Fizică

Obiective de învățare

Până la sfârșitul acestei secțiuni veți fi capabili să:

• Explicați legea conservării energiei.
• Descrieți câteva dintre numeroasele forme de energie.
• Definiți eficiența unui proces de conversie a energiei ca fiind fracțiunea rămasă ca energie utilă sau muncă, în loc să fie transformată, de exemplu, în energie termică.

Facerea de conexiuni: Utilitatea principiului conservării energiei

Faptul că energia se conservă și are multe forme o face foarte importantă. Veți constata că energia este discutată în multe contexte, deoarece este implicată în toate procesele. De asemenea, va deveni evident că multe situații sunt cel mai bine înțelese în termeni de energie și că problemele sunt adesea cel mai ușor de conceptualizat și de rezolvat prin luarea în considerare a energiei.

Strategii de rezolvare a problemelor legate de energie

Vă veți găsi utile următoarele strategii de rezolvare a problemelor ori de câte ori veți avea de-a face cu energia. Strategiile ajută la organizarea și consolidarea conceptelor despre energie. De fapt, ele sunt utilizate în exemplele prezentate în acest capitol. Strategiile generale familiare de rezolvare a problemelor prezentate anterior – care implică identificarea principiilor fizice, a elementelor cunoscute și necunoscute, verificarea unităților și așa mai departe – continuă să fie relevante aici.

Pasul 1. Determinați sistemul de interes și identificați ce informații sunt date și ce cantitate trebuie calculată. O schiță va fi de ajutor.

Etapa 2. Examinați toate forțele implicate și determinați dacă cunoașteți sau vi se dă energia potențială din lucrul efectuat de forțe. Apoi folosiți pasul 3 sau pasul 4.

Pasul 3. Dacă cunoașteți energiile potențiale pentru forțele care intră în problemă, atunci forțele sunt toate conservative și puteți aplica conservarea energiei mecanice pur și simplu în termeni de energie potențială și cinetică. Ecuația care exprimă conservarea energiei este KEi + PEi = KEf + PEf.

Etapa 4. Dacă cunoașteți energia potențială doar pentru unele dintre forțe, posibil pentru că unele dintre ele sunt neconservative și nu au o energie potențială, sau dacă există alte energii care nu sunt ușor de tratat în termeni de forță și de lucru, atunci trebuie folosită legea conservării energiei în forma sa cea mai generală.

KEi + PEi + Wnc + OEi = KEf + PEf +OEf.

În majoritatea problemelor, unul sau mai mulți dintre termeni este zero, ceea ce simplifică soluția acesteia. Nu calculați Wc, lucrul efectuat de forțele conservative; acesta este deja încorporat în termenii PE.

Etapa 5. Ați identificat deja tipurile de muncă și energie implicate (în etapa 2). Înainte de a rezolva pentru necunoscută, eliminați termenii ori de câte ori este posibil pentru a simplifica algebra. De exemplu, alegeți h=0 fie în punctul inițial, fie în punctul final, astfel încât PEg să fie zero acolo. Apoi, rezolvați pentru necunoscută în mod obișnuit.

Etapa 6. Verificați răspunsul pentru a vedea dacă este rezonabil. După ce ați rezolvat o problemă, reexaminați formele de lucru și energie pentru a vedea dacă ați configurat corect ecuația de conservare a energiei. De exemplu, lucrul efectuat împotriva frecării ar trebui să fie negativ, energia potențială la baza unui deal ar trebui să fie mai mică decât cea din vârf și așa mai departe. Verificați, de asemenea, dacă valoarea numerică obținută este rezonabilă. De exemplu, viteza finală a unui skateboarder care coboară pe o rampă de 3 m înălțime ar putea fi în mod rezonabil de 20 km/h, dar nu de 80 km/h.

Figura 1. Energia solară este transformată în energie electrică de către celulele solare, care este folosită pentru a acționa un motor în acest avion cu energie solară. (credit: NASA)

Explorări PhET: Mase și arcuri

Un laborator realist de mase și arcuri. Suspendați mase de arcuri și reglați rigiditatea și amortizarea arcurilor. Puteți chiar încetini timpul. Transportați laboratorul pe diferite planete. Un grafic arată energiile cinetică, potențială și termică pentru fiecare resort.

