplica la fuerza correspondiente por la distancia para calcular el trabajo. En nuestro ejemplo: 8,66 (N) x 20 (m) = 173,2 J.

   Cálculo de energía (J) a partir de una potencia dada (W)

   Cálculo de la energía cinética (J)

   1. La energía cinética es la energía del movimiento. Se puede expresar en julios (J).

      • La energía cinética equivale al trabajo realizado para acelerar un cuerpo estacionario hasta una determinada velocidad. Al alcanzar una determinada velocidad, la energía cinética de un cuerpo permanece constante hasta que se convierte en calor (por fricción), energía potencial gravitacional (cuando se mueve contra la gravedad) u otros tipos de energía.

   2. Encuentra la masa del cuerpo. Por ejemplo, calcula la energía cinética de una bicicleta y un ciclista. La masa del ciclista es 50 kg, y la masa de la bicicleta es 20 kg, es decir, la masa total del cuerpo es 70 kg (considere la bicicleta y el ciclista como un solo cuerpo, ya que se moverán en el mismo dirección y a la misma velocidad).

      Calcula la velocidad. Si la velocidad está dada en el problema, pase al siguiente paso; de lo contrario, calcúlelo utilizando uno de los métodos siguientes. Tenga en cuenta que aquí se puede despreciar la dirección de la velocidad; Además, supongamos que el ciclista circula estrictamente en línea recta.

      • Si el ciclista viajaba a velocidad constante (sin aceleración), mida la distancia recorrida (m) y divídala por el tiempo (s) necesario para recorrer esa distancia. Esto le dará una velocidad promedio.
      • Si el ciclista aceleró, pero el valor de la aceleración y la dirección del movimiento no cambiaron, entonces la velocidad en un momento dado t se calcula mediante la fórmula: aceleración x t + velocidad inicial. El tiempo se mide en segundos, la velocidad en m/s y la aceleración en m/s 2.

   3. Sustituye los valores en la fórmula. Energía cinética = (1/2)mv 2, donde m es la masa, v es la velocidad. Por ejemplo, si la velocidad de un ciclista es 15 m/s, entonces su energía cinética K = (1/2)(70 kg)(15 m/s) 2 = (1/2)(70 kg)(15 m /s)( 15 m/s) = 7875 kg∙m 2 /s 2 = 7875 N∙m = 7875 J

   Cálculo de la cantidad de calor (J)

   Encuentra la masa del cuerpo calentado. Para hacer esto, use una balanza o una báscula de resorte. Si el cuerpo es líquido, primero pesa el recipiente vacío (en el que viertes el líquido) para encontrar su masa. Después de pesar el líquido, resta la masa del recipiente vacío del valor resultante para encontrar la masa del líquido. Por ejemplo, considere agua con una masa de 500 g.

   • Para que un resultado se mida en julios, la masa debe medirse en gramos.

   1. Encuentre la capacidad calorífica específica del cuerpo. Se puede encontrar en un libro de texto de química, física o en Internet. La capacidad calorífica específica del agua es 4,19 J/g.

      • La capacidad calorífica específica varía ligeramente con la temperatura y la presión. Por ejemplo, algunas fuentes dan la capacidad calorífica específica del agua como 4,18 J/g (ya que diferentes fuentes eligen diferentes valores para la "temperatura de referencia").
      • La temperatura se puede medir en Kelvin o Celsius (ya que la diferencia entre ambas temperaturas será la misma), pero no en Fahrenheit.

   2. Encuentra la temperatura corporal inicial. Si el cuerpo es líquido, utilice un termómetro.

      Calentar el cuerpo y encontrar su temperatura final. De esta forma puedes encontrar la cantidad de calor transferida al cuerpo cuando se calienta.

      • Si desea encontrar la energía total convertida en calor, suponga que la temperatura inicial del cuerpo es el cero absoluto (0 Kelvin o -273,15 Celsius). Esto no suele aplicarse.

   3. Resta la temperatura corporal inicial de la temperatura final para encontrar el cambio en la temperatura corporal. Por ejemplo, el agua se calienta de 15 grados Celsius a 35 grados Celsius, es decir, el cambio en la temperatura del agua es igual a 20 grados Celsius.

   4. Multiplica la masa de un cuerpo, su capacidad calorífica específica y el cambio de temperatura corporal. Fórmula: H = mcΔT, donde ΔT es el cambio de temperatura. En nuestro ejemplo: 500 x 4,19 x 20 = 41.900 J

      • La cantidad de calor a veces se mide en calorías o kilocalorías. Las calorías son la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 grado Celsius; kilocalorías es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua en 1 grado Celsius. En el ejemplo anterior, aumentar la temperatura de 500 g de agua en 20 grados centígrados requeriría 10.000 calorías o 10 kcal.

Trabajo mecánico. Unidades de trabajo.

En la vida cotidiana entendemos todo por el concepto de “trabajo”.

En física, el concepto Trabajo algo diferente. Es una cantidad física definida, lo que significa que se puede medir. En física se estudia principalmente. trabajo mecanico .

Veamos ejemplos de trabajo mecánico.

El tren se mueve bajo la fuerza de tracción de una locomotora eléctrica y se realiza un trabajo mecánico. Cuando se dispara un arma, la fuerza de presión de los gases de la pólvora funciona: mueve la bala a lo largo del cañón y la velocidad de la bala aumenta.

De estos ejemplos queda claro que el trabajo mecánico se realiza cuando un cuerpo se mueve bajo la influencia de una fuerza. El trabajo mecánico también se realiza cuando una fuerza que actúa sobre un cuerpo (por ejemplo, una fuerza de fricción) reduce la velocidad de su movimiento.

Al querer mover el gabinete, lo presionamos con fuerza, pero si no se mueve, entonces no realizamos trabajo mecánico. Se puede imaginar un caso en el que un cuerpo se mueve sin la participación de fuerzas (por inercia), en este caso tampoco se realiza trabajo mecánico;

Entonces, El trabajo mecánico se realiza sólo cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo y éste se mueve. .

No es difícil entender que cuanto mayor es la fuerza que actúa sobre el cuerpo y cuanto más largo es el camino que recorre el cuerpo bajo la influencia de esta fuerza, mayor es el trabajo realizado.

El trabajo mecánico es directamente proporcional a la fuerza aplicada y directamente proporcional a la distancia recorrida. .

Por lo tanto, acordamos medir el trabajo mecánico por el producto de la fuerza y ​​el camino recorrido en esta dirección de esta fuerza:

trabajo = fuerza × camino

Dónde A- Trabajo, F- fuerza y s- la distancia recorrida.

Se considera unidad de trabajo el trabajo realizado por una fuerza de 1N en un recorrido de 1m.

Unidad de trabajo - joule (j ) lleva el nombre del científico inglés Joule. De este modo,

1J = 1N·m.

También usado kilojulios (kJ) .

1 kJ = 1000 J.

Fórmula A = Fs aplicable cuando la fuerza F constante y coincide con la dirección del movimiento del cuerpo.

Si la dirección de la fuerza coincide con la dirección del movimiento del cuerpo, entonces esta fuerza realiza un trabajo positivo.

Si el cuerpo se mueve en dirección opuesta a la dirección de la fuerza aplicada, por ejemplo, la fuerza de fricción por deslizamiento, entonces esta fuerza realiza un trabajo negativo.

Si la dirección de la fuerza que actúa sobre el cuerpo es perpendicular a la dirección del movimiento, entonces esta fuerza no realiza ningún trabajo, el trabajo es cero:

En el futuro, hablando de trabajo mecánico, lo llamaremos brevemente en una palabra: trabajo.

