Innhold
- Newtons Laws of Motion
- Bevarte mengder i fysikk
- Energitransformasjoner og energiformer
- Eksempler på energioverføring
- Sporing av energibesparing
- Kinematikkeksempel: Fritt fall
- Hva med Einstein?
- Den evige bevegelsesmaskinen?
Fordi fysikk er studiet av hvordan materie og energiflyt, lov om bevaring av energi er en nøkkelide for å forklare alt en fysiker studerer, og måten han eller hun studerer det på.
Fysikk handler ikke om å huske enheter eller ligninger, men om et rammeverk som styrer hvordan alle partikler oppfører seg, selv om likhetene ikke er tydelig på et øyeblikk.
Den første loven om termodynamikk er en omformering av denne energibesparingsloven når det gjelder varmeenergi: indre energi av et system må være lik summen av alt arbeidet som gjøres på systemet, pluss eller minus varmen som strømmer inn eller ut av systemet.
Et annet kjent konserveringsprinsipp i fysikk er loven om bevaring av masse; Som du vil oppdage, er disse to konserveringslovene - og du vil bli introdusert for to andre her også - nærere beslektet enn det som møter øyet (eller hjernen).
Newtons Laws of Motion
Enhver studie av universelle fysiske prinsipper bør støttes av en gjennomgang av de tre grunnleggende bevegelseslovene, hamret i form av Isaac Newton for hundrevis av år siden. Disse er:
Bevarte mengder i fysikk
Lovene om bevaring i fysikk gjelder matematisk perfeksjon i bare virkelig isolerte systemer. I hverdagen er slike scenarier sjeldne. Fire konserverte mengder er masse, energi, momentum og kantet fart. De tre siste av disse faller inn under mekanikken.
Masse er bare mengden materie av noe, og når multiplisert med den lokale akselerasjonen på grunn av tyngdekraften, er resultatet vekt. Masse kan ikke mer ødelegges eller skapes fra bunnen av enn energi kan.
momentum er produktet av en gjenstandsmasse og dens hastighet (m ·v). I et system med to eller flere sammenstøtende partikler, endres ikke det totale momentumet til systemet (summen av gjenstandenes individuelle momenta) så lenge det ikke er friksjonstap eller interaksjon med ytre legemer.
Vinkelmoment (L) er bare momentumet rundt en akse til et roterende objekt, og er lik m ·v · r, hvor r er avstanden fra objektet til rotasjonsaksen.
Energi vises i mange former, noen mer nyttige enn andre. Varme, den formen der all energi til syvende og sist er bestemt til å eksistere, er den minst nyttige når det gjelder å sette den i bruk, og er vanligvis et produkt.
Loven om energibesparing kan skrives:
KE + PE + IE = E
hvor KE = kinetisk energi = (1/2) mv2, PE = potensiell energi (lik mgh når tyngdekraften er den eneste kraften som virker, men sett i andre former), IE = indre energi, og E = total energi = en konstant.
Energitransformasjoner og energiformer
All energien i universet oppsto fra Big Bang, og den totale mengden energi kan ikke endres. I stedet observerer vi energiendringer kontinuerlig, fra kinetisk energi (bevegelsesenergi) til varmeenergi, fra kjemisk energi til elektrisk energi, fra gravitasjonspotensiell energi til mekanisk energi og så videre.
Eksempler på energioverføring
Varme er en spesiell type energi (Termisk energi) ved at det som nevnt er mindre nyttig for mennesker enn andre former.
Dette betyr at når en del av energien i et system er transformert til varme, ikke kan det like lett returneres til en mer nyttig form uten tilførsel av tilleggsarbeid, som tar ekstra energi.
Den voldsomme mengden strålende energi som solen legger ut hvert sekund og kan aldri på noen måte gjenvinne eller gjenbruke, er et stående bevis på denne virkeligheten, som kontinuerlig utfolder seg over hele galaksen og universet som helhet. Noe av denne energien blir "fanget" i biologiske prosesser på jorden, inkludert fotosyntesen i planter, som lager sin egen mat i tillegg til å gi mat (energi) til dyr og bakterier, og så videre.
Det kan også fanges opp av produkter fra menneskelig prosjektering, for eksempel solceller.
Sporing av energibesparing
Studenter på fysikk på videregående skole bruker vanligvis kakediagrammer eller stolpediagrammer for å vise den totale energien til systemet som studeres og for å spore endringene.
Fordi den totale mengden energi i kaken (eller summen av høyden på stolpene) ikke kan endres, demonstrerer forskjellen i skiver eller stolpekategorier hvor mye av den totale energien på et gitt punkt er en form for energi eller en annen.
I et scenario kan forskjellige diagrammer vises på forskjellige punkter for å spore disse endringene. Merk for eksempel at mengden termisk energi nesten alltid øker, noe som representerer avfall i de fleste tilfeller.
For eksempel, hvis du kaster en ball i en 45-graders vinkel, er i utgangspunktet all sin energi kinetisk (fordi h = 0), og deretter på det punktet hvor ballen når sitt høyeste punkt, vil dens potensielle energi som en andel av total energi er høyest.
Både når den stiger og når den deretter faller, blir noe av energien hennes omdannet til varme som et resultat av friksjonskrefter fra luften, slik at KE + PE ikke forblir konstant i hele dette scenariet, men reduseres i stedet mens total energi E fortsatt forblir konstant .
(Sett inn noen eksempler av diagrammer med kakediagram / stolpediagrammer som sporer energiendringer
Kinematikkeksempel: Fritt fall
Hvis du holder en bowlingball på 1,5 kg fra et tak 100 m (ca. 30 etasjer) over bakken, kan du beregne dens potensielle energi gitt at verdien av g = 9,8 m / s2 og PE = mgh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1.470 Joules (J)
Hvis du slipper ballen, øker dens null kinetiske energi mer og raskere når ballen faller og akselererer. I det øyeblikket den når bakken, må KE være lik verdien av PE i begynnelsen av problemet, eller 1470 J. I dette øyeblikket,
KE = 1470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5 kg)v2
Forutsatt at det ikke er noe energitap på grunn av friksjon, gjør at mekanisk energi kan bevares v, som viser seg å være 44,3 m / s.
Hva med Einstein?
Fysikkstudenter kan bli forvirret av den berømte masse-energi ligningen (E = mc2), og lurer på om den trosser loven til bevaring av energi (eller bevaring av masse), siden det innebærer at masse kan konverteres til energi og omvendt.
Det bryter faktisk ikke med en av lovene, fordi det viser at masse og energi faktisk er forskjellige former for den samme tingen. Det er liksom å måle dem i forskjellige enheter gitt de forskjellige kravene fra klassiske og kvantemekaniske situasjoner.
I universets hetedød, i henhold til den tredje loven om termodynamikk, vil all materie ha blitt omgjort til termisk energi. Når denne energiomsetningen er fullført, kan ikke flere transformasjoner skje, i alle fall ikke uten nok en hypotetisk entall hendelse som Big Bang.
Den evige bevegelsesmaskinen?
En "evigvarende bevegelsesmaskin" (f.eks. En pendel som svinger med samme tidspunkt og feie uten noen gang å bremse) på Jorden er umulig på grunn av luftmotstand og tilhørende energitap. For å holde gizmo i gang ville det kreve et innspill av eksternt arbeid på et tidspunkt, og dermed beseire formålet.