المعلومات النظرية الأساسية
عمل ميكانيكي
يتم تقديم خصائص الطاقة للحركة بناءً على هذا المفهوم العمل الميكانيكي أو العمل القسري. الشغل المبذول بواسطة قوة ثابتة F، هي كمية فيزيائية تساوي حاصل ضرب القوة ومعامل الإزاحة مضروبًا في جيب تمام الزاوية بين متجهات القوة Fوالحركات س:
العمل هو كمية عددية. يمكن أن تكون إما موجبة (0° ≥ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≥ 180 درجة). في α = 90° الشغل الذي تبذله القوة يساوي صفراً. في نظام SI، يتم قياس العمل بالجول (J). الجول يساوي الشغل الذي تبذله قوة مقدارها 1 نيوتن للتحرك مسافة متر واحد في اتجاه القوة.
إذا تغيرت القوة بمرور الوقت، للعثور على الشغل، قم ببناء رسم بياني للقوة مقابل الإزاحة والعثور على مساحة الشكل الموجود أسفل الرسم البياني - هذا هو العمل:
مثال على القوة التي يعتمد معاملها على الإحداثيات (الإزاحة) هي القوة المرنة للزنبرك، والتي تخضع لقانون هوك ( Fالتحكم = kx).
قوة
يسمى العمل الذي تبذله القوة لكل وحدة زمنية قوة. قوة ص(يُشار إليه أحيانًا بالحرف ن) – الكمية الفيزيائية تساوي نسبة الشغل أإلى فترة من الزمن رتم خلالها الانتهاء من هذا العمل:
تحسب هذه الصيغة متوسط القوة، أي. القوة التي تميز العملية بشكل عام. لذلك، يمكن أيضًا التعبير عن العمل من حيث القوة: أ = نقطة(إذا كانت قوة ووقت إنجاز العمل معروفين بالطبع). وحدة الطاقة تسمى واط (W) أو 1 جول في الثانية. إذا كانت الحركة موحدة فإن:
باستخدام هذه الصيغة يمكننا الحساب قوة فورية(القوة في وقت معين)، إذا قمنا بدلاً من السرعة باستبدال قيمة السرعة اللحظية في الصيغة. كيف تعرف ما هي قوة العد؟ إذا كانت المسألة تطلب القدرة في لحظة من الزمن أو في نقطة ما في الفضاء، فسيتم اعتبارها لحظية. إذا سألوا عن القوة خلال فترة زمنية معينة أو جزء من الطريق، فابحث عن القوة المتوسطة.
الكفاءة - عامل الكفاءة، تساوي نسبة العمل المفيد إلى المنفق، أو الطاقة المفيدة إلى المنفقة:
أي عمل مفيد وأي عمل يهدر يتم تحديده من شروط مهمة معينة من خلال التفكير المنطقي. على سبيل المثال، إذا كانت الرافعة تقوم بعمل رفع حمولة إلى ارتفاع معين، فسيكون العمل المفيد هو عمل رفع الحمولة (نظرًا لأنه لهذا الغرض تم إنشاء الرافعة)، وسيكون العمل المنفق هو العمل الذي يقوم به المحرك الكهربائي للرافعة.
لذا فإن القوة المفيدة والمستهلكة ليس لها تعريف صارم، ويتم العثور عليها عن طريق التفكير المنطقي. في كل مهمة، يجب علينا أنفسنا أن نحدد ما هو الهدف من القيام بالعمل (العمل المفيد أو القوة) في هذه المهمة، وما هي الآلية أو الطريقة للقيام بكل العمل (القوة أو الشغل المبذول).
وبشكل عام، توضح الكفاءة مدى كفاءة الآلية في تحويل نوع من الطاقة إلى نوع آخر. إذا تغيرت القوة مع مرور الوقت، فسيتم العثور على الشغل كمساحة الشكل تحت الرسم البياني للقوة مقابل الوقت:
الطاقة الحركية
تسمى الكمية الفيزيائية التي تساوي نصف حاصل ضرب كتلة الجسم ومربع سرعته الطاقة الحركية للجسم (طاقة الحركة):
أي أنه إذا تحركت سيارة وزنها 2000 كجم بسرعة 10 م/ث، فإن طاقة حركتها تساوي ه k = 100 kJ، وهو قادر على بذل شغل مقداره 100 kJ. هذه الطاقة يمكن أن تتحول إلى حرارة (عند فرملة السيارة تسخن إطارات العجلات والطريق وأقراص المكابح) أو يمكن إنفاقها على تشويه السيارة والجسم الذي اصطدمت به السيارة (في حادث). عند حساب الطاقة الحركية، لا يهم المكان الذي تتحرك فيه السيارة، لأن الطاقة، مثل الشغل، هي كمية عددية.
يتمتع الجسم بالطاقة إذا كان يستطيع بذل شغل.على سبيل المثال، الجسم المتحرك لديه طاقة حركية، أي. طاقة الحركة، وهي قادرة على بذل شغل لتشويه الأجسام أو إعطاء تسارع للأجسام التي يحدث معها الاصطدام.