Ejemplo. Calcule el trabajo realizado al levantar una losa de granito con un volumen de 0,5 m3 a una altura de 20 m. La densidad del granito es 2500 kg/m3.

Dado:

ρ = 2500 kg/m 3

Solución:

donde F es la fuerza que se debe aplicar para levantar uniformemente la losa. Esta fuerza es igual en módulo a la fuerza Fstrand que actúa sobre la losa, es decir, F = Fstrand. Y la fuerza de gravedad se puede determinar por la masa de la losa: Fpeso = gm. Calculemos la masa de la losa, conociendo su volumen y la densidad del granito: m = ρV; s = h, es decir, el recorrido es igual a la altura de elevación.

Entonces, m = 2500 kg/m3 · 0,5 m3 = 1250 kg.

F = 9,8 N/kg · 1250 kg ≈ 12250 N.

A = 12.250 N · 20 m = 245.000 J = 245 kJ.

Respuesta: A = 245 kJ.

Palancas.Poder.Energía

Para realizar el mismo trabajo, diferentes motores requieren diferentes tiempos. Por ejemplo, una grúa en una obra levanta cientos de ladrillos hasta el último piso de un edificio en pocos minutos. Si un trabajador moviera estos ladrillos, le llevaría varias horas hacerlo. Otro ejemplo. Un caballo puede arar una hectárea de tierra en 10 a 12 horas, mientras que un tractor con arado múltiple ( reja del arado- parte del arado, que corta la capa de tierra desde abajo y la traslada al vertedero; varias rejas de arado (muchas rejas de arado), este trabajo se completará en 40-50 minutos.

Está claro que una grúa hace el mismo trabajo más rápido que un trabajador y un tractor hace el mismo trabajo más rápido que un caballo. La velocidad del trabajo se caracteriza por una cantidad especial llamada potencia.

La potencia es igual a la relación entre el trabajo y el tiempo durante el cual se realizó.

Para calcular la potencia, es necesario dividir el trabajo por el tiempo durante el cual se realiza este trabajo. potencia = trabajo/tiempo.

Dónde norte- fuerza, A- Trabajo, t- tiempo de finalización del trabajo.

La potencia es una cantidad constante cuando se realiza el mismo trabajo cada segundo; en otros casos la relación; En determina la potencia media:

norte promedio = En . La unidad de potencia se considera la potencia a la que se realiza J de trabajo en 1 s.

Esta unidad se llama vatio ( W.) en honor a otro científico inglés, Watt.

1 vatio = 1 julio/1 segundo, o 1 W = 1 J/s.

Watt (julios por segundo) - W (1 J/s).

Las unidades de potencia más grandes se utilizan ampliamente en tecnología. kilovatio (kilovatios), megavatio (megavatio) .

1 MW = 1.000.000 W

1kW = 1000W

1mW = 0,001W

1W = 0,000001MW

1W = 0,001kW

1W = 1000mW

Ejemplo. Encuentre la potencia del flujo de agua que fluye a través de la presa si la altura de la caída de agua es de 25 m y su caudal es de 120 m3 por minuto.

Dado:

ρ = 1000 kg/m3

Solución:

Masa de agua que cae: metro = ρV,

m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120 000 kg (12 104 kg).

Gravedad que actúa sobre el agua:

F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)

Trabajo realizado por caudal por minuto:

A - 1.200.000 N · 25 m = 30.000.000 J (3 · 107 J).

Potencia de flujo: N = A/t,

N = 30.000.000 J / 60 s = 500.000 W = 0,5 MW.

Respuesta: N = 0,5 MW.

Varios motores tienen potencias que van desde centésimas y décimas de kilovatio (motor de afeitadora eléctrica, máquina de coser) hasta cientos de miles de kilovatios (turbinas de agua y vapor).

Tabla 5.

Potencia de algunos motores, kW.

Cada motor tiene una placa (pasaporte del motor), que indica cierta información sobre el motor, incluida su potencia.

La potencia humana en condiciones normales de funcionamiento es en promedio de 70 a 80 W. Al saltar o subir escaleras corriendo, una persona puede desarrollar una potencia de hasta 730 W y, en algunos casos, incluso más.

De la fórmula N = A/t se deduce que

Para calcular el trabajo es necesario multiplicar la potencia por el tiempo durante el cual se realizó este trabajo.

Ejemplo. El motor del ventilador de la habitación tiene una potencia de 35 vatios. ¿Cuánto trabajo hace en 10 minutos?

Anotemos las condiciones del problema y resolvámoslo.

Dado:

Solución:

A = 35 W * 600 s = 21 000 W * s = 21 000 J = 21 kJ.

Respuesta A= 21 kJ.

Mecanismos simples.

Desde tiempos inmemoriales, el hombre ha utilizado diversos dispositivos para realizar trabajos mecánicos.

Todo el mundo sabe que un objeto pesado (una piedra, un armario, una máquina herramienta), que no se puede mover con la mano, se puede mover con la ayuda de un palo suficientemente largo: una palanca.

Actualmente se cree que con la ayuda de palancas hace tres mil años, durante la construcción de las pirámides en el Antiguo Egipto, se movían y elevaban a grandes alturas pesadas losas de piedra.

En muchos casos, en lugar de levantar una carga pesada a una determinada altura, se puede hacer rodar o arrastrar hasta la misma altura a lo largo de un plano inclinado o levantarla mediante bloques.

Los dispositivos utilizados para convertir la fuerza se llaman mecanismos .

Los mecanismos simples incluyen: palancas y sus variedades. bloque, puerta; Plano inclinado y sus variedades: cuña, tornillo.. En la mayoría de los casos se utilizan mecanismos simples para ganar fuerza, es decir, aumentar varias veces la fuerza que actúa sobre el cuerpo.

Se encuentran mecanismos simples tanto en el hogar como en todas las máquinas industriales y de fábrica complejas que cortan, tuercen y estampan grandes láminas de acero o las estiran. los mejores hilos, a partir del cual luego se fabrican las telas. Los mismos mecanismos se pueden encontrar en máquinas automáticas, impresoras y contadoras modernas y complejas.

Palanca. Equilibrio de fuerzas sobre la palanca.

Consideremos el mecanismo más simple y común: la palanca.

Una palanca es un cuerpo rígido que puede girar alrededor de un soporte fijo.

Las imágenes muestran cómo un trabajador usa una palanca como palanca para levantar una carga. En el primer caso, el trabajador con fuerza F presiona el extremo de la palanca B, en el segundo - levanta el final B.

El trabajador necesita superar el peso de la carga. PAG- fuerza dirigida verticalmente hacia abajo. Para ello, hace girar la palanca alrededor de un eje que pasa por el único inmóvil el punto de ruptura es el punto de su apoyo ACERCA DE. Fortaleza F con la que el trabajador actúa sobre la palanca es menor la fuerza PAG, por lo que el trabajador recibe ganar fuerza. Con la ayuda de una palanca, puede levantar una carga tan pesada que no podrá levantarla usted mismo.

La figura muestra una palanca cuyo eje de rotación es ACERCA DE(fulcro) se encuentra entre los puntos de aplicación de fuerzas. A Y EN. Otra imagen muestra un diagrama de esta palanca. Ambas fuerzas F 1 y F 2 que actúan sobre la palanca están dirigidos en una dirección.

La distancia más corta entre el punto de apoyo y la línea recta a lo largo de la cual actúa la fuerza sobre la palanca se llama brazo de fuerza.

La longitud de esta perpendicular será el brazo de esta fuerza. La figura muestra que OA- fuerza del hombro F 1; transmisión exterior- fuerza del hombro F 2. Las fuerzas que actúan sobre la palanca pueden hacerla girar alrededor de su eje en dos direcciones: en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. si, fuerza F 1 gira la palanca en el sentido de las agujas del reloj y la fuerza F 2 lo gira en sentido antihorario.

