Kemija

Steptronic


Predogled

Primer: nihalo I.

Če opazimo ukrivljeno nihalo niti, se višina telesa nihala zmanjša, dokler ne preide skozi ničelni položaj. Ko se premika navzgor, ponovno pridobi višino, medtem ko se njegova hitrost še naprej zmanjšuje, dokler na drugi strani ponovno ne doseže izhodiščne višine. Ko nihalo zaniha nazaj, se zgodi isto.

Če pogledamo samo ta testni postopek, bi lahko dobili idejo, da je doseganje stare višine povezano s simetrijo testa. Znova izvedite zgornji poskus, nekoliko spremenjen.

Primer: nihalo II

Zdaj palico vstavimo v območje nihanja nihala navoja tako, da lahko telo niti po prečkanju ničle nihala niha le s skrajšano dolžino navoja. Od takrat naprej nihalo opisuje drugačen lok navzgor. Višje kot je, počasnejši postane spet, dokler končno spet ne doseže prvotne višine in se spet začne premikati v drugo smer.

Zanimivo je, da se nihalo kljub oviri zaniha nazaj na prvotno višino.

Primer: skakalec na trampolin

Podoben primer se zgodi s skakalcem na trampolinu.

Če pade na trampolin z določene višine, se hitrost poveča, ko se njegova višina zmanjša. Kmalu po udarcu v trampolin se ta upočasni, zaradi česar se mreža raztegne. Ko je omrežje najbolj raztegnjeno, se njegova hitrost zmanjša na nič. Če se mreža spet krči, postane skakalec vse hitrejši, dokler ne odleti z mreže. Po tem se njegova hitrost spet zmanjša, višje ko se dvigne. Prelomnica, na kateri doseže največjo višino, je na isti višini kot izhodiščna točka.

Sklepanja

Ta opažanja kažejo, da obstaja fizična količina, ki zagotavlja razmerje med višino in hitrostjo padca v primeru padajočih gibov.

Zdaj želimo poskusiti opisati dejstvo, da je bila v vseh treh poskusih začetna višina ponovno dosežena s fizikalno količino.

Po ponovnem doseganju začetne višine lahko nadalje sklepamo, da se bo tudi ta velikost ohranila. Če ne bi bilo tako, bi skakalec na trampolin na primer vedno manj skakal visoko.

Ta količina je dobila ime energija.

Z naslednjimi miselnimi poskusi je treba iskati povezavo med energijo višine in energijo gibanja.

Potencialna energija

Če dvignete telo z maso m navzgor H, tako se nanj prenaša energija: pozicijska energija.

Zdaj je vprašanje, kdaj je sistem dosegel dvojno energijo. To lahko storite na dva načina.

Če drugo telo, ki pripada istemu sistemu, pripelješ na isti nivo, ima tam enako energijo kot prvo in skupaj imata dvakrat večjo energijo.

Ali pa vzameš prvo telo in ga spet dvigneš H navzgor, zato ji še enkrat doda višinsko energijo od začetka.

Energija položaja je torej odvisna od mase telesa in višine, za katero se dvigne. Je sorazmeren z maso in višino:

E.mE.H

Ker masa in višina nista odvisni druga od druge, lahko namesto posameznih razmerij rečete tudi:

energija
Energija je sorazmerna zmnožku mase in višine
E.mH
Energija položaja
Ker brez gravitacije ne bi bilo pozicijske energije, definiramo pospešek zaradi gravitacije kot faktor sorazmernosti G. Za pozicijsko energijo potem velja naslednje:
E.=mGH
Enota energije je džul:
[E.]=1kgms-2m=1Nm=1J

Na začetku smo opazili, da obstaja povezava med energijo položaja in energijo gibanja. Zdaj bomo to podrobneje preučili.

Kinetična energija

Iz kinematike vemo:

Postane telo iz mirovanja s stalnim pospeševanjem a premika in polaga progo s nazaj tako je:

s=12at2=12(at)2a=12v2a

je v hitrost je on po času t je dosegla.