المعنى الفيزيائي للطاقة الحركية: لكي يستقر الجسم مع الكتلة مبدأت تتحرك بسرعة الخامسمن الضروري القيام بعمل يساوي القيمة التي تم الحصول عليها من الطاقة الحركية. إذا كان الجسم ذو كتلة ميتحرك بسرعة الخامس، ومن أجل إيقافه من الضروري بذل عمل مساوٍ لطاقة حركته الأولية. عند الكبح، يتم "إزالة" الطاقة الحركية بشكل أساسي (باستثناء حالات الاصطدام، عندما تتشوه الطاقة) بواسطة قوة الاحتكاك.
نظرية الطاقة الحركية: الشغل الذي تبذله القوة المحصلة يساوي التغير في الطاقة الحركية للجسم:
نظرية الطاقة الحركية صحيحة أيضًا في الحالة العامة، عندما يتحرك جسم تحت تأثير قوة متغيرة، لا يتطابق اتجاهها مع اتجاه الحركة. ومن الملائم تطبيق هذه النظرية في المسائل التي تتضمن تسارع وتباطؤ الجسم.
الطاقة الكامنة
إلى جانب الطاقة الحركية أو طاقة الحركة، يلعب هذا المفهوم دورًا مهمًا في الفيزياء الطاقة الكامنة أو طاقة تفاعل الأجسام.
يتم تحديد الطاقة الكامنة من خلال الموقع النسبي للأجسام (على سبيل المثال، موقع الجسم بالنسبة لسطح الأرض). لا يمكن تقديم مفهوم الطاقة الكامنة إلا للقوى التي لا يعتمد عملها على مسار الجسم ويتم تحديدها فقط من خلال الوضعين الأولي والنهائي (ما يسمى القوى المحافظة). الشغل الذي تبذله هذه القوى على مسار مغلق يساوي صفرًا. الجاذبية والمرونة لها هذه الخاصية. بالنسبة لهذه القوى يمكننا تقديم مفهوم الطاقة الكامنة.
الطاقة الكامنة لجسم في مجال الجاذبية الأرضيةتحسب بواسطة الصيغة:
المعنى الفيزيائي للطاقة الكامنة لجسم: الطاقة الكامنة تساوي الشغل الذي تبذله الجاذبية عند خفض الجسم إلى مستوى الصفر ( ح– المسافة من مركز ثقل الجسم إلى مستوى الصفر). إذا كان لدى الجسم طاقة كامنة، فهو قادر على بذل شغل عندما يسقط هذا الجسم من ارتفاع حإلى مستوى الصفر. الشغل الذي تبذله الجاذبية يساوي التغير في الطاقة الكامنة للجسم، مع الإشارة المعاكسة:
في كثير من الأحيان، في مشاكل الطاقة، يتعين على المرء أن يجد عمل رفع (قلب، الخروج من الحفرة) الجسم. في كل هذه الحالات، من الضروري النظر في حركة ليس الجسم نفسه، ولكن فقط مركز ثقله.
تعتمد الطاقة المحتملة Ep على اختيار مستوى الصفر، أي على اختيار أصل محور OY. في كل مشكلة، يتم اختيار مستوى الصفر لأسباب تتعلق بالملاءمة. وما له معنى فيزيائي ليس طاقة الوضع نفسها، بل تغيرها عندما يتحرك الجسم من موضع إلى آخر. وهذا التغيير مستقل عن اختيار مستوى الصفر.
الطاقة الكامنة في الربيع الممتدتحسب بواسطة الصيغة:
أين: ك- تصلب الربيع. يمكن للزنبرك الممتد (أو المضغوط) أن يحرك الجسم المرتبط به، أي ينقل الطاقة الحركية إلى هذا الجسم. وبالتالي، فإن مثل هذا الربيع لديه احتياطي من الطاقة. التوتر أو الضغط Xيجب حسابه من الحالة غير المشوهة للجسم.
الطاقة الكامنة لجسم مشوه بشكل مرن تساوي الشغل الذي تبذله القوة المرنة أثناء الانتقال من حالة معينة إلى حالة خالية من التشوه. إذا كان الربيع مشوهًا بالفعل في حالته الأولية، وكان استطالته مساوية س 1، ثم عند الانتقال إلى حالة جديدة مع الاستطالة س 2، ستقوم القوة المرنة بعمل مساوٍ للتغير في الطاقة الكامنة، مأخوذة بالإشارة المعاكسة (نظرًا لأن القوة المرنة موجهة دائمًا ضد تشوه الجسم):
الطاقة المحتملة أثناء التشوه المرن هي طاقة تفاعل الأجزاء الفردية من الجسم مع بعضها البعض بواسطة القوى المرنة.
يعتمد عمل قوة الاحتكاك على المسار المتحرك (هذا النوع من القوة الذي يعتمد عمله على المسار والمسار المتحرك يسمى: قوى تبديد). لا يمكن تقديم مفهوم الطاقة الكامنة لقوة الاحتكاك.
كفاءة
عامل الكفاءة (الكفاءة)- خاصية كفاءة النظام (الجهاز، الآلة) فيما يتعلق بتحويل أو نقل الطاقة. يتم تحديده من خلال نسبة الطاقة المستخدمة بشكل مفيد إلى إجمالي كمية الطاقة التي يتلقاها النظام (تم بالفعل تقديم الصيغة أعلاه).
يمكن حساب الكفاءة من خلال العمل ومن خلال القوة. يتم دائمًا تحديد العمل المفيد والمستهلك (القوة) من خلال التفكير المنطقي البسيط.