La condición bajo la cual la palanca está en equilibrio bajo la influencia de las fuerzas que se le aplican se puede establecer experimentalmente. Hay que recordar que el resultado de una fuerza depende no sólo de su valor numérico (módulo), sino también del punto en el que se aplica al cuerpo, o cómo se dirige.

Se suspenden varios pesos de la palanca (ver figura) a ambos lados del punto de apoyo para que cada vez la palanca permanezca en equilibrio. Las fuerzas que actúan sobre la palanca son iguales a los pesos de estas cargas. Para cada caso se miden los módulos de fuerza y ​​sus hombros. De la experiencia mostrada en la Figura 154, está claro que la fuerza 2 norte equilibra la fuerza 4 norte. En este caso, como se puede ver en la figura, el hombro de menor fuerza es 2 veces más grande que el hombro de mayor fuerza.

Sobre la base de tales experimentos, se estableció la condición (regla) del equilibrio de palanca.

Una palanca está en equilibrio cuando las fuerzas que actúan sobre ella son inversamente proporcionales a los brazos de dichas fuerzas.

Esta regla se puede escribir como una fórmula:

F 1/F 2 = yo 2/ yo 1 ,

Dónde F 1Y F 2 - fuerzas que actúan sobre la palanca, yo 1Y yo 2 , - los hombros de estas fuerzas (ver figura).

La regla del equilibrio de palancas fue establecida por Arquímedes alrededor del 287-212. ANTES DE CRISTO mi. (¿Pero en el último párrafo se dijo que los egipcios usaban palancas? O aquí papel importante juega con la palabra "instalado"?)

De esta regla se deduce que se puede utilizar una fuerza menor para equilibrar una fuerza mayor utilizando una palanca. Deje que un brazo de la palanca sea 3 veces más grande que el otro (ver figura). Luego, aplicando una fuerza de, por ejemplo, 400 N en el punto B, se puede levantar una piedra que pesa 1200 N. Para levantar una carga aún más pesada, es necesario aumentar la longitud del brazo de palanca sobre el que actúa el trabajador.

Ejemplo. Con una palanca, un trabajador levanta una losa que pesa 240 kg (ver Fig. 149). ¿Qué fuerza aplica al brazo de palanca más grande de 2,4 m si el brazo más pequeño mide 0,6 m?

Anotemos las condiciones del problema y resolvámoslo.

Dado:

Solución:

Según la regla de equilibrio de la palanca, F1/F2 = l2/l1, de donde F1 = F2 l2/l1, donde F2 = P es el peso de la piedra. Peso de la piedra asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N

Entonces, F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.

Respuesta: F1 = 600N.

En nuestro ejemplo, el trabajador vence una fuerza de 2400 N, aplicando una fuerza de 600 N a la palanca pero en este caso, el brazo sobre el que actúa el trabajador es 4 veces más largo que aquel sobre el que actúa el peso de la piedra. ( yo 1 : yo 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).

Al aplicar la regla del apalancamiento, una fuerza menor puede equilibrar una fuerza mayor. En este caso, el hombro de menor fuerza debe ser más largo que el hombro de mayor fuerza.

Momento de poder.

Ya conoces la regla del equilibrio de palancas:

F 1 / F 2 = yo 2 / yo 1 ,

Usando la propiedad de la proporción (el producto de sus miembros extremos es igual al producto de sus miembros medios), lo escribimos de esta forma:

F 1yo 1 = F 2 yo 2 .

En el lado izquierdo de la igualdad está el producto de la fuerza. F 1 en su hombro yo 1, y a la derecha, el producto de la fuerza. F 2 en su hombro yo 2 .

El producto del módulo de fuerza que gira el cuerpo y su hombro se llama momento de fuerza; se designa con la letra M. Esto significa

Una palanca está en equilibrio bajo la acción de dos fuerzas si el momento de la fuerza que la hace girar en el sentido de las agujas del reloj es igual al momento de la fuerza que la hace girar en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Esta regla se llama regla de los momentos , se puede escribir como una fórmula:

M1 = M2

De hecho, en el experimento que consideramos (§ 56), las fuerzas actuantes fueron iguales a 2 N y 4 N, sus hombros ascendieron respectivamente a 4 y 2 presiones de palanca, es decir, los momentos de estas fuerzas son los mismos cuando la palanca está en equilibrio. .

El momento de fuerza, como cualquier magnitud física, se puede medir. La unidad de momento de fuerza se toma como un momento de fuerza de 1 N, cuyo brazo mide exactamente 1 m.

Esta unidad se llama metro newton (SUST.).

El momento de fuerza caracteriza la acción de una fuerza y ​​muestra que depende simultáneamente tanto del módulo de la fuerza como de su apalancamiento. De hecho, ya sabemos, por ejemplo, que la acción de una fuerza sobre una puerta depende tanto de la magnitud de la fuerza como del lugar donde se aplica la fuerza. Cuanto más fácil es girar la puerta, más lejos del eje de rotación se aplica la fuerza que actúa sobre ella. Es mejor desenroscar la tuerca con una llave larga que con una corta. Cuanto más fácil es sacar un cubo del pozo, más larga será la manija de la puerta, etc.

Palancas en la tecnología, la vida cotidiana y la naturaleza.

La regla del apalancamiento (o la regla de los momentos) subyace a la acción de diversos tipos de herramientas y dispositivos utilizados en la tecnología y la vida cotidiana donde se requiere ganar fuerza o viajar.

Tenemos una ganancia de fuerza al trabajar con tijeras. Tijeras - esto es una palanca(fig), cuyo eje de rotación se produce a través de un tornillo que conecta ambas mitades de las tijeras. fuerza actuante F 1 es la fuerza muscular de la mano de quien agarra las tijeras. contrafuerza F 2 es la fuerza de resistencia del material que se corta con tijeras. Dependiendo del propósito de las tijeras, su diseño varía. Las tijeras de oficina, diseñadas para cortar papel, tienen hojas largas y mangos de casi la misma longitud. Cortar papel no requiere mucha fuerza y hoja larga Es más conveniente cortar en línea recta. Las cizallas para cortar chapa (Fig.) tienen mangos mucho más largos que las hojas, ya que la fuerza de resistencia del metal es grande y para equilibrarla es necesario aumentar significativamente el brazo de la fuerza actuante. Más más diferencia entre la longitud de los mangos y la distancia de la parte de corte y el eje de rotación en cortadores de alambre(Fig.), diseñado para cortar alambre.

Muchas máquinas tienen diferentes tipos de palancas. El mango de una máquina de coser, los pedales o el freno de mano de una bicicleta, los pedales de un automóvil y un tractor y las teclas de un piano son ejemplos de palancas utilizadas en estas máquinas y herramientas.

Ejemplos del uso de palancas son los mangos de vicios y bancos de trabajo, la palanca de una perforadora, etc.

El funcionamiento de la báscula de palanca se basa en el principio de la palanca (Fig.). Las escalas de entrenamiento que se muestran en la Figura 48 (p. 42) actúan como palanca de brazos iguales . EN escalas decimales El hombro del que se suspende la copa con pesas es 10 veces más largo que el hombro que lleva la carga. Esto hace que pesar cargas grandes sea mucho más fácil. Al pesar una carga en una báscula decimal, debes multiplicar la masa de las pesas por 10.

El dispositivo de báscula para pesar vagones de mercancías también se basa en la regla del apalancamiento.

Las palancas también se encuentran en diferentes partes del cuerpo de animales y humanos. Estos son, por ejemplo, brazos, piernas, mandíbulas. Se pueden encontrar muchas palancas en el cuerpo de los insectos (leyendo un libro sobre los insectos y la estructura de sus cuerpos), en las aves y en la estructura de las plantas.

