Кинетическая и потенциальная энергия: открытие, формула, масса простыми словами

Кинетическая и потенциальная энергия — это тема по физике для 8 класса. С нее начинается базовый курс, ведь это азы, на которых строятся более серьезные умозаключения и разделы. Если этот «кирпичик» пропустить, фундамент знаний твердым не будет.

Определения и формулы

Кинетическая энергия — это энергия, которую объект обладает благодаря своему движению. Формула для расчета кинетической энергии (( E_k )) движущегося объекта массой ( m ) и скоростью ( v ) следующая:

[ E_k = frac{1}{2}mv^2 ]

Потенциальная энергия — это энергия, которую объект обладает благодаря своему положению в пространстве или состоянию. Для объекта массой ( m ), находящегося на высоте ( h ) над землей, потенциальная энергия (( E_p )) определяется как:

[ E_p = mgh ]

где ( g ) — ускорение свободного падения (приблизительно ( 9.8 , text{м/с}^2 ) на Земле).

Различия

Как отличить кинетическую энергию от потенциальной? Существуют простые признаки, которые понятны каждому:

• Природа энергии. Кинетическая энергия связана с движением объекта. Потенциальная энергия связана с положением объекта в поле сил (гравитационном, электрическом и т.д.).
• Зависимость от факторов. Кинетическая энергия зависит от массы и скорости объекта. Потенциальная энергия зависит от массы объекта, высоты над поверхностью (в случае гравитационного поля) и силы поля.
• Формы выражения. Кинетическая энергия: ( E_k = frac{1}{2}mv^2 ). Потенциальная энергия: ( E_p = mgh ) (в гравитационном поле)

История открытия

Концепция кинетической энергии начала развиваться в XVII веке, когда Исаак Ньютон ввел свои законы движения, что позволило ученым рассчитать энергию движущихся тел. В XVIII веке, Готфрид Лейбниц и Эмили дю Шатле более подробно исследовали эту тему, предложив концепцию живой силы, которая впоследствии стала известна как кинетическая энергия.

Понятие потенциальной энергии возникло в XIX веке, когда ученые начали понимать, что энергия может сохраняться и изменяться из одной формы в другую, но не исчезать. Важный вклад в развитие этой концепции внесли работы Вильяма Рэнкина и Лорда Кельвина.

Масса кинетической энергии 

В термодинамике и статистической механике кинетическая энергия молекул газа, жидкости и твердых тел изучается на микроуровне. Для идеального газа, например, средняя кинетическая энергия молекул пропорциональна температуре газа:

[ {Средняя кинетическая энергия молекулы} = frac{3}{2}k_BT ]

где ( k_B ) — постоянная Больцмана (( 1.38 times 10^{-23} , {Дж/К} )), а ( T ) — температура в Кельвинах.

Для газов

В газах молекулы свободно движутся и сталкиваются друг с другом. Кинетическая энергия молекул газа напрямую связана с температурой газа, как показано в уравнении выше.

Для жидкостей

В жидкостях молекулы также обладают кинетической энергией, но они ближе друг к другу и взаимодействуют сильнее, чем в газах. Средняя кинетическая энергия молекул жидкости также пропорциональна температуре, но взаимодействие между молекулами усложняет точные расчеты.

Для твердых тел

В твердых телах молекулы или атомы колеблются вокруг своих равновесных положений. Кинетическая энергия этих колебаний также пропорциональна температуре, но поскольку молекулы находятся в фиксированных положениях, они не имеют такой свободы движения, как в жидкостях и газах.

Таким образом, хотя кинетическая энергия молекул в разных состояниях вещества (газы, жидкости, твердые тела) связана с их движением и температурой, характер этого движения и взаимодействия между молекулами различается в зависимости от агрегатного состояния вещества.

Изменение кинетической энергии 

Изменение кинетической энергии происходит, когда изменяется скорость объекта. Например, когда к объекту прикладывается сила, она ускоряет или замедляет его. Если вы толкаете автомобиль, он начинает двигаться быстрее, его кинетическая энергия увеличивается.

Изменить ее могут трение и сопротивление. Эти силы замедляют движущиеся объекты, уменьшая их кинетическую энергию. Например, мяч, катящийся по траве, постепенно замедляется из-за трения с травой.

Кроме того, при падении объекта с высоты его потенциальная энергия превращается в кинетическую. Например, когда яблоко падает с дерева, его кинетическая энергия увеличивается по мере приближения к земле.

Не менее интересно, как происходит изменение кинетической энергии?

1. Увеличение скорости. Когда скорость объекта увеличивается, его кинетическая энергия растет. Это происходит, например, когда автомобиль ускоряется на дороге.
2. Уменьшение скорости. Когда скорость объекта уменьшается, его кинетическая энергия падает. Это происходит, например, когда велосипедист тормозит перед остановкой.

Простой пример: представьте, что вы катитесь на велосипеде с горки. Вначале у вас есть много потенциальной энергии из-за высоты. Когда вы начинаете двигаться вниз, эта потенциальная энергия превращается в кинетическую, и вы едете быстрее. Внизу горки ваша кинетическая энергия максимальна, потому что вы едете с самой большой скоростью. Если вы начнёте тормозить, ваша кинетическая энергия начнёт уменьшаться, потому что скорость снизится. Таким образом, изменение связано с изменением скорости, которое происходит из-за различных сил и факторов, действующих на объект.

Примеры из жизни

Кинетическую энергию можно наблюдать в жизненных примерах, которые мы видим ежедневно:

1. Автомобиль на дороге. Когда автомобиль движется, он обладает кинетической энергией, которая зависит от его