Головна ⇒ 📌Фізика ⇒ МЕХАНІЧНА ЕНЕРГІЯ ТА ЇЇ ВИДИ

МЕХАНІЧНА ЕНЕРГІЯ ТА ЇЇ ВИДИ

Розділ 4 МЕХАНІЧНА РОБОТА ТА ЕНЕРГІЯ

&42. МЕХАНІЧНА ЕНЕРГІЯ ТА ЇЇ ВИДИ

Для роботи двигунів, які надають руху автомобілям, тракторам, тепловозам, літакам, потрібне пальне, яке є джерелом енергії. Електродвигуни надають руху верстату завдяки електроенергії. За рахунок енергії води, яка падає з висоти, обертаються гідротурбіни, які з’єднані з електричними машинами, що виробляють електричний струм. Людині, для того щоб існувати і працювати, також потрібне джерело енергії. Кажуть, що для того, щоб виконувати будь-яку роботу, потрібна

енергія. Що ж таке енергія?

Дослід 1. Піднімемо над землею м’яч (мал. 245). Поки він перебуває у стані спокою, механічна робота не виконується. Відпустимо його. Під дією сили тяжіння м’яч падає на землю з певної висоти. Під час падіння м’яча виконується механічна робота.

Мал. 245

Мал. 246

Дослід 2. Стиснемо пружину, зафіксуємо її ниткою і поставимо на пружину гирю (мал. 246). Перепалимо нитку, пружина розпрямиться і підніме гирю на деяку висоту. Пружина виконала механічну роботу.

Дослід 3. На візку закріпимо стержень з блоком на кінці (мал. 247). Через

блок перекинемо нитку, один кінець якої намотано на вісь візка, а на другому висить тягарець. Відпустимо тягарець, під дією сили тяжіння він опускатиметься вниз і надасть руху візку. Тягарець виконав механічну роботу.

Дослід 4. Сталева кулька А, яка скотилася з похилої площини (мал. 248), також виконала механічну роботу: вона перемістила циліндр В на деяку відстань.

Мал. 247

Мал. 248

Якщо тіло або кілька тіл під час взаємодії виконують механічну роботу, то кажуть, що вони мають механічну енергію, або енергію.

М’яч, піднятий над землею, стиснена пружина, рухома сталева кулька мають енергію.

Енергія – фізична величина, що характеризує здатність тіл виконувати роботу.

Енергію (з грец. енергія – діяльність) позначають літерою Е. Одиницею енергії, а також і роботи в СІ є один джоуль (1 Дж).

З наведених дослідів видно, що тіло виконує роботу тоді, коли переходить з одного стану в інший: піднятий над землею м’яч опускається, стиснута пружина розпрямляється, рухома кулька зупиняється. Енергія тіла при цьому змінюється (зменшується), а виконана тілом механічна робота дорівнює зміні його механічної енергії.

Розрізняють два види механічної енергії – потенціальну і кінетичну.

Потенціальна енергія (з лат. потенціал – можливість) – це енергія, яка визначається взаємним положенням тіл, що взаємодіють, або частин того самого тіла.

Оскільки будь-яке тіло й Земля притягують одне одного, тобто взаємодіють, то потенціальна енергія тіла, піднятого над землею, залежатиме від h – висоти підняття. Що більша висота підйому тіла, то більша його потенціальна енергія.

Дослідами встановлено, що потенціальна енергія тіла залежить не тільки від висоти, на яку його піднято, а й від маси тіла. Якщо тіла піднято на однакову висоту, то тіло більшої маси матиме й більшу потенціальну енергію.

Під час падіння піднятого тіла на поверхню Землі сила тяжіння виконала роботу, яка відповідає зміні потенціальної енергії тіла від її значення на висоті h до значення на поверхні Землі. Якщо для зручності прийняти, що потенціальна енергія тіла на поверхні Землі дорівнює нулю, то потенціальна енергія піднятого тіла дорівнюватиме виконаній під час падіння роботі:

Еп = А = Ртяжh = mgh.