في المحركات الكهربائية، الكفاءة هي نسبة العمل الميكانيكي المنجز (المفيد) إلى الطاقة الكهربائية الواردة من المصدر. في المحركات الحرارية، نسبة العمل الميكانيكي المفيد إلى كمية الحرارة المستهلكة. في المحولات الكهربائية، نسبة الطاقة الكهرومغناطيسية الواردة في الملف الثانوي إلى الطاقة التي يستهلكها الملف الأولي.
نظرًا لعموميته، فإن مفهوم الكفاءة يجعل من الممكن مقارنة وتقييم أنظمة مختلفة من وجهة نظر واحدة مثل المفاعلات النووية، والمولدات والمحركات الكهربائية، ومحطات الطاقة الحرارية، وأجهزة أشباه الموصلات، والأشياء البيولوجية، وما إلى ذلك.
بسبب فقدان الطاقة الحتمي بسبب الاحتكاك وتسخين الأجسام المحيطة وما إلى ذلك. الكفاءة دائما أقل من الوحدة.وبناء على ذلك، يتم التعبير عن الكفاءة كجزء صغير من الطاقة المستهلكة، أي ككسر مناسب أو كنسبة مئوية، وهي كمية بلا أبعاد. الكفاءة تميز مدى كفاءة تشغيل الآلة أو الآلية. تصل كفاءة محطات الطاقة الحرارية إلى 35-40%، ومحركات الاحتراق الداخلي ذات الشحن الفائق والتبريد المسبق – 40-50%، والدينامو والمولدات عالية الطاقة – 95%، والمحولات – 98%.
المهمة التي تحتاج فيها إلى العثور على الكفاءة أو أنها معروفة، عليك أن تبدأ بالتفكير المنطقي - ما هو العمل المفيد وما الذي يضيع.
قانون الحفاظ على الطاقة الميكانيكية
إجمالي الطاقة الميكانيكيةيسمى مجموع الطاقة الحركية (أي طاقة الحركة) والإمكانات (أي طاقة تفاعل الأجسام بواسطة قوى الجاذبية والمرونة):
إذا لم تتحول الطاقة الميكانيكية إلى أشكال أخرى، على سبيل المثال، إلى طاقة داخلية (حرارية)، فإن مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة يبقى دون تغيير. إذا تحولت الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية فإن التغير في الطاقة الميكانيكية يساوي عمل قوة الاحتكاك أو الطاقة المفقودة أو كمية الحرارة المنطلقة وهكذا، بمعنى آخر التغير في إجمالي الطاقة الميكانيكية يساوي عمل قوة الاحتكاك أو الطاقة المفقودة لعمل القوى الخارجية :
مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة للأجسام التي تشكل نظامًا مغلقًا (أي نظام لا توجد فيه قوى خارجية مؤثرة، وعملها هو في المقابل صفر) وقوى الجاذبية والمرونة المتفاعلة مع بعضها البعض تبقى دون تغيير:
يعبر هذا البيان قانون حفظ الطاقة (LEC) في العمليات الميكانيكية. إنها نتيجة لقوانين نيوتن. لا يتحقق قانون حفظ الطاقة الميكانيكية إلا عندما تتفاعل الأجسام الموجودة في نظام مغلق مع بعضها البعض بواسطة قوى المرونة والجاذبية. في جميع المسائل المتعلقة بقانون حفظ الطاقة، سيكون هناك دائمًا حالتان على الأقل من نظام الأجسام. وينص القانون على أن الطاقة الإجمالية للحالة الأولى ستكون مساوية للطاقة الإجمالية للحالة الثانية.
خوارزمية حل مسائل قانون حفظ الطاقة:
- العثور على نقاط الوضع الأولي والنهائي للجسم.
- اكتب ما أو ما هي الطاقات الموجودة في الجسم عند هذه النقاط.
- مساواة الطاقة الأولية والنهائية للجسم.
- إضافة معادلات ضرورية أخرى من موضوعات الفيزياء السابقة.
- حل المعادلة أو نظام المعادلات الناتج باستخدام الطرق الرياضية.
ومن المهم أن نلاحظ أن قانون حفظ الطاقة الميكانيكية جعل من الممكن الحصول على علاقة بين إحداثيات وسرعات الجسم عند نقطتين مختلفتين من المسار دون تحليل قانون حركة الجسم في جميع النقاط الوسيطة. إن تطبيق قانون الحفاظ على الطاقة الميكانيكية يمكن أن يبسط إلى حد كبير حل العديد من المشاكل.
في الظروف الواقعية، تتأثر الأجسام المتحركة دائمًا تقريبًا، جنبًا إلى جنب مع قوى الجاذبية والقوى المرنة والقوى الأخرى، بواسطة قوى الاحتكاك أو قوى المقاومة البيئية. يعتمد الشغل الذي تبذله قوة الاحتكاك على طول المسار.
إذا كانت قوى الاحتكاك تؤثر بين الأجسام التي تشكل نظامًا مغلقًا، فإن الطاقة الميكانيكية لا يتم حفظها. يتم تحويل جزء من الطاقة الميكانيكية إلى طاقة داخلية للأجسام (تدفئة). وبالتالي، فإن الطاقة ككل (أي ليس فقط الميكانيكية) يتم الحفاظ عليها في أي حال.