Aplicación de la ley de equilibrio de una palanca a un bloque.

Bloquear Es una rueda con ranura, montada en un soporte. Se pasa una cuerda, cable o cadena a través de la ranura del bloque.

Bloque fijo Se denomina bloque cuyo eje es fijo y no sube ni baja al levantar cargas (Fig.).

Un bloque fijo puede considerarse como una palanca de brazos iguales, en la que los brazos de las fuerzas son iguales al radio de la rueda (Fig): OA = OB = r. Un bloque de este tipo no proporciona una ganancia de fuerza. ( F 1 = F 2), pero le permite cambiar la dirección de la fuerza. bloque móvil - esto es un bloque. cuyo eje sube y baja junto con la carga (Fig.). La figura muestra la palanca correspondiente: ACERCA DE- punto de apoyo de la palanca, OA- fuerza del hombro R Y transmisión exterior- fuerza del hombro F. desde el hombro transmisión exterior 2 veces el hombro OA, entonces la fuerza F 2 veces menos fuerza R:

F = P/2 .

De este modo, el bloque móvil aumenta el doble de fuerza .

Esto se puede demostrar utilizando el concepto de momento de fuerza. Cuando el bloque está en equilibrio, los momentos de las fuerzas F Y R iguales entre sí. Pero el hombro de la fuerza F 2 veces el apalancamiento R, y, por tanto, el poder mismo F 2 veces menos fuerza R.

Normalmente, en la práctica se utiliza una combinación de un bloque fijo y uno móvil (Fig.). El bloque fijo se utiliza únicamente por conveniencia. No aumenta la fuerza, pero cambia la dirección de la fuerza. Por ejemplo, permite levantar una carga estando de pie en el suelo. Esto resulta útil para muchas personas o trabajadores. ¡Sin embargo, proporciona una ganancia de fuerza 2 veces mayor de lo habitual!

Igualdad de trabajo cuando se utilizan mecanismos simples. "Regla de oro" de la mecánica.

Los mecanismos simples que hemos considerado se utilizan al realizar un trabajo en los casos en que es necesario equilibrar otra fuerza mediante la acción de una fuerza.

Naturalmente, surge la pregunta: si bien se gana en fuerza o en camino, ¿no dan los mecanismos simples una ganancia en trabajo? La respuesta a esta pregunta se puede obtener de la experiencia.

Equilibrando dos fuerzas de diferente magnitud sobre una palanca F 1 y F 2 (fig.), ponga la palanca en movimiento. Resulta que al mismo tiempo el punto de aplicación de la fuerza menor F 2 va más allá s 2, y el punto de aplicación de la fuerza mayor F 1 - camino más corto s 1. Habiendo medido estas trayectorias y módulos de fuerza, encontramos que las trayectorias recorridas por los puntos de aplicación de fuerzas sobre la palanca son inversamente proporcionales a las fuerzas:

s 1 / s 2 = F 2 / F 1.

Así, actuando sobre el brazo largo de la palanca, ganamos fuerza, pero al mismo tiempo perdemos la misma cantidad en el camino.

Producto de fuerza F en el camino s hay trabajo. Nuestros experimentos muestran que el trabajo realizado por las fuerzas aplicadas a la palanca es igual entre sí:

F 1 s 1 = F 2 s 2, es decir A 1 = A 2.

Entonces, Al utilizar el apalancamiento, no podrá ganar en el trabajo.

Al utilizar el apalancamiento, podemos ganar fuerza o distancia. Al aplicar fuerza al brazo corto de la palanca, ganamos en distancia, pero perdemos la misma cantidad en fuerza.

Existe una leyenda que cuenta que Arquímedes, encantado con el descubrimiento de la regla del apalancamiento, exclamó: "¡Dadme un punto de apoyo y haré girar la Tierra!".

Por supuesto, Arquímedes no podría hacer frente a tal tarea incluso si le hubieran dado un punto de apoyo (que debería haber estado fuera de la Tierra) y una palanca de la longitud requerida.

Para elevar la Tierra sólo 1 cm, el largo brazo de la palanca tendría que describir un arco de enorme longitud. para moverse final largo¡Palancar a lo largo de este camino, por ejemplo, a una velocidad de 1 m/s, tomaría millones de años!

Un bloque estacionario no proporciona ninguna ganancia de trabajo, lo cual es fácil de verificar experimentalmente (ver figura). Caminos recorridos por los puntos de aplicación de fuerzas. F Y F, son iguales, las fuerzas son las mismas y, por tanto, el trabajo es el mismo.

Puedes medir y comparar el trabajo realizado con la ayuda de un bloque móvil. Para elevar una carga a una altura h mediante un bloque móvil, es necesario mover el extremo de la cuerda a la que está unido el dinamómetro, como muestra la experiencia (Fig.), a una altura de 2h.

De este modo, Al obtener el doble de fuerza, pierden el doble en el camino, por lo tanto, el bloque móvil no aumenta el trabajo.

La práctica centenaria ha demostrado que Ninguno de los mecanismos proporciona una ganancia de rendimiento. Utilizan diversos mecanismos para ganar en fuerza o en recorrido, dependiendo de las condiciones de trabajo.

Los científicos antiguos ya conocían una regla aplicable a todos los mecanismos: No importa cuantas veces ganemos en fuerza, la misma cantidad de veces perdemos en distancia. Esta regla ha sido llamada la "regla de oro" de la mecánica.

Eficiencia del mecanismo.

Al considerar el diseño y la acción de la palanca, no tomamos en cuenta la fricción ni el peso de la palanca. En estas condiciones ideales, el trabajo realizado por la fuerza aplicada (a este trabajo lo llamaremos lleno), es igual a útil trabajos de elevación de cargas o superación de cualquier resistencia.

En la práctica, el trabajo total realizado por un mecanismo es siempre ligeramente mayor que el trabajo útil.

Parte del trabajo se realiza contra la fuerza de fricción en el mecanismo y moviendo sus partes individuales. Entonces, cuando se usa un bloque móvil, es necesario trabajar adicionalmente para levantar el bloque, la cuerda y determinar la fuerza de fricción en el eje del bloque.

Cualquiera que sea el mecanismo que adoptemos, el trabajo útil realizado con su ayuda constituye siempre sólo una parte del trabajo total. Esto significa que, denotando el trabajo útil con la letra Ap y el trabajo total (gastado) con la letra Az, podemos escribir:

Arriba< Аз или Ап / Аз < 1.

La relación entre el trabajo útil y el trabajo total se llama coeficiente. acción útil mecanismo.

El factor de eficiencia se abrevia como eficiencia.

Eficiencia = Ap/Az.

La eficiencia generalmente se expresa como porcentaje y se denota con la letra griega η, leída como “eta”:

η = Ap/Az · 100%.

Ejemplo: Una carga que pesa 100 kg está suspendida del brazo corto de una palanca. Para levantarlo, se aplica una fuerza de 250 N al brazo largo. La carga se eleva a una altura de h1 = 0,08 m, mientras que el punto de aplicación de la fuerza motriz desciende a una altura de h2 = 0,4 m. eficiencia de la palanca.

Anotemos las condiciones del problema y resolvámoslo.

Dado :

Solución :

η = Ap/Az · 100%.

Trabajo total (gastado) Az = Fh2.

Trabajo útil Ap = Рh1

P = 9,8 100 kg ≈ 1000 N.

Ap = 1000 N · 0,08 = 80 J.

Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.

η = 80 J/100 J 100% = 80%.

Respuesta : η = 80%.

