Закон сохранинея энергии в технике
Закон сохранения энергии: описание и примеры
Если предмет имеет определенную высоту над поверхностью Земли, он уже будет обладать определенным количеством потенциальной энергии. Она рассчитывается путем умножения скорости на скорость и массы тела в результате взаимодействия сил упругости или тяготения. Это означает наличие кинетической энергии – так звучит закон сохранения энергий классической механики.
Формула данного закона выглядит так: Ек1+Еп1=Ек2+Еп2.
Здесь Ек1 является определенным физическим телом в конкретный момент времени, а Eп2 — потенциальной.
Но этот закон неверен только в том случае, если система является замкнутой (или консервативной).
Это говорит о том, что значение полной не изменяется тогда и только в случае консервативных сил.
Когда в действие входят неконсервативные силы, часть энергии изменяется и принимает другие формы. Такие системы получили название диссипативных Систем
Закон сохранения энергии работает, когда силы извне не действуют на тело. Примером может служить опыт с шариками из стали и стекла размером примерно в метр длиной или более высокими по диаметру плитками того же вещества; они отскакивают друг от друга точно так же вниз, как до падения (на расстояние около метра).
Закон сохранения энергии работает, когда сила извне никак не действует на тело.Примером является шарик из стали или другой материи с отскакивающей в сторону стеклянной плитой примерно той же высоты и размера, что была до падения (рисунок ниже). Этот эффект достигается за счет того, что энергия перемещается несколько раз перед тем как предмет упал: она преобразует энергию множество раз;
Изначально величина потенциальной энергии стремится к нулю, но после столкновения она становится потенциальностью упругого деформации предмета.
Но при этом в дело вступает потенциальная энергия тяготения.
Так как шарик находится на той же высоте, с которой он упал и в кинетической энергии не нуждается.
В целом, сумма всех энергий движущегося предмета остается одинаковой во время всего описанного процесса. Этот закон сохраняет полную механическую энергию и является доказательством закона сохранения полной механических сил на движении предметов в пределах одной системы – так называемый потенциальный заряд упругого тела определяет способность при деформации всей структуры вернуться к состоянию покоя или совершать некоторую работу над всеми частями данной конструкции. Кроме этого, сумма всех энергий на движущийся предмет остается одинаковой во время всего описанного процесса. Это означает наличие у упругого тела некоторой силы упругости и ее действие в любом направлении — при деформации всей системы возвращается к состоянию покоя без какой-либо работы над телом после возврата его обратно ко дну траектории движения – это свойство обусловлено обладанием гибкостью этой машины; работа за счет сил упругости не зависит от положения тел перед началом или концом перемещения (хотя сила трения может быть различной).
Если на землю падает падающий предмет, кинетическая энергия и сила сопротивления возрастают.
В механике процесс не вписывается в рамки механики, так как из-за возрастающего сопротивления тела повышается температура. В механике существует закон сохранения энергии, но он имеет серьезные ограничения.Первый принцип термодинамики гласит: разность между количеством теплоты и энергией, накопленной при работе над внешним объектами равна изменению данной неконсервативного объекта в результате работы внутри системы на изменение количества тепла во внешней системе. Но чаще всего это утверждение формулируется иначе – количество вещества, полученное системой для деятельности вне ее, тратится только ради изменения объема производимой извне энергетики.
Согласно данному закону, она не может исчезнуть, превращаясь из одной формы в другую.
Многие люди, пытаясь создать машину без потребления энергии (так называемый вечный двигатель), отвергали этот вывод. Но некоторые все же пытались ее сделать и не учитывая закон сохранения тепла: они считали это невозможным потому что система будет нуждаться во внешней энергии.
Применение закона сохранения в гидродинамических процессах осуществляется по принципу, описанному Бернулли. Он выражается так: сумма давления как кинестетической энергии на единицу объема равна сумме давлений как кинестетической и потенциальной энергий за один оборот жидкости или газа одна (на одном уровне).
Это значит, что для измерения скорости потока достаточно измерить давление в двух точках.
В этом случае применяют манометр, но закон Бернулли справедлив только в том случае, если рассматриваемая жидкость имеет вязкость равной нулю. Для того чтобы описать течение реальных жидкостей используется арифметическая зависимость между сопротивлением и удельным весом тел: количество электронов в двух телах одинаковое; положительный заряд одного из них равен по модулю отрицательному заряду другого.
Для того чтобы описать течение реальных жидкостей, используется интеграл Бернулли. Он состоит из слагаемых и добавляется еще одно число – сопротивление; оно учитывается в формуле соответствия потенциалов двух тел по модулю положительного заряда другому телу.
В электромагнитной изолированном теле сумма зарядов всех тел остается равной нулю, так как при столкновении двух нейтрально заряженных частиц суммарный потенциал их заряда будет равен 0. Это утверждение верно и тогда, когда сталкиваются 2 нейтральных частицы: они имеют одинаковые заряды в момент столкновения; с отрицательнозаряженными – отрицательными?
В них не содержится никаких ограничений в рамках механики, и они применимы как к космическим процессам так и квантовым явлениям.
Законы сохранения позволяют получать данные о механических процессах без их изучения при помощи уравнений движения.
Если какой-то процесс в теории не использует данные принципы, то эксперименты проводить бессмысленно.
Закон сохранения механической энергии
Если тела, составляющие замкнутую механическую систему и взаимодействующие между собой только посредством сил тяготения и упругости (см. 1.19), действуют лишь через силы тяжести или же благодаря силе притяжение — силам сопротивления;Следовательно:Сумма кинетической энергии тел составляет отрицательную точку отсчета в механических процессах.
Он является следствием законов Ньютона. Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией.
В замкнутой системе тела взаимодействуют консервативными силами, то есть с энергиями (как в теории) и только тогда они могут стать силой сохранения энергии.Пример применения закона сохранения энергии – нахождение минимальной прочности легкого нерастяжимого нити при его прохождении по горизонтальному пути весом m во время вращающегося движения тел вверх или вниз под действием силы гравитации. Рисунок 1.20.1. поясняет решение этой задачи.
Закон сохранения энергии для тела в верхней и нижней точках траектории записывается следующим образом:.
Для начала следует обратить внимание на то, что сила тяжести всегда перпендикулярна скорости тела; поэтому она не совершает работы.
и
В результате этого получается, что при минимальной скорости тела в верхней точке натяжение нити должно быть равноПоэтому прочность нити должна превышать это значение.
В реальных условиях, при наличии различных сил тяготения и упругости на движущиеся тела помимо силы трения или других консервативных полей действуют также сила сопротивления среды.
При взаимодействии тел, составляющих замкнутую систему (рис. 67), механическая энергия не сохраняется и даже теряется в результате превращения внутренней энергии тела во внутреннюю энергию или нагрев).При любых физических взаимодействиях сила трение действует безостановочно: часть механический энергий превращается из одной формы в другую(рис. 66).
1.20.2).Рисунок 1.20.2.Один из проектов «вечного двигателя».
Почему эта машина не будет работать? История хранит немало проектов создания «вечного двигателя», в некоторых ошибка изобретателя была скрыты сложной конструкцией приборов, и бывает очень трудно понять почему это чудо так плохо работает.