خلال أي تفاعلات فيزيائية، لا تظهر الطاقة ولا تختفي. إنه يتغير فقط من شكل إلى آخر. هذه الحقيقة المثبتة تجريبيا تعبر عن قانون أساسي للطبيعة - قانون حفظ وتحويل الطاقة.
إحدى النتائج المترتبة على قانون حفظ وتحويل الطاقة هو التصريح عن استحالة إنشاء "آلة الحركة الدائمة" (المتنقلة الدائمة) - وهي آلة يمكنها القيام بالعمل إلى أجل غير مسمى دون استهلاك الطاقة.
مهام مختلفة للعمل
إذا كانت المشكلة تتطلب العثور على عمل ميكانيكي، فاختر أولاً طريقة للعثور عليه:
- يمكن العثور على وظيفة باستخدام الصيغة: أ = خ.س∙كوس α . أوجد القوة التي تبذل الشغل، ومقدار إزاحة الجسم تحت تأثير هذه القوة في الإطار المرجعي المختار. لاحظ أنه يجب اختيار الزاوية بين متجهات القوة والإزاحة.
- يمكن إيجاد الشغل الذي تبذله قوة خارجية على أنه الفرق في الطاقة الميكانيكية في الوضعين النهائي والأولي. الطاقة الميكانيكية تساوي مجموع الطاقات الحركية والطاقات الكامنة للجسم.
- يمكن إيجاد الشغل المبذول لرفع جسم بسرعة ثابتة باستخدام الصيغة: أ = mgh، أين ح- الارتفاع الذي يرتفع إليه مركز ثقل الجسم.
- يمكن العثور على العمل باعتباره نتاج القوة والوقت، أي. وفقا للصيغة: أ = نقطة.
- يمكن إيجاد الشغل على شكل مساحة الشكل تحت الرسم البياني للقوة مقابل الإزاحة أو القدرة مقابل الزمن.
قانون الحفاظ على الطاقة وديناميكيات الحركة الدورانية
إن مشاكل هذا الموضوع معقدة للغاية من الناحية الرياضية، ولكن إذا كنت تعرف النهج، فيمكن حلها باستخدام خوارزمية قياسية تمامًا. في جميع المشاكل، عليك أن تأخذ في الاعتبار دوران الجسم في المستوى الرأسي. سيأتي الحل في تسلسل الإجراءات التالي:
- تحتاج إلى تحديد النقطة التي تهتم بها (النقطة التي تحتاج عندها إلى تحديد سرعة الجسم وقوة شد الخيط والوزن وما إلى ذلك).
- اكتب قانون نيوتن الثاني عند هذه النقطة، مع الأخذ في الاعتبار أن الجسم يدور، أي أن له تسارعًا جذبًا مركزيًا.
- اكتب قانون الحفاظ على الطاقة الميكانيكية بحيث يحتوي على سرعة الجسم عند تلك النقطة المثيرة للاهتمام للغاية، بالإضافة إلى خصائص حالة الجسم في بعض الحالات التي يُعرف عنها شيء ما.
- اعتمادًا على الشرط، عبِّر عن السرعة المربعة من إحدى المعادلات واستبدلها بالمعادلة الأخرى.
- قم بإجراء العمليات الحسابية الضرورية المتبقية للحصول على النتيجة النهائية.
عند حل المشكلات، عليك أن تتذكر ما يلي:
- الشرط لتمرير النقطة العليا عند الدوران على خيط بأدنى سرعة هو قوة رد الفعل الداعمة نعند النقطة العليا هو 0. ويتم استيفاء نفس الشرط عند تمرير النقطة العليا للحلقة الميتة.
- عند الدوران على قضيب، فإن شرط اجتياز الدائرة بأكملها هو: الحد الأدنى للسرعة عند النقطة العليا هو 0.
- شرط انفصال جسم عن سطح الكرة هو أن تكون قوة رد الفعل الداعمة عند نقطة الانفصال صفرًا.
الاصطدامات غير المرنة
يتيح قانون حفظ الطاقة الميكانيكية وقانون حفظ الزخم إيجاد حلول للمشاكل الميكانيكية في الحالات التي تكون فيها القوى المؤثرة غير معروفة. مثال على هذا النوع من المشاكل هو تأثير تفاعل الأجسام.
عن طريق التأثير (أو الاصطدام)من المعتاد أن نطلق على تفاعل قصير المدى بين الأجسام، ونتيجة لذلك تشهد سرعتها تغيرات كبيرة. أثناء تصادم الأجسام، تعمل قوى التأثير قصيرة المدى بينهما، وعادة ما يكون حجمها غير معروف. ولذلك، فإنه من المستحيل النظر في تفاعل التأثير مباشرة باستخدام قوانين نيوتن. إن تطبيق قوانين حفظ الطاقة والزخم في كثير من الأحيان يجعل من الممكن استبعاد عملية التصادم نفسها من الاعتبار والحصول على ارتباط بين سرعتي الأجسام قبل التصادم وبعده، متجاوزا جميع القيم الوسيطة لهذه الكميات.
غالبًا ما يتعين علينا التعامل مع تأثير تفاعل الأجسام في الحياة اليومية وفي التكنولوجيا وفي الفيزياء (خاصة في فيزياء الذرة والجسيمات الأولية). في الميكانيكا، غالبًا ما يتم استخدام نموذجين لتفاعل التصادم - تأثيرات مرنة تمامًا وغير مرنة تمامًا.