Pero en este caso también se aplica la “regla de oro”. Parte del trabajo útil, el 20%, se gasta en superar la fricción en el eje de la palanca y la resistencia del aire, así como en el movimiento de la propia palanca.

La eficiencia de cualquier mecanismo es siempre inferior al 100%. Al diseñar mecanismos, las personas se esfuerzan por aumentar su eficiencia. Para conseguirlo se reducen los rozamientos en los ejes de los mecanismos y su peso.

Energía.

En las fábricas y fábricas, las máquinas y las máquinas son accionadas por motores eléctricos, que consumen energía eléctrica (de ahí el nombre).

Información teórica básica.

Trabajo mecanico

Las características energéticas del movimiento se introducen basándose en el concepto. trabajo mecánico o trabajo forzado. Trabajo realizado por una fuerza constante. F, es una cantidad física igual al producto de los módulos de fuerza y ​​desplazamiento multiplicado por el coseno del ángulo entre los vectores de fuerza F y movimientos S:

El trabajo es una cantidad escalar. Puede ser positivo (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). En α = 90° el trabajo realizado por la fuerza es cero. En el sistema SI, el trabajo se mide en julios (J). Un julio es igual al trabajo realizado por una fuerza de 1 newton para moverse 1 metro en la dirección de la fuerza.

Si la fuerza cambia con el tiempo, entonces para encontrar el trabajo, construya una gráfica de la fuerza versus el desplazamiento y encuentre el área de la figura debajo de la gráfica: este es el trabajo:

Un ejemplo de fuerza cuyo módulo depende de la coordenada (desplazamiento) es la fuerza elástica de un resorte, que obedece la ley de Hooke ( F controlar = kx).

Fuerza

El trabajo realizado por una fuerza por unidad de tiempo se llama fuerza. Fuerza PAG(a veces indicado por la letra norte) – cantidad física igual a la relación de trabajo A a un periodo de tiempo t durante el cual se completó este trabajo:

Esta fórmula calcula potencia media, es decir. poder que caracteriza generalmente el proceso. Así, el trabajo también se puede expresar en términos de potencia: A = punto(si, por supuesto, se conoce la potencia y el tiempo de realización del trabajo). La unidad de potencia se llama vatio (W) o 1 julio por segundo. Si el movimiento es uniforme entonces:

Usando esta fórmula podemos calcular poder instantáneo(potencia en un momento dado), si en lugar de velocidad sustituimos en la fórmula el valor de la velocidad instantánea. ¿Cómo sabes qué potencia contar? Si el problema pide potencia en un momento del tiempo o en algún punto del espacio, entonces se considera instantánea. Si preguntan por la potencia durante un determinado período de tiempo o parte del recorrido, busque la potencia media.

Eficiencia - factor de eficiencia, es igual a la relación entre trabajo útil y energía gastada, o potencia útil y gastada:

Qué trabajo es útil y cuál se desperdicia se determina a partir de la condición tarea especifica a través del razonamiento lógico. Por ejemplo, si una grúa realiza el trabajo de levantar una carga a una determinada altura, entonces el trabajo útil será el trabajo de levantar la carga (ya que para este propósito se creó la grúa), y el trabajo gastado será el trabajo realizado por el motor eléctrico de la grúa.

Entonces, el poder útil y gastado no tienen una definición estricta y se encuentran mediante razonamiento lógico. En cada tarea, nosotros mismos debemos determinar cuál fue en esta tarea el objetivo de realizar el trabajo (trabajo útil o potencia), y cuál fue el mecanismo o forma de realizar todo el trabajo (potencia o trabajo gastado).

En general, la eficiencia muestra la eficiencia con la que un mecanismo convierte un tipo de energía en otro. Si la potencia cambia con el tiempo, entonces el trabajo se encuentra como el área de la figura debajo de la gráfica de potencia versus tiempo:

Energía cinética

Una cantidad física igual a la mitad del producto de la masa de un cuerpo por el cuadrado de su velocidad se llama energía cinética del cuerpo (energía de movimiento):

Es decir, si un automóvil que pesa 2000 kg se mueve a una velocidad de 10 m/s, entonces tiene energía cinética igual a mi k = 100 kJ y es capaz de realizar 100 kJ de trabajo. Esta energía se puede convertir en calor (cuando un coche frena, las gomas de las ruedas, la carretera y los discos de freno se calientan) o se puede gastar en deformar el coche y la carrocería con la que chocó (en un accidente). Al calcular la energía cinética, no importa hacia dónde se mueve el automóvil, ya que la energía, como el trabajo, es una cantidad escalar.

Un cuerpo tiene energía si puede realizar un trabajo. Por ejemplo, un cuerpo en movimiento tiene energía cinética, es decir. energía de movimiento, y es capaz de realizar trabajo para deformar cuerpos o impartir aceleración a cuerpos con los que se produce una colisión.

El significado físico de la energía cinética: para que un cuerpo en reposo tenga una masa metro comenzó a moverse a gran velocidad v es necesario realizar un trabajo igual al valor obtenido de energía cinética. Si el cuerpo tiene masa metro se mueve a velocidad v, entonces para detenerlo es necesario realizar un trabajo igual a su energía cinética inicial. Al frenar, la energía cinética es principalmente (excepto en los casos de colisión, cuando la energía se deforma) “quitada” por la fuerza de fricción.

Teorema de la energía cinética: el trabajo realizado por la fuerza resultante es igual al cambio en la energía cinética del cuerpo:

El teorema de la energía cinética también es válido en el caso general, cuando un cuerpo se mueve bajo la influencia de una fuerza cambiante, cuya dirección no coincide con la dirección del movimiento. Es conveniente aplicar este teorema en problemas que involucran aceleración y desaceleración de un cuerpo.

Energía potencial

Junto con la energía cinética o la energía del movimiento, el concepto juega un papel importante en la física. energía potencial o energía de interacción de cuerpos.

La energía potencial está determinada por la posición relativa de los cuerpos (por ejemplo, la posición de un cuerpo con respecto a la superficie de la Tierra). El concepto de energía potencial sólo puede introducirse para fuerzas cuyo trabajo no depende de la trayectoria del cuerpo y está determinado únicamente por las posiciones inicial y final (las llamadas fuerzas conservadoras). El trabajo realizado por tales fuerzas en una trayectoria cerrada es cero. Esta propiedad la poseen la gravedad y la fuerza elástica. Para estas fuerzas podemos introducir el concepto de energía potencial.

Energía potencial de un cuerpo en el campo de gravedad de la Tierra. calculado por la fórmula:

El significado físico de la energía potencial de un cuerpo: la energía potencial es igual al trabajo realizado por la gravedad al bajar el cuerpo al nivel cero ( h– distancia desde el centro de gravedad del cuerpo hasta el nivel cero). Si un cuerpo tiene energía potencial, entonces es capaz de realizar trabajo cuando este cuerpo cae desde una altura. h al nivel cero. El trabajo realizado por la gravedad es igual al cambio en la energía potencial del cuerpo, tomado con el signo opuesto:

A menudo, en los problemas de energía uno tiene que encontrar el trabajo de levantar (dar la vuelta, salir de un agujero) el cuerpo. En todos estos casos, es necesario considerar el movimiento no del cuerpo en sí, sino sólo de su centro de gravedad.

La energía potencial Ep depende de la elección del nivel cero, es decir, de la elección del origen del eje OY. En cada problema, se elige el nivel cero por razones de conveniencia. Lo que tiene un significado físico no es la energía potencial en sí, sino su cambio cuando un cuerpo se mueve de una posición a otra. Este cambio es independiente de la elección del nivel cero.

