חוק שמירת האנרגיה: הסברים, נוסחאות ובעיות דוגמא

חוק שימור האנרגיה קובע כי לא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה, אך הוא יכול לשנות מצורת אנרגיה אחת לאחרת.

הפעילויות שאנו מבצעים מדי יום הן שינויים באנרגיה מצורה אחת לאחרת.

על פי הגדרת המילון בקיימברידג ', אנרגיה היא הכוח לבצע עבודה המייצרת אור, חום או תנועה או את הדלק או החשמל המשמשים לכוח.

לדוגמא, כאשר אנו אוכלים, אנו ממירים את האנרגיה הכימית מהמזון לאנרגיה בה אנו משתמשים כדי לנוע. עם זאת, האנרגיה לא תשתנה כשאנחנו עדיין. האנרגיה תמשיך להתקיים. להלן צליל חוק שימור האנרגיה.

הבנת חוק שמירת האנרגיה

"כמות האנרגיה במערכת סגורה אינה משתנה, היא תישאר זהה. לא ניתן ליצור ולא להרוס אנרגיה זו, אך היא יכולה לשנות מצורת אנרגיה אחת לאחרת "

מייסד חוק שימור האנרגיה הוא ג'יימס פרסקוט ג'ול, מדען מאנגליה שנולד ב- 24 בדצמבר 1818.

חוק שימור האנרגיה המכנית  בצורה של סכום האנרגיה הקינטית והאנרגיה הפוטנציאלית. אנרגיה פוטנציאלית היא האנרגיה הקיימת באובייקט מכיוון שהאובייקט ממוקם בשדה כוח. בינתיים, אנרגיה קינטית היא האנרגיה הנגרמת על ידי תנועה של אובייקט שיש לו מסה / משקל.

להלן כתיבת הנוסחה לשתי האנרגיות.

מֵידָע

ה_ק = אנרגיה קינטית (ג'ולה)

ה_פ = אנרגיה פוטנציאלית (ג'ולה)

m = מסה (ק"ג)

v = מהירות (m / s)

g = כוח המשיכה (m / s2)

h = גובה האובייקט (m)

כל היחידות לכמות האנרגיה הן ג'ואלים (SI). יתר על כן, באנרגיה פוטנציאלית, העבודה בכוח זה שווה לשינוי השלילי באנרגיה הפוטנציאלית של המערכת.

מצד שני, מערכת החווה שינוי במהירות, המאמץ הכולל הפועל על מערכת זו שווה לשינוי באנרגיה הקינטית. מכיוון שכוח העבודה הוא כוח שמרני בלבד, המאמץ הכולל על המערכת יהיה שווה גם לשינוי השלילי באנרגיה הפוטנציאלית.

אם נשלב את שני המושגים הללו, יופיע מצב בו השינוי הכולל באנרגיה קינטית ושינוי באנרגיה פוטנציאלית שווה לאפס.

מהמשוואה השנייה ניתן לראות שסכום האנרגיות הקינטיות והפוטנציאליות הראשוניות זהה לסכום האנרגיות הקינטיות והפוטנציאליות הסופיות.

סכום האנרגיה הזו נקרא אנרגיה מכנית. הערך של אנרגיה מכנית זו הוא תמיד קבוע, בתנאי שהכוח הפועל על המערכת חייב להיות כוח שמרני.

הנוסחה לחוק שמירת האנרגיה

כל אנרגיה כוללת במערכת (כלומר אנרגיה מכנית) חייבת להיות תמיד זהה, כך שהאנרגיה המכנית לפניה ואחריה יש את אותו גודל. במקרה זה ניתן לבטא אותו כ-

דוגמה לחוק שמירת האנרגיה

1. פרי על עץ שנפל

כאשר הפרי נמצא על הפום, הוא יעמוד במקום. לפרי זה תהיה אנרגיה פוטנציאלית בשל גובה הפרי מהקרקע.

כעת אם הפרי ייפול מהעץ האנרגיה הפוטנציאלית תתחיל להמיר לאנרגיה קינטית. כמות האנרגיה תישאר קבועה והיא תהיה האנרגיה המכנית הכוללת של המערכת.

רגע לפני שהפרי יגיע לקרקע, האנרגיה הפוטנציאלית הכוללת של המערכת תפחת לאפס והיא תהיה בעלת אנרגיה קינטית בלבד.