تأثير غير مرن على الاطلاقيسمون هذا التأثير تفاعلًا حيث تتصل الأجسام ببعضها البعض وتتحرك كجسم واحد.
في التصادم غير المرن تماما، لا يتم حفظ الطاقة الميكانيكية. ويتحول جزئيا أو كليا إلى الطاقة الداخلية للأجسام (التدفئة). لوصف أي تأثيرات، تحتاج إلى كتابة كل من قانون الحفاظ على الزخم وقانون الحفاظ على الطاقة الميكانيكية، مع مراعاة الحرارة المنبعثة (يُنصح بشدة بإجراء رسم أولاً).
تأثير مرن تمامًا
تأثير مرن تمامًايسمى التصادم الذي يتم فيه الحفاظ على الطاقة الميكانيكية لنظام الأجسام. في كثير من الحالات، تخضع اصطدامات الذرات والجزيئات والجسيمات الأولية لقوانين التأثير المرن المطلق. مع تأثير مرن تمامًا، إلى جانب قانون الحفاظ على الزخم، يتم استيفاء قانون الحفاظ على الطاقة الميكانيكية. أحد الأمثلة البسيطة على الاصطدام المرن تمامًا هو الاصطدام المركزي لكرات بلياردو، كانت إحداهما في حالة سكون قبل الاصطدام.
الإضراب المركزييسمى تصادم الكرات حيث تكون سرعات الكرات قبل وبعد الاصطدام موجهة على طول خط المراكز. وهكذا، باستخدام قوانين حفظ الطاقة الميكانيكية وكمية الحركة، من الممكن تحديد سرعات الكرات بعد الاصطدام إذا كانت سرعتها قبل الاصطدام معروفة. نادرًا ما يتم تنفيذ التأثير المركزي عمليًا، خاصة عندما يتعلق الأمر بتصادم الذرات أو الجزيئات. في التصادم المرن غير المركزي، لا تكون سرعات الجسيمات (الكرات) قبل وبعد الاصطدام موجهة في خط مستقيم واحد.
يمكن أن تكون إحدى الحالات الخاصة للتأثير المرن خارج المركز هي اصطدام كرتين بلياردو لهما نفس الكتلة، إحداهما كانت ساكنة قبل الاصطدام، وسرعة الثانية لم تكن موجهة على طول خط مراكز الكرات . في هذه الحالة، يتم دائمًا توجيه متجهات سرعة الكرات بعد الاصطدام المرن بشكل عمودي على بعضها البعض.
قوانين الحفظ. المهام المعقدة
أجساد متعددة
في بعض المسائل المتعلقة بقانون حفظ الطاقة، يمكن أن تكون للكابلات التي يتم نقل بعض الأجسام بها كتلة (أي لا تكون عديمة الوزن، كما قد تكون معتادًا بالفعل). وفي هذه الحالة يجب أيضًا مراعاة عمل تحريك هذه الكابلات (أي مراكز ثقلها).
إذا كان جسمان متصلان بقضيب عديم الوزن يدوران في مستوى رأسي فإن:
- اختر مستوى الصفر لحساب الطاقة الكامنة، على سبيل المثال عند مستوى محور الدوران أو عند مستوى أدنى نقطة لأحد الأوزان وتأكد من عمل الرسم؛
- نكتب قانون حفظ الطاقة الميكانيكية، حيث نكتب على الجانب الأيسر مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع لكلا الجسمين في الوضع الأولي، وعلى الجانب الأيمن نكتب مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع كلا الجسدين في الوضع النهائي؛
- مع الأخذ في الاعتبار أن السرعات الزاوية للأجسام هي نفسها، فإن السرعات الخطية للأجسام تتناسب مع نصف قطر الدوران؛
- إذا لزم الأمر، اكتب قانون نيوتن الثاني لكل جسم على حدة.
انفجرت قذيفة
عندما تنفجر قذيفة، يتم إطلاق الطاقة المتفجرة. للعثور على هذه الطاقة، من الضروري طرح الطاقة الميكانيكية للقذيفة قبل الانفجار من مجموع الطاقات الميكانيكية للشظايا بعد الانفجار. سنستخدم أيضًا قانون حفظ الزخم، المكتوب على شكل نظرية جيب التمام (طريقة المتجهات) أو على شكل إسقاطات على محاور مختارة.
