Кінетична енергія: визначення, види та зв'язок з роботою

Напевно, ви навчалися в інституті кінетична енергія по предмету фізика. Якщо ні, ви, напевно, чули про це в якомусь науковому дослідженні чи в ЗМІ. І це вирішальна енергія для вивчення руху об’єктів. Однак багатьом людям досі незрозуміло, що насправді означає кінетична енергія, як вона працює та як вимірюється.

У цій статті ми збираємося запропонувати a повне керівництво про кінетичну енергію, заглиблюючись у її визначення, використання, види та спосіб її обчислення. Крім того, ми надамо корисні приклади та розглянемо концепції, пов’язані з іншими видами енергії, щоб ви повністю зрозуміли важливість кінетичної енергії у фізиці та повсякденному житті.

Хочете знати все про кінетичну енергію? Вам просто потрібно продовжувати читати, щоб дізнатися 

Яке визначення кінетичної енергії?

Говорячи про кінетичну енергію, деякі люди думають, що це стосується певного типу енергії, яка використовується для виробництва електроенергії або подібного ресурсу. Однак кінетична енергія - це просто енергія, яку об'єкт має внаслідок свого руху. Простіше кажучи, ми могли б сказати, що будь-який об’єкт, який рухається, має кінетичну енергію.

Щоб об’єкт у стані спокою почав рухатися, до нього потрібно прикласти силу. Коли ця сила прикладається, об’єкт долає сили опору (наприклад, тертя землі чи повітря) і починає рухатися. Під час цього процесу енергія, пов’язана з рухомим об’єктом, називається кінетичною.

Таким чином, Кінетична енергія залежить від двох ключових факторів: маси об'єкта та його швидкості. Чим більша маса та швидкість, тим більшу кінетичну енергію матиме об’єкт. Збільшення швидкості викликає значне збільшення енергії, оскільки енергія залежить від швидкості квадратично.

Ця енергія може передаватися від одного об'єкта до іншого. Наприклад, у разі зіткнення частина кінетичної енергії об’єкта, що вдарився, передається об’єкту, що вдарився.

Зв'язок кінетичної енергії з роботою

Кінетична енергія тісно пов'язана з поняттям роботи у фізиці. він робота що виконується на об’єкті для зміни його швидкості, це те, що надає йому кінетичну енергію. Ця робота визначається як добуток сили, прикладеної до об’єкта, на відстань, яку він проходить завдяки цій силі.

Рівняння роботи:

W = F · d · cos(θ)

Ось, W чи виконана робота, F величина прикладеної сили, d — пройдена відстань, а θ це кут між силою та переміщенням.

Ми можемо розглядати кінетичну енергію як роботу, необхідну для переведення об’єкта зі стану спокою до його поточної швидкості.

Типи кінетичної енергії

Існує два основних типи кінетичної енергії, залежно від типу руху, який описує об’єкт:

• Поступальна кінетична енергія: виникає, коли об’єкт рухається по прямій траєкторії. Наприклад, коли автомобіль їде по прямій дорозі, він має поступальну кінетичну енергію.
• Кінетична енергія обертання: з’являється, коли об’єкт обертається навколо власної осі. Найяскравішим прикладом є колесо, що обертається, або лопаті вентилятора, що рухаються.

Крім цих типів, кінетична енергія може проявлятися і на інших рівнях. Наприклад, на мікроскопічному рівні рух атомів у твердому тілі породжує а теплова кінетична енергія, який відповідає за тепло. Електрони, що рухаються в колі, також генерують електрична кінетична енергія.

Як обчислюється кінетична енергія?

Розрахувати кінетичну енергію об’єкта відносно просто, якщо ви знаєте його масу та швидкість. Загальна формула в Кінетична енергія надається:

Щоб краще зрозуміти це рівняння, корисно пояснити терміни:

• E_c: представляє кінетичну енергію, виміряну в джоулях (Дж).
• m: це маса об’єкта, виміряна в кілограмах (кг).
• v: Відповідає швидкості об’єкта, виміряній у метрах за секунду (м/с).

Як бачите, кінетична енергія пропорційна масі, але залежить від квадрата швидкості, а це означає, що подвоєння швидкості об’єкта збільшує його кінетичну енергію в чотири рази.

Крім того, кінетична енергія об’єкта завжди може бути додатною або принаймні дорівнювати нулю, якщо об’єкт перебуває в спокої.

Прискорення і тертя в кінетичній енергії

кінетична енергія Він не діє сам по собі у Всесвіті. На нього часто впливають інші сили, насамперед сила тертя і прискорення.

Коли ми прикладаємо силу до об’єкта, він починає прискорюватися. Зі збільшенням вашої швидкості зростатиме і ваша кінетична енергія. Однак якщо ми припинимо застосування сили, інші фактори, такі як тертя повітря або контакт із землею, почнуть сповільнювати об’єкт. Цей процес зменшує його кінетичну енергію, поки врешті-решт об’єкт не зупиниться.

З цієї причини знання сил тертя є важливим для розуміння поведінки рухомого об’єкта. Наприклад, під час руху автомобіля кінетична енергія коліс постійно взаємодіє з землею, що визначає кількість потужності, необхідної для того, щоб автомобіль рухався.

Формула кінетичної енергії: застосування в класичній і релятивістській механіці

У класичній механіці, задіяні швидкості значно нижчі за швидкість світла. В даному випадку формула E_c = ½ мв² Він ідеально підходить для обчислення кінетичної енергії об'єкта.

Однак у релятивістська механіка, необхідно враховувати вплив в Спеціальна теорія відносності Ейнштейна, коли об’єкти рухаються зі швидкістю, близькою до світлової. У цій ситуації класична форма формули не є точною, і використовується більш складна версія, отримана зі знаменитого рівняння Ейнштейна. E = mc².

Приклади кінетичної енергії

• Кинутий м'яч: Коли ви кидаєте м’яч, ви надаєте йому кінетичної енергії. Кількість енергії залежить від швидкості кулі та її маси.
• Машина, що рухається: Автомобіль у русі має кінетичну енергію, яка залежатиме від його маси та швидкості. Під час гальмування кінетична енергія розсіюється, головним чином через тертя гальм і шин об землю.
• Американські гірки: Під час катання на американських гірках автомобілі накопичують потенційну енергію, яка перетворюється на кінетичну під час руху автомобіля вниз по схилу.
• падаючі камені: Об’єкт, який падає з певної висоти, набуває кінетичної енергії під час прискорення. Цей тип кумулятивного руху використовується в багатьох фізичних експериментах і реальних прикладах.

Кінетична енергія відіграє вирішальну роль у незліченних повсякденних ситуаціях і є фундаментальною для розуміння того, як рухомі об’єкти взаємодіють у нашому світі. Від найпростішого руху м’яча до вивчення електронів у квантовій фізиці все пов’язано законами, які керують цією формою енергії.