2. תחנת כוח הידרו

האנרגיה המכנית מהמים הנופלים מהמפל משמשת לסיבוב הטורבינות בתחתית המפל. סיבוב טורבינות זה משמש לייצור חשמל.

3. מנוע קיטור

מנועי קיטור פועלים על קיטור שהוא אנרגיית חום. אנרגיית חום זו מומרת לאנרגיה מכנית המשמשת להפעלת הקטר. זו דוגמה להמרת אנרגיית חום לאנרגיה מכנית

4. טחנות רוח

האנרגיה הקינטית של הרוח גורמת להבים להסתובב. טחנות רוח ממירות את האנרגיה הקינטית של הרוח לאנרגיה חשמלית.

5. אקדח חץ צעצוע

לאקדח החצים קפיץ שיכול לאגור אנרגיה אלסטית כשהוא במצב דחוס.

אנרגיה זו תשוחרר כאשר הקפיץ מתוח וגורם לחצים לנוע. כך ממיר את האנרגיה האלסטית של הקפיץ לאנרגיה קינטית של החץ הנע

6. משחק גולות

כשמשחקים בגולות האנרגיה המכנית מהאצבעות מועברת לגולות. זה גורם לשיש לנוע ולנסוע מרחק מה לפני שהוא נעצר.

דוגמה לחוק שמירת האנרגיה

1. יויון הפיל מפתח מנוע מגובה 2 מטר כך שהמפתח הנע נפל בחופשיות מתחת לבית. אם התאוצה בגלל כוח הכבידה באותו מקום היא 10 מ '/ s2, אז מהירות המפתח לאחר העברה של 0.5 מטר מהמצב ההתחלתי היא

הֶסבֵּר

ח₁ = 2 מ ', נ₁ = 0, g = 10 m / s2, h = 0.5 m, h₂ = 2 - 0, 5 = 1.5 מ '

v₂ = ?

מבוסס על חוק שימור האנרגיה המכנית

אמ₁ = Em₂

Ep₁ + אלון₁ = Ep₂ + אלון₂

מ.ג.₁ + ½ מ. וו₁2 = מ.ג.₂ + ½ מ '₂2

M. 10 (2) + 0 = מ '. 10 (1,5) + ½ מ '₂2

20 מ '= 15 מ' + ½ מ 'רוחב₂2

20 = 15 + ½ וו₂2

20 - 15 = ½ v₂2

5 = ½ v₂2

10 = v₂2

v₂ = √10 מ 'לשנייה

2. גוש מחליק מראש מישור נוטה חלקלק כדי להגיע לבסיס המישור הנטוי. אם החלק העליון של המישור הנטוי נמצא בגובה 32 מטר מעל פני הרצפה, אז מהירות הבלוק כשהוא מגיע לתחתית המטוס היא

הֶסבֵּר

ח₁ = 32 מ ', נ₁ = 0, h₂ = 0, g = 10 m / s2

v₂ = ?

על פי חוק שימור האנרגיה המכנית

אמ₁ = Em₂

Ep₁ + אלון₁ = Ep₂ + אלון₂

מ.ג.₁ + ½ מ. וו₁2 = מ.ג.₂ + ½ מ '₂2

M. 10 (32) + 0 = 0 + ½m.v₂2

320 מ '= ½ מ' רוחב₂2

320 = ½ v₂2

640 = v₂2

v₂ = √640 m / s = 8 √10 m / s

3. אבן עם מסה של 1 ק"ג מושלכת אנכית כלפי מעלה. כאשר הגובה הוא 10 מטרים מהקרקע יש לו מהירות של 2 מ 'לשנייה. מהי האנרגיה המכנית של המנגו באותה תקופה? אם g = 10 m / s2

הֶסבֵּר

m = 1 ק"ג, h = 10 m, v = 2 m / s, g = 10 m / s2

על פי חוק שימור האנרגיה המכנית

ה_M = ה_פ + ה_ק

ה_M = m g h + ½ m v2

ה_M = 1 . 10 . 10 + ½ . 1 . 22

ה_M = 100 + 2

ה_M = 102 ג'ול

זהו התיאור של חוק שמירת האנרגיה ובעיותיו ויישומיו בחיי היומיום. מקווה שיהיה שימושי.