الاصطدام بلوحة ثقيلة
دعونا نلتقي بلوحة ثقيلة تتحرك بسرعة الخامس، تتحرك كرة خفيفة من الكتلة مبسرعة شن. وبما أن زخم الكرة أقل بكثير من زخم اللوحة، فلن تتغير سرعة اللوحة بعد الاصطدام، وستستمر في التحرك بنفس السرعة وفي نفس الاتجاه. نتيجة للتأثير المرن، سوف تطير الكرة بعيدا عن اللوحة. ومن المهم أن نفهم هنا ذلك لن تتغير سرعة الكرة بالنسبة للوحة. في هذه الحالة، بالنسبة للسرعة النهائية للكرة نحصل على:
وبالتالي فإن سرعة الكرة بعد الاصطدام تزيد بمقدار ضعف سرعة الجدار. سبب مماثل للحالة عندما كانت الكرة واللوحة تتحركان قبل الاصطدام في نفس الاتجاه يؤدي إلى انخفاض سرعة الكرة بمقدار ضعف سرعة الجدار:
في الفيزياء والرياضيات، من بين أمور أخرى، يجب تحقيق ثلاثة شروط مهمة:
- دراسة جميع المواضيع وإكمال جميع الاختبارات والواجبات الواردة في المواد التعليمية على هذا الموقع. للقيام بذلك، لا تحتاج إلى أي شيء على الإطلاق، أي: تخصيص ثلاث إلى أربع ساعات كل يوم للتحضير لـ CT في الفيزياء والرياضيات، ودراسة النظرية وحل المشكلات. الحقيقة هي أن CT هو اختبار لا يكفي فيه مجرد معرفة الفيزياء أو الرياضيات، بل تحتاج أيضًا إلى أن تكون قادرًا على حل عدد كبير من المشكلات بسرعة ودون إخفاقات حول مواضيع مختلفة ومتفاوتة التعقيد. ولا يمكن تعلم هذا الأخير إلا من خلال حل آلاف المشاكل.
- تعلم جميع الصيغ والقوانين في الفيزياء، والصيغ والأساليب في الرياضيات. في الواقع، يعد هذا أيضًا أمرًا بسيطًا للغاية؛ حيث لا يوجد سوى حوالي 200 صيغة ضرورية في الفيزياء، وحتى أقل قليلاً في الرياضيات. يوجد في كل موضوع من هذه المواضيع حوالي اثنتي عشرة طريقة قياسية لحل المشكلات ذات المستوى الأساسي من التعقيد، والتي يمكن تعلمها أيضًا، وبالتالي، بشكل تلقائي تمامًا ودون صعوبة في حل معظم أسئلة التصوير المقطعي في الوقت المناسب. بعد ذلك، سيكون عليك فقط التفكير في أصعب المهام.
- حضور جميع المراحل الثلاث لاختبار البروفة في الفيزياء والرياضيات. يمكن زيارة كل RT مرتين لاتخاذ قرار بشأن كلا الخيارين. مرة أخرى، في CT، بالإضافة إلى القدرة على حل المشكلات بسرعة وكفاءة ومعرفة الصيغ والأساليب، يجب أيضًا أن تكون قادرًا على تخطيط الوقت بشكل صحيح، وتوزيع القوى، والأهم من ذلك، ملء نموذج الإجابة بشكل صحيح، دون الخلط بين أرقام الإجابات والمشكلات، أو اسم العائلة الخاص بك. أيضًا، أثناء RT، من المهم التعود على أسلوب طرح الأسئلة في المشكلات، والذي قد يبدو غير معتاد جدًا لشخص غير مستعد في DT.
سيسمح لك التنفيذ الناجح والدؤوب والمسؤول لهذه النقاط الثلاث بإظهار نتيجة ممتازة في التصوير المقطعي، وهو الحد الأقصى الذي يمكنك القيام به.
وجدت خطأ؟
إذا كنت تعتقد أنك وجدت خطأ في المواد التدريبية، يرجى الكتابة عنه عبر البريد الإلكتروني. يمكنك أيضًا الإبلاغ عن خطأ على الشبكة الاجتماعية (). في الرسالة، أشر إلى الموضوع (الفيزياء أو الرياضيات)، أو اسم أو رقم الموضوع أو الاختبار، أو رقم المشكلة، أو المكان في النص (الصفحة) الذي يوجد فيه خطأ في رأيك. قم أيضًا بوصف الخطأ المشتبه به. لن تمر رسالتك دون أن يلاحظها أحد، وسيتم تصحيح الخطأ، أو سيتم توضيح سبب عدم اعتباره خطأ.
من سيرفع الحمولة بأكملها إلى الارتفاع بشكل أسرع، الشخص أم الرافعة؟
من أجل سحب 5 أكياس من البطاطس من حديقة تقع على بعد بضعة كيلومترات من المنزل، ستحتاج إلى الركض ذهابًا وإيابًا باستخدام دلو طوال اليوم. وإذا أخذت عربة، فيمكنك القيام بذلك خلال ساعتين إلى ثلاث ساعات. ماهو الفرق؟ الفرق هو في مدى سرعة إنجاز العمل.
تحدد القوة السرعة التي يتم بها إنجاز العمل.
القدرة (N) هي كمية فيزيائية تساوي نسبة الشغل A إلى الفترة الزمنية t التي تم خلالها تنفيذ هذا الشغل.
الطاقة = الشغل/الزمن،
أو
حيث N هي القوة،
عمل،
ر – الوقت.
توضح القوة مقدار العمل المنجز لكل وحدة زمنية.
في النظام الدولي (SI)، تسمى وحدة القدرة بالواط (W) تكريمًا للمخترع الإنجليزي جيمس وات (Watt)، الذي بنى أول محرك بخاري.