Eno od zgornjih testnih teles zapustimo od zgoraj H padajo, se pospešujejo s stalnim pospeškom težnosti. Glede na zgornjo enačbo dobimo:

H=12v2G

Potencialna energija se v celoti pretvori v kinetično energijo. Če zdaj v našo prejšnjo enačbo za energijo vstavite razmerje med višino in hitrostjo, dobite:

E.=mGH=mG12v2G=12mv2
Kinetična energija
Kinetična energija je posledica:
E.=12mv2
primer

Potencialna energija, kinetična energija in energija napetosti

Telo množice m postane od zgoraj 2H in telo mase 2m z višine H padla na pero naenkrat. Če so vzmeti iste vrste, so stisnjene v enaki meri.

Če telesa spustimo z začetne višine, se njihova pozicijska energija pretvori v kinetično energijo.Telesa malo preden udarijo v perje, skoraj popolnoma pretvorijo svojo pozicijsko energijo v kinetično energijo. Kar naprej se premikaš in stisneš perje. Če sta vzmeti popolnoma stisnjeni (obe enako daleč), je prvotna pozicijska energija zdaj v njih kot energija napetosti.

Različne oblike energije se lahko preoblikujejo ena v drugo, kar je razvidno tudi s primeri drugih oblik energije, kot so navedene. V vsakdanjem življenju se energija zaradi trenja pretvarja tudi v toplotno energijo. Na ta način se ohrani celotna energija sistema, tudi če se mehanska energija izgubi zaradi toplote. Na splošno se govori o zakonu ohranjanja energije.

Opomba
Številni izumitelji so poskušali izdelati stroje, ki se sami poganjajo. Ti bi morali delovati neodvisno brez zunanjega oskrbe z energijo in bi morali tudi oddajati energijo. Takšen stroj imenujemo tudi večni motor.
Doslej še nikomur ni uspelo izdelati takšnega stroja in med naravoslovci je zdaj splošno soglasje, da tudi to ni mogoče.
Pariška akademija se je že leta 1776 odločila, da konstrukcije takšnih strojev ne bo več preučevala. Takrat še ni bilo jasno, zakaj takšni stroji ne obstajajo.
Takšen stroj bi bil v nasprotju z zakonom o ohranjanju energije. Zaradi tega patentni uradi še vedno zavračajo vsako prijavo za "izum", ki je v nasprotju z zakonom o ohranjanju energije. Te so zavrnjene brez preverjanja.

Zdaj opišemo naše zgornje primere s pomočjo zakona o ohranjanju energije, kot sledi:

Trampolin skakalec

Skakalec na trampolinu se odbija od višine H na trampolinu se njegova pozicijska energija ob padcu pretvori v kinetično energijo. Takoj ko z nogami doseže trampolinsko mrežo, se njegova kinetična energija pretvori v natezno energijo trampolina. Ta proces se obrne takoj, ko se mreža spet skrči in prenese kinetično energijo navzgor na skakalca. Zaradi varčevanja z energijo skakalec ponovno doseže začetno višino.

Nihalo i

Ko se nihalo odkloni, se nanj prenese določena količina energije. Višino, na kateri naj bo pozicijska energija ničle nihala, lahko nastavite po želji. V tem primeru je smiselno postaviti ničelno točko pozicijske energije v ničelni položaj nihala. Ničelni položaj je položaj, v katerem je nihalo, ko se ne niha, torej ko je navoj usmerjen pravokotno.

Če pustite, da se nihalo zaniha, se pozicijska energija pretvori v kinetično energijo. Na prehodu ničle - ko je nit pravokotna - nihalo nima več nobene višinske energije, je pa kinetična energija na tej točki največja. Ustreza energijski vrednosti nihala na točki največjega upogiba.

Nihalo II

Na pot nihala je zdaj vstavljena palica. Postavlja se vprašanje, kako visoko se zdaj niha nihalo. To dejstvo je mogoče enostavno rešiti s pomočjo zakona o ohranjanju energije.

Potencialna energija od začetka se popolnoma pretvori v kinetično energijo. Tako je na prehodu ničle. Kinetična energija se nato pretvori nazaj v pozicijsko energijo. Ker se nihalo tudi ustavi na desni prelomnici, se je na tej točki kinetična energija v celoti pretvorila v pozicijsko energijo. Tudi če palica spremeni potek nihala, še vedno doseže prvotno višino.