Energía potencial de un resorte estirado. calculado por la fórmula:

Dónde: k– rigidez del resorte. Un resorte extendido (o comprimido) puede poner en movimiento un cuerpo adherido a él, es decir, impartir energía cinética a este cuerpo. En consecuencia, dicho resorte tiene una reserva de energía. Tensión o compresión incógnita debe calcularse a partir del estado no deformado del cuerpo.

La energía potencial de un cuerpo deformado elásticamente es igual al trabajo realizado por la fuerza elástica durante la transición de un estado dado a un estado con deformación cero. Si en el estado inicial el resorte ya estaba deformado y su alargamiento era igual a incógnita 1, luego al pasar a un nuevo estado con elongación incógnita 2, la fuerza elástica realizará un trabajo igual al cambio de energía potencial, tomado con el signo opuesto (ya que la fuerza elástica siempre está dirigida contra la deformación del cuerpo):

La energía potencial durante la deformación elástica es la energía de interacción de partes individuales del cuerpo entre sí por fuerzas elásticas.

El trabajo de la fuerza de fricción depende del camino recorrido (este tipo de fuerza, cuyo trabajo depende de la trayectoria y del camino recorrido se llama: fuerzas disipativas). No se puede introducir el concepto de energía potencial para la fuerza de fricción.

Eficiencia

Factor de eficiencia (eficiencia)– característica de la eficiencia de un sistema (dispositivo, máquina) en relación con la conversión o transmisión de energía. Está determinado por la relación entre la energía útilmente utilizada y la cantidad total de energía recibida por el sistema (la fórmula ya se ha proporcionado anteriormente).

La eficiencia se puede calcular tanto a través del trabajo como a través de la potencia. El trabajo útil y gastado (potencia) siempre se determina mediante un simple razonamiento lógico.

En los motores eléctricos, la eficiencia es la relación entre el trabajo mecánico realizado (útil) y energía eléctrica, recibido de la fuente. En las máquinas térmicas, relación entre el trabajo mecánico útil y la cantidad de calor gastado. En transformadores eléctricos, relación entre la energía electromagnética recibida en el devanado secundario y la energía consumida por el devanado primario.

Por su generalidad, el concepto de eficiencia permite comparar y evaluar desde un único punto de vista sistemas tan diferentes como reactores nucleares, generadores y motores eléctricos, centrales térmicas, dispositivos semiconductores, objetos biológicos, etc.

Debido a las inevitables pérdidas de energía por fricción, calentamiento de los cuerpos circundantes, etc. La eficiencia es siempre menor que la unidad. En consecuencia, la eficiencia se expresa como una fracción de la energía gastada, es decir, como una fracción propia o como un porcentaje, y es una cantidad adimensional. La eficiencia caracteriza la eficiencia con la que opera una máquina o mecanismo. La eficiencia de las centrales térmicas alcanza el 35-40%, los motores de combustión interna con sobrealimentación y preenfriamiento - 40-50%, dinamos y generadores de alta potencia - 95%, transformadores - 98%.

Una tarea en la que es necesario encontrar la eficiencia o se sabe, es necesario comenzar con un razonamiento lógico: qué trabajo es útil y cuál se desperdicia.

Ley de conservación de la energía mecánica.

Energía mecánica total se llama la suma de la energía cinética (es decir, la energía del movimiento) y potencial (es decir, la energía de interacción de los cuerpos por las fuerzas de gravedad y elasticidad):

Si la energía mecánica no se transforma en otras formas, por ejemplo, en energía interna (térmica), entonces la suma de la energía cinética y potencial permanece sin cambios. Si la energía mecánica se convierte en energía térmica, entonces el cambio de energía mecánica es igual al trabajo de la fuerza de fricción o las pérdidas de energía, o la cantidad de calor liberado, y así sucesivamente, en otras palabras, el cambio en la energía mecánica total es igual. al trabajo de fuerzas externas:

La suma de la energía cinética y potencial de los cuerpos que forman un sistema cerrado (es decir, uno en el que no actúan fuerzas externas y su trabajo es correspondientemente cero) y las fuerzas gravitacionales y elásticas que interactúan entre sí permanece sin cambios:

Esta declaración expresa ley de conservación de la energía (LEC) en procesos mecánicos. Es una consecuencia de las leyes de Newton. La ley de conservación de la energía mecánica se cumple sólo cuando los cuerpos de un sistema cerrado interactúan entre sí mediante fuerzas de elasticidad y gravedad. En todos los problemas sobre la ley de conservación de la energía siempre habrá al menos dos estados de un sistema de cuerpos. La ley establece que la energía total del primer estado será igual a la energía total del segundo estado.

Algoritmo para la resolución de problemas sobre la ley de conservación de la energía:

1. Encuentra los puntos de la posición inicial y final del cuerpo.
2. Anota qué o qué energías tiene el cuerpo en estos puntos.
3. Igualar la energía inicial y final del cuerpo.
4. Agregue otras ecuaciones necesarias de temas de física anteriores.
5. Resuelva la ecuación o sistema de ecuaciones resultante utilizando métodos matemáticos.

Es importante señalar que la ley de conservación de la energía mecánica permitió obtener una relación entre las coordenadas y velocidades de un cuerpo en dos puntos diferentes de la trayectoria sin analizar la ley del movimiento del cuerpo en todos los puntos intermedios. La aplicación de la ley de conservación de la energía mecánica puede simplificar enormemente la solución de muchos problemas.

En condiciones reales, los cuerpos en movimiento casi siempre son influenciados, junto con las fuerzas gravitacionales, las fuerzas elásticas y otras fuerzas, por fuerzas de fricción o fuerzas de resistencia ambientales. El trabajo realizado por la fuerza de fricción depende de la longitud del camino.

Si actúan fuerzas de fricción entre los cuerpos que forman un sistema cerrado, entonces la energía mecánica no se conserva. Parte de la energía mecánica se convierte en energía interna cuerpos (calefacción). Por tanto, la energía en su conjunto (es decir, no sólo mecánica) se conserva en cualquier caso.

Para cualquier interacciones fisicas La energía no surge ni desaparece. Simplemente cambia de una forma a otra. Este hecho establecido experimentalmente expresa una ley fundamental de la naturaleza:.

ley de conservación y transformación de la energía.

Una de las consecuencias de la ley de conservación y transformación de la energía es la afirmación de la imposibilidad de crear una "máquina de movimiento perpetuo" (perpetuum mobile), una máquina que podría trabajar indefinidamente sin consumir energía.

Varias tareas para el trabajo.

1. Si el problema requiere encontrar trabajo mecánico, primero seleccione un método para encontrarlo: A = Se puede encontrar un trabajo usando la fórmula: FS α ∙cos
2. . Encuentre la fuerza que realiza el trabajo y la cantidad de desplazamiento del cuerpo bajo la influencia de esta fuerza en el marco de referencia elegido. Tenga en cuenta que el ángulo debe elegirse entre los vectores fuerza y ​​desplazamiento.
3. El trabajo de una fuerza externa se puede encontrar como la diferencia de energía mecánica en las situaciones final e inicial. La energía mecánica es igual a la suma de las energías cinética y potencial del cuerpo. A = El trabajo realizado para levantar un cuerpo con rapidez constante se puede encontrar mediante la fórmula: mgh h, Dónde - altura a la que se eleva.
4. centro de gravedad del cuerpo A = punto.
5. El trabajo se puede encontrar como producto del poder y el tiempo, es decir. según la fórmula:

El trabajo se puede encontrar como el área de la figura debajo de la gráfica de fuerza versus desplazamiento o potencia versus tiempo.

Ley de conservación de la energía y dinámica del movimiento de rotación.