[N] = ث = J/s
1 واط = 1 ي/ 1 ثانية
1 واط يساوي قوة القوة التي تبذل شغلًا مقداره 1 J في ثانية واحدة
أو، عندما يتم رفع حمولة تزن 100 جرام إلى ارتفاع 1 متر في ثانية واحدة
استخدم جيمس وات نفسه (1736 - 1819) وحدة أخرى من القوة - القدرة الحصانية (1 حصان)، والتي قدمها لمقارنة أداء المحرك البخاري والحصان. 1 حصان = 735 واط. لا تزال قوة الحصان تُستخدم حتى يومنا هذا، على سبيل المثال، عند الحديث عن قوة السيارة أو الشاحنة.
تطبيقات القوة في الفيزياء
القوة هي أهم سمة لأي محرك. تنتج المحركات المختلفة قوة مختلفة تمامًا. يمكن أن يكون هذا إما أجزاء من مائة كيلووات، على سبيل المثال، محرك ماكينة حلاقة كهربائية، أو ملايين كيلووات، على سبيل المثال، محرك مركبة إطلاق مركبة فضائية.
تحت أحمال مختلفة، ينتج محرك السيارة طاقة مختلفة لمواصلة الحركة بنفس السرعة. على سبيل المثال، مع زيادة كتلة الحمولة، يزداد وزن السيارة، وبالتالي تزداد قوة الاحتكاك على سطح الطريق، وللحفاظ على نفس السرعة بدون الحمولة، سيتعين على المحرك بذل المزيد من العمل. وبناءً على ذلك، ستزداد الطاقة المولدة من المحرك. سوف يستهلك المحرك المزيد من الوقود. وهذا معروف لدى جميع السائقين. ومع ذلك، عند السرعات العالية، يلعب القصور الذاتي للمركبة المتحركة أيضًا دورًا مهمًا، وهو ما يزيد كلما زادت كتلتها. يجد سائقو الشاحنات ذوو الخبرة المزيج الأمثل بين السرعة واستهلاك البنزين بحيث تحرق الشاحنة كمية أقل من الوقود.
اتضح أن أقوى مصدر للطاقة الميكانيكية هو السلاح الناري!
باستخدام مدفع، يمكنك رمي قذيفة مدفع تزن 900 كجم بسرعة 500 م/ث، مما يؤدي إلى توليد حوالي 110,000,000 جول في 0.01 ثانية. ويعادل هذا العمل رفع 75 طناً من البضائع إلى قمة هرم خوفو (ارتفاع 150 متراً).
ستكون قوة طلقة المدفع 11,000,000,000 واط = 15,000,000 حصان.
مصطلح "القوة" في الفيزياء له معنى محدد. يمكن تنفيذ العمل الميكانيكي بسرعات مختلفة. والقوة الميكانيكية تعني مدى سرعة إنجاز هذا العمل. تعد القدرة على قياس القوة بشكل صحيح أمرًا ضروريًا لاستخدام موارد الطاقة.
أنواع مختلفة من القوة
بالنسبة لصيغة القدرة الميكانيكية، يتم استخدام التعبير التالي:
بسط الصيغة هو العمل المنفق، والمقام هو الفترة الزمنية لاكتماله. هذه النسبة تسمى القوة.
هناك ثلاث كميات يمكن استخدامها للتعبير عن القدرة: اللحظية والمتوسطة والذروة:
- الطاقة اللحظية هي مؤشر طاقة يتم قياسه في لحظة معينة من الزمن. إذا أخذنا في الاعتبار معادلة القدرة N = ΔA/Δt، فإن القدرة اللحظية هي تلك التي يتم أخذها في فترة زمنية صغيرة للغاية Δt. إذا كان هناك اعتماد بياني مرسوم للقدرة على الزمن، فإن القدرة اللحظية هي ببساطة القيمة المقروءة من الرسم البياني في أي لحظة معينة من الزمن. تعبير آخر عن القوة اللحظية:
- متوسط القدرة هو قيمة القدرة التي يتم قياسها على مدى فترة زمنية طويلة نسبيًا Δt؛
- طاقة الذروة هي القيمة القصوى التي يمكن أن تمتلكها الطاقة اللحظية في نظام معين خلال فترة زمنية معينة. تعد أجهزة الاستريو ومحركات السيارات أمثلة على الأجهزة التي يمكنها توفير أقصى قدر من الطاقة أعلى بكثير من متوسط تصنيف الطاقة الخاص بها. ومع ذلك، يمكن الحفاظ على مستوى الطاقة هذا لفترة قصيرة. على الرغم من أنه قد يكون أكثر أهمية لأداء الجهاز من متوسط الطاقة.
مهم!الشكل التفاضلي للمعادلة N = dA/dt هو شكل عام. إذا تم تنفيذ العمل الميكانيكي بشكل موحد مع مرور الوقت t، فإن متوسط القدرة سيكون مساوياً للقدرة اللحظية.
ومن المعادلة العامة نحصل على المدخل التالي:
حيث A سيكون إجمالي العمل المنجز لفترة زمنية معينة t. بعد ذلك، مع التشغيل الموحد، يكون المؤشر المحسوب مساويًا للطاقة اللحظية، ومع التشغيل غير المتساوي، يكون متوسط الطاقة.
في أي وحدات يتم قياس الطاقة؟
الوحدة القياسية لقياس الطاقة هي الواط (W)، والتي سميت على اسم المخترع والصناعي الاسكتلندي جيمس وات. وفقا للصيغة، W = J/s.
هناك وحدة أخرى للقوة لا تزال تستخدم على نطاق واسع حتى اليوم: القدرة الحصانية (hp).