Click pentru a rula simularea.

Întrebări conceptuale

1. Considerați următorul scenariu. Un automobil pentru care frecarea nu este neglijabilă accelerează din repaus în josul unui deal, rămânând fără benzină după o distanță scurtă. Șoferul lasă mașina să coboare mai mult pe deal, apoi să urce și să depășească o mică creastă. Apoi coboară dealul până la o benzinărie, unde frânează până la oprire și umple rezervorul cu benzină. Identificați formele de energie pe care le are mașina și modul în care acestea sunt schimbate și transferate în această serie de evenimente. (A se vedea figura 2.)
   

   Figura 2. O mașină care se confruntă cu o frecare non-neglijabilă coboară un deal, trece peste o mică creastă, apoi coboară din nou la vale și se oprește la o stație de benzină.

2. O mașină care se confruntă cu o frecare non-neglijabilă coboară un deal, trece peste o mică creastă, apoi coboară din nou la vale și se oprește la o stație de benzină.
3. O mașină care coboară la vale, trece peste o creastă, apoi coboară din nou la vale și în final se oprește la o stație de benzină. Fiecare dintre aceste poziții este etichetată cu o săgeată îndreptată în jos.
4. Descrieți transferurile și transformările de energie pentru un suliță, începând din punctul în care un atlet ridică sulița și terminând atunci când sulița este înfiptă în pământ după ce a fost aruncată.
5. Dispozitivele cu randamente mai mici de unu încalcă legea conservării energiei? Explicați.
6. Enumerați patru forme sau tipuri diferite de energie. Dați un exemplu de conversie de la fiecare dintre aceste forme la o altă formă.
7. Enumerați conversiile de energie care au loc atunci când se merge pe bicicletă.

Probleme & Exerciții

1. Utilizând valorile din tabelul 1, câte molecule de ADN ar putea fi rupte de energia transportată de un singur electron din fasciculul unui tub TV de modă veche? (Acești electroni nu erau periculoși în sine, dar au creat raze X periculoase. Modelele ulterioare de televizoare cu tuburi aveau un ecran care absorbea razele X înainte ca acestea să scape și să expună telespectatorii.)
2. Utilizând considerații energetice și presupunând o rezistență neglijabilă a aerului, arătați că o piatră aruncată de pe un pod aflat la 20,0 m deasupra apei, cu o viteză inițială de 15.0 m/s lovește apa cu o viteză de 24,8 m/s, independent de direcția în care este aruncată.
3. Dacă energia din bombele de fuziune ar fi folosită pentru a acoperi necesarul de energie al lumii, câte bombe de tipul celor de 9 megatone ar fi necesare pentru un an de aprovizionare cu energie (folosind datele din tabelul 1)? Acest lucru nu este atât de neverosimil pe cât poate părea – există mii de bombe nucleare, iar energia lor poate fi captată în explozii subterane și transformată în energie electrică, așa cum este energia geotermală naturală.
4. (a) Utilizarea fuziunii hidrogenului pentru a furniza energie este un vis care ar putea fi realizat în secolul următor. Fuziunea ar fi o sursă de energie relativ curată și aproape nelimitată, după cum se poate observa din tabelul 1. Pentru a ilustra acest lucru, calculați câți ani nevoile actuale de energie ale lumii ar putea fi furnizate de o milionime din energia de fuziune a hidrogenului din oceane. (b) Cum se compară acest timp cu evenimente semnificative din punct de vedere istoric, cum ar fi durata sistemelor economice stabile?

Soluții alese la probleme & Exerciții

1. 4 × 104 molecule

2. Echivalând ΔPEg și ΔKE, obținem v=\sqrt{2gh+v_0^2}=\sqrt{2\left(9,80\text{ m/s}^2\drept)\left(20,0\text{ m}\drept)+\left(15,0\text{ m/s}\drept)^2}=24.8\text{ m/s}\\\

4. (a) 25 × 106 ani; (b) Aceasta este mult, mult mai mult decât scara de timp umană.

1. Valori reprezentative ↵