1. Los problemas de este tema son bastante complejos matemáticamente, pero si conoces el enfoque, se pueden resolver utilizando un algoritmo completamente estándar. En todos los problemas tendrás que considerar la rotación del cuerpo en el plano vertical. La solución se reducirá a la siguiente secuencia de acciones:
2. Debe determinar el punto que le interesa (el punto en el que necesita determinar la velocidad del cuerpo, la fuerza de tensión del hilo, el peso, etc.).
3. Anota en este punto la segunda ley de Newton, teniendo en cuenta que el cuerpo gira, es decir, tiene aceleración centrípeta.
4. Escribe la ley de conservación de la energía mecánica para que contenga la velocidad del cuerpo en ese punto tan interesante, así como las características del estado del cuerpo en algún estado del que se sabe algo.
5. Dependiendo de la condición, expresa la velocidad al cuadrado de una ecuación y sustitúyela en la otra.

Realizar el resto de operaciones matemáticas necesarias para obtener el resultado final.

• Al resolver problemas, debes recordar que: norte en el punto superior es 0. La misma condición se cumple al pasar el punto superior del bucle muerto.
• Al girar sobre una varilla, la condición para recorrer todo el círculo es: la velocidad mínima en el punto superior es 0.
• La condición para la separación de un cuerpo de la superficie de la esfera es que la fuerza de reacción del apoyo en el punto de separación sea cero.

Colisiones inelásticas

La ley de conservación de la energía mecánica y la ley de conservación del momento permiten encontrar soluciones a problemas mecánicos en los casos en que se desconocen las fuerzas actuantes. Un ejemplo de este tipo de problemas es la interacción de impacto de los cuerpos.

Por impacto (o colisión) Se acostumbra llamar interacción a corto plazo de cuerpos, como resultado de lo cual sus velocidades experimentan cambios significativos. Durante una colisión de cuerpos, entre ellos actúan fuerzas de impacto a corto plazo, cuya magnitud, por regla general, se desconoce. Por tanto, es imposible considerar la interacción del impacto directamente utilizando las leyes de Newton. La aplicación de las leyes de conservación de la energía y el impulso en muchos casos permite excluir de la consideración el proceso de colisión en sí y obtener una conexión entre las velocidades de los cuerpos antes y después de la colisión, sin pasar por todos los valores intermedios de estas cantidades.

A menudo tenemos que lidiar con la interacción de impactos de los cuerpos en la vida cotidiana, en la tecnología y en la física (especialmente en la física del átomo y las partículas elementales). En mecánica, a menudo se utilizan dos modelos de interacción de impacto: Impactos absolutamente elásticos y absolutamente inelásticos..

Impacto absolutamente inelástico A esto lo llaman interacción de impacto en la que los cuerpos se conectan (pegan) entre sí y avanzan como un solo cuerpo.

En una colisión completamente inelástica, la energía mecánica no se conserva. Se convierte parcial o totalmente en energía interna de los cuerpos (calentamiento). Para describir cualquier impacto es necesario anotar tanto la ley de conservación del momento como la ley de conservación de la energía mecánica, teniendo en cuenta el calor liberado (es muy recomendable hacer un dibujo previamente).

Impacto absolutamente elástico

Impacto absolutamente elástico Se llama colisión en la que se conserva la energía mecánica de un sistema de cuerpos. En muchos casos, las colisiones de átomos, moléculas y partículas elementales obedecen a las leyes del impacto absolutamente elástico. Con un impacto absolutamente elástico, junto con la ley de conservación del momento, se cumple la ley de conservación de la energía mecánica. Un ejemplo sencillo de colisión perfectamente elástica sería el impacto central de dos bolas de billar, una de las cuales estaba en reposo antes de la colisión.

huelga central bolas se llama colisión en la que las velocidades de las bolas antes y después del impacto se dirigen a lo largo de la línea de centros. Por tanto, utilizando las leyes de conservación de la energía mecánica y del momento, es posible determinar las velocidades de las bolas después de una colisión si se conocen sus velocidades antes de la colisión. El impacto central rara vez se implementa en la práctica, especialmente cuando se trata de colisiones de átomos o moléculas. En una colisión elástica no central, las velocidades de las partículas (bolas) antes y después de la colisión no se dirigen en línea recta.

Un caso especial de impacto elástico descentrado puede ser la colisión de dos bolas de billar de la misma masa, una de las cuales estaba inmóvil antes de la colisión y la velocidad de la segunda no estaba dirigida a lo largo de la línea de los centros de las bolas. . En este caso, los vectores de velocidad de las bolas después de una colisión elástica siempre están dirigidos perpendicularmente entre sí.

Leyes de conservación. Tareas complejas

Múltiples cuerpos

En algunos problemas de la ley de conservación de la energía, los cables con los que se mueven determinados objetos pueden tener masa (es decir, no ser ingrávidos, como quizás ya estés acostumbrado). En este caso, también se debe tener en cuenta el trabajo de mover dichos cables (es decir, sus centros de gravedad).

Si dos cuerpos conectados por una varilla ingrávida giran en un plano vertical, entonces:

1. elija un nivel cero para calcular la energía potencial, por ejemplo al nivel del eje de rotación o al nivel del punto más bajo de uno de los pesos y asegúrese de hacer un dibujo;
2. Escribe la ley de conservación de la energía mecánica, en la que en el lado izquierdo escribimos la suma de la energía cinética y potencial de ambos cuerpos en la situación inicial, y en el lado derecho escribimos la suma de la energía cinética y potencial de ambos cuerpos en la situación final;
3. tenga en cuenta que las velocidades angulares de los cuerpos son las mismas, entonces las velocidades lineales de los cuerpos son proporcionales a los radios de rotación;
4. si es necesario, escribe la segunda ley de Newton para cada uno de los cuerpos por separado.

Estallido de concha

Cuando un proyectil explota, se libera energía explosiva. Para encontrar esta energía, es necesario restar la energía mecánica del proyectil antes de la explosión de la suma de las energías mecánicas de los fragmentos después de la explosión. También usaremos la ley de conservación del impulso, escrita en forma de teorema del coseno (método vectorial) o en forma de proyecciones sobre ejes seleccionados.

Colisiones con una placa pesada.

Encontrémonos con un plato pesado que se mueve a gran velocidad. v, una bola ligera de masa se mueve metro a velocidad tu norte. Dado que el impulso de la pelota es mucho menor que el impulso de la placa, después del impacto la velocidad de la placa no cambiará y continuará moviéndose a la misma velocidad y en la misma dirección. Como resultado del impacto elástico, la pelota se alejará de la placa. Es importante entender aquí que la velocidad de la pelota con respecto al plato no cambiará. En este caso, para la velocidad final de la pelota obtenemos:

Por tanto, la velocidad de la pelota después del impacto aumenta al doble de la velocidad de la pared. Un razonamiento similar para el caso en el que antes del impacto la pelota y el plato se movían en la misma dirección conduce al resultado de que la velocidad de la pelota disminuye dos veces la velocidad de la pared:

En física y matemáticas, entre otras cosas, se deben cumplir tres condiciones esenciales:

1. Estudie todos los temas y complete todas las pruebas y tareas proporcionadas en los materiales educativos de este sitio. Para hacer esto, no necesita nada en absoluto, a saber: dedicar de tres a cuatro horas todos los días a prepararse para el CT en física y matemáticas, estudiar teoría y resolver problemas. El caso es que el CT es un examen donde no basta solo con saber física o matemáticas, también hay que saber resolver rápido y sin fallos. gran número tareas para diferentes temas y de diversa complejidad. Esto último sólo se puede aprender resolviendo miles de problemas.
2. Aprenda todas las fórmulas y leyes de la física, y fórmulas y métodos de las matemáticas. De hecho, esto también es muy sencillo de hacer; en física sólo hay unas 200 fórmulas necesarias, y en matemáticas incluso un poco menos. En cada una de estas materias hay alrededor de una docena de métodos estándar para resolver problemas de un nivel básico de complejidad, que también se pueden aprender y, por lo tanto, resolver de forma completamente automática y sin dificultad la mayor parte del CT en el momento adecuado. Después de esto, sólo tendrás que pensar en las tareas más difíciles.
3. Asista a las tres etapas de las pruebas de ensayo en física y matemáticas. Cada RT se puede visitar dos veces para decidirse por ambas opciones. Nuevamente, en el CT, además de la capacidad de resolver problemas de manera rápida y eficiente y el conocimiento de fórmulas y métodos, también debe poder planificar adecuadamente el tiempo, distribuir fuerzas y, lo más importante, completar el formulario de respuesta correctamente, sin confundiendo los números de respuestas y problemas, o su propio apellido. Además, durante la RT, es importante acostumbrarse al estilo de hacer preguntas en los problemas, lo que puede parecer muy inusual para una persona no preparada en el DT.