مثير للاهتمام.يعود مصطلح "القوة الحصانية" إلى القرن السابع عشر، عندما تم استخدام الخيول لرفع الأحمال من المناجم. واحد ل. مع. تساوي القدرة على رفع 75 كجم 1 م في 1 ثانية. وهذا يعادل 735.5 واط.
قوة السلطة
تجمع معادلة القدرة بين الشغل والزمن. وبما أننا نعلم أن الشغل يتم عن طريق القوى، وأن القوى يمكنها تحريك الأجسام، فيمكننا استخلاص تعبير آخر للقوة اللحظية:
- الشغل المبذول بالقوة عند الحركة :
أ = و س س س كوس φ.
- إذا وضعنا A في الصيغة العامة لـن، يتم تحديد قوة القوة:
N = (F x S x cos φ)/t = F x V x cos φ، حيث أن V = S/t.
- إذا كانت القوة موازية لسرعة الجسيم، فإن الصيغة تأخذ الشكل:
قوة الأجسام الدوارة
يمكن وصف العمليات المرتبطة بتدوير الكائنات بمعادلات مماثلة. ما يعادل قوة الدوران هو عزم الدوران M، وما يعادل السرعة V هو السرعة الزاوية ω.
إذا استبدلنا القيم المقابلة، نحصل على الصيغة:
M = F x r، حيث r هو نصف قطر الدوران.
لحساب قوة عمود يدور ضد قوة ما، يتم استخدام الصيغة:
ن = 2π س م س ن،
حيث n هي السرعة بوحدة rev/s (n = ω/2π).
وهذا يعطي نفس التعبير المبسط:
وبالتالي، يمكن للمحرك أن يحقق قوة عالية سواء عند السرعة العالية أو من خلال عزم الدوران العالي. إذا كانت السرعة الزاوية ω صفرًا، فإن القدرة أيضًا تساوي صفرًا، بغض النظر عن عزم الدوران.
فيديو
من أجل سحب 10 أكياس من البطاطس من حديقة تقع على بعد بضعة كيلومترات من المنزل، ستحتاج إلى حمل دلو ذهابًا وإيابًا طوال اليوم. إذا كنت تأخذ عربة مصممة لحقيبة واحدة، فيمكنك القيام بذلك خلال ساعتين إلى ثلاث ساعات.
حسنًا، إذا قمت برمي جميع الأكياس في عربة يجرها حصان، فسوف ينتقل محصولك بأمان إلى قبو منزلك خلال نصف ساعة. ماهو الفرق؟ الفرق هو في مدى سرعة إنجاز العمل.تتميز سرعة العمل الميكانيكي بالكمية الفيزيائية المدروسة في مقرر الفيزياء للصف السابع. هذه الكمية تسمى الطاقة. توضح القوة مقدار العمل المنجز لكل وحدة زمنية. وهذا هو، للعثور على القوة، تحتاج إلى تقسيم العمل المنجز على الوقت الذي يقضيه.
صيغة حساب الطاقة
وفي هذه الحالة، تأخذ صيغة حساب الطاقة الشكل التالي: الطاقة = العمل / الوقت، أو
حيث N هي القوة،
عمل،
ر - الوقت.
وحدة الطاقة هي واط (1 واط). 1 W هي القدرة التي يتم بها تنفيذ جول واحد من الشغل في ثانية واحدة. سميت هذه الوحدة على اسم المخترع الإنجليزي جيه وات، الذي بنى أول محرك بخاري. من الغريب أن وات نفسه استخدم وحدة مختلفة من القوة - القدرة الحصانية، وتم تقديم صيغة القوة في الفيزياء بالشكل الذي نعرفه اليوم لاحقًا. ولا تزال القوة الحصانية تُستخدم حتى يومنا هذا، على سبيل المثال، عند الحديث عن قوة السيارة أو الشاحنة. القوة الحصانية الواحدة تعادل 735.5 واط تقريبًا.
تطبيقات القوة في الفيزياء
القوة هي أهم سمة لأي محرك. تنتج المحركات المختلفة قوة مختلفة تمامًا. يمكن أن يكون هذا إما أجزاء من مائة كيلووات، على سبيل المثال، محرك ماكينة حلاقة كهربائية، أو ملايين كيلووات، على سبيل المثال، محرك مركبة إطلاق مركبة فضائية. تحت حمولة مختلفة محرك السيارة ينتج قوة مختلفةلمواصلة التحرك بنفس السرعة. على سبيل المثال، مع زيادة كتلة الحمولة، يزداد وزن السيارة، وبالتالي تزداد قوة الاحتكاك على سطح الطريق، وللحفاظ على نفس السرعة بدون الحمولة، سيتعين على المحرك بذل المزيد من العمل. وبناءً على ذلك، ستزداد الطاقة المولدة من المحرك. سوف يستهلك المحرك المزيد من الوقود. وهذا معروف لدى جميع السائقين. ومع ذلك، عند السرعات العالية، يلعب القصور الذاتي للمركبة المتحركة أيضًا دورًا مهمًا، وهو ما يزيد كلما زادت كتلتها. يجد سائقو الشاحنات ذوو الخبرة المزيج الأمثل بين السرعة واستهلاك البنزين بحيث تحرق الشاحنة كمية أقل من الوقود.