Отже, потенціальну енергію тіла, піднятого на деяку висоту, будемо визначати за формулою:

Еп = mgh,

Де Еп – потенціальна енергія піднятого тіла; m – маса тіла; g = 9,81 Н/кг; h – висота, на яку підняли тіло.

Великий запас потенціальної енергії має вода гірських або рівнинних річок, піднята греблями. Падаючи з висоти вниз, вода виконує роботу: надає руху турбінам гідроелектростанцій. В Україні на Дніпрі побудовано кілька гідроелектростанцій, у яких використовують енергію води для вироблення електроенергії.

Мал. 249

На малюнку 249 зображено переріз такої станції. Вода з вищого рівня падає вниз і обертає колесо гідротурбіни. Вал турбіни з’єднано з електричною машиною, яка виробляє електричний струм.

Потенціальну енергію мають літак, який летить високо в небі; дощові краплі у хмарі; молот копра під час забивання паль (мал. 250).

Відчиняючи двері з пружиною, ми розтягуємо її, долаючи силу пружності, тобто виконуємо роботу. Внаслідок цього пружина набуває потенціальної енергії. За рахунок цієї енергії пружина, скорочуючись, виконує роботу – зачиняє двері.

Потенціальну енергію пружин використовують у годинниках, різноманітних заводних іграшках. В автомобілях, вагонах пружини амортизаторів(мал. 251) і буферів, деформуючись, зменшують поштовхи.

Мал. 250

Мал. 251

Потенціальна енергія пружини залежить від її видовження (зміни довжини під час стискання або розтягування) і жорсткості (залежить від конструкції пружини і пружності матеріалу, з якого вона виготовлена). Що більше видовження (деформація) пружини та що більша її жорсткість, то більшої потенціальної енергії вона набуває під час деформації. Така залежність властива будь-якому пружно деформованому тілу. Потенціальну енергію пружно деформованого тіла визначають за формулою:

Еп = ,

Де Еп – потенціальна енергія пружно деформованого тіла (пружини); k – жорсткість тіла (одиниця жорсткості – 1 ); х – видовження (деформмація) тіла (пружини).

Але тіла можуть мати енергію не тільки тому, що вони займають певне положення або деформуються, а й тому, що вони знаходяться в русі.

Кінетична енергія (з грец. кінетікос – той, що надає руху) – це енергія, яку має тіло внаслідок власного руху.

Кінетичну енергію має вітер, її використовують для надання руху вітряним двигунам. Рухомі маси повітря чинять тиск на похилі площини крил вітряних двигунів і змушують їх обертатися. Обертальний рух крил за допомогою системи передач передається механізмам, які виконують певну роботу.

Вітряні двигуни відомі з давніх-давен. На малюнку 252 зображено вітряк, у якому за рахунок енергії вітру мелють зерно. Сучасні досить потужні вітряні двигуни (мал. 253) використовують для того, щоб виробляти електроенергію, піднімати зі свердловин воду й подавати її у водонапірні башти. Такі вітродвигуни побудовано в Криму й Закарпатті, тому що там найчастіше дмуть вітри.

Рухома вода або нагріта пара, обертаючи турбіни електростанції, втрачає частину своєї кінетичної енергії і виконує роботу. Літак, який летить високо в небі, крім потенціальної енергії, має кінетичну енергію.

Якщо тіло перебуває у стані спокою, тобто його швидкість відносно Землі дорівнює нулю, то і його кінетична енергія відносно Землі дорівнюватиме нулю.

Мал. 252

Мал. 253

Дослідами встановлено: що більші маса тіла і швидкість, з якою воно рухається, то більша його кінетична енергія. Виявлена залежність математично виражається такою формулою: Ек =, де Ек – кінетична енергія тіла; m – маса тіла; v – швидкість руху тіла.