La implementación exitosa, diligente y responsable de estos tres puntos te permitirá mostrar un excelente resultado en el CT, el máximo de lo que eres capaz de hacer.

¿Encontraste un error?

Si crees que has encontrado un error en materiales educativos, entonces por favor escríbanos por correo electrónico. También puede informar un error a red social(). En la carta indique la materia (física o matemáticas), el nombre o número del tema o prueba, el número del problema o el lugar del texto (página) donde, en su opinión, hay un error. Describa también cuál es el error sospechoso. Su carta no pasará desapercibida, se corregirá el error o se le explicará por qué no es un error.

El mundo que nos rodea está en constante movimiento. Cualquier cuerpo (objeto) es capaz de realizar un determinado trabajo, incluso si está en reposo. Pero para completar cualquier proceso se requiere poner algo de esfuerzo, a veces considerable.

Traducido del griego, este término significa "actividad", "fuerza", "poder". Todos los procesos en la Tierra y fuera de nuestro planeta ocurren gracias a esta fuerza que poseen los objetos, cuerpos y objetos circundantes.

Entre la amplia variedad, existen varios tipos principales de esta fuerza, que se diferencian principalmente en sus fuentes:

• mecánico: este tipo es típico de cuerpos que se mueven en un plano vertical, horizontal u otro;
• térmico - liberado como resultado moléculas desordenadas en sustancias;
• – la fuente de este tipo es el movimiento de partículas cargadas en conductores y semiconductores;
• luz - su portador son partículas de luz - fotones;
• nuclear: surge como resultado de la fisión espontánea en cadena de los núcleos de átomos de elementos pesados.

Este artículo hablará sobre qué es la fuerza mecánica de los objetos, en qué consiste, de qué depende y cómo se transforma durante diversos procesos.

Gracias a este tipo, los objetos y cuerpos pueden estar en movimiento o en reposo. Posibilidad de tal actividad. explicado por la presencia dos componentes principales:

• cinético (Ek);
• potencial (Ep).

Es la suma de energías cinéticas y potenciales lo que determina el indicador numérico general de todo el sistema. Ahora hablemos de qué fórmulas se utilizan para calcular cada una de ellas y cómo se mide la energía.

Cómo calcular la energía

La energía cinética es una característica de cualquier sistema que esta en movimiento. ¿Pero cómo encontrar la energía cinética?

Esto no es difícil de hacer, ya que la fórmula de cálculo de la energía cinética es muy sencilla:

El valor específico está determinado por dos parámetros principales: la velocidad de movimiento del cuerpo (V) y su masa (m). Cuanto mayores sean las características, mayor será la importancia del fenómeno descrito que tiene el sistema.

Pero si el objeto no se mueve (es decir, v = 0), entonces la energía cinética es cero.

Energía potencial – Esta es una característica que depende de posiciones y coordenadas de los cuerpos.

Cualquier cuerpo está sujeto a la gravedad y a fuerzas elásticas. Esta interacción de los objetos entre sí se observa en todas partes, por lo que los cuerpos están en constante movimiento y cambian sus coordenadas.

Se ha establecido que cuanto más alto está un objeto desde la superficie de la tierra, cuanto mayor es su masa, mayor es el indicador de esta tamaño que tiene.

Por tanto, la energía potencial depende de la masa (m), la altura (h). El valor de g es la aceleración de la gravedad, igual a 9,81 m/seg2. La función para calcular su valor cuantitativo se ve así:

La unidad de medida de esta cantidad física en el sistema SI es julio (1 J). Esta es exactamente la cantidad de fuerza que se necesita para mover un cuerpo 1 metro, aplicando una fuerza de 1 newton.

¡Importante! El julio como unidad de medida fue aprobado en el Congreso Internacional de Electricistas, que se celebró en 1889. Hasta ese momento, el estándar de medición era la unidad térmica británica BTU, que actualmente se utiliza para determinar la potencia de las instalaciones de calefacción.

Conceptos básicos de conservación y conversión

Se sabe por los fundamentos de la física que la fuerza total de cualquier objeto, independientemente del tiempo y lugar de su estancia, siempre permanece en un valor constante, sólo se transforman sus componentes constantes (Ep) y (Ek);

Conversión de energía potencial en energía cinética. y viceversa ocurre bajo ciertas condiciones.

Por ejemplo, si un objeto no se mueve, entonces su energía cinética es cero; sólo un componente potencial estará presente en su estado.

Por el contrario, ¿cuál es la energía potencial de un objeto, por ejemplo, cuando está sobre una superficie (h=0)? Por supuesto, es cero y la E del cuerpo estará formada únicamente por su componente Ek.

Pero la energía potencial es poder de conducción. Una vez que el sistema alcanza cierta altura, entonces qué su Ep comenzará inmediatamente a aumentar y Ek disminuirá correspondientemente en la misma cantidad. Este patrón es visible en las fórmulas anteriores (1) y (2).

Para mayor claridad, pongamos un ejemplo en el que se lanza una piedra o una pelota. Durante el vuelo, cada uno de ellos tiene un componente tanto potencial como cinético. Si uno aumenta, el otro disminuye en la misma cantidad.

El vuelo ascendente de objetos continúa sólo mientras la reserva y la fuerza del componente de movimiento Ek sean suficientes. En cuanto se acaba, comienza la caída.

Pero no es difícil adivinar cuál es la energía potencial de los objetos en el punto más alto. es maximo.

Cuando caen, sucede lo contrario. Al tocar el suelo, el nivel de energía cinética es máximo.

El efecto de esta ley se observa no sólo en vida ordinaria, sino también en las teorías científicas. Brevemente sobre uno de ellos.

Dado que no existe interacción entre las numerosas partículas de un gas ideal, el componente potencial del fenómeno de moléculas descrito constantemente cero. Esto significa que toda la fuerza interna de las partículas de gas ideal se define como la fuerza cinética promedio y se calcula utilizando la fórmula anterior (1).

¡Atención! Hoy en día, en los escritorios se puede ver un souvenir llamado “péndulo”. Este dispositivo demuestra perfectamente el proceso de conversión. Si la bola más externa se mueve hacia un lado y luego se suelta, después de la colisión transfiere su carga de energía a la siguiente bola, y ésta a su vecina.

Tipos de energía en física.

Energías cinéticas y potenciales, fórmulas.

Conclusión

Los científicos han respondido durante mucho tiempo a la pregunta de, por ejemplo, cómo encontrar la energía cinética. Ya a mediados del siglo XIX. El mecánico inglés William Thomson utilizó la definición "cinética" en sus experimentos. Pero la vida moderna nos ha obligado a realizar una investigación profunda sobre la transformación de una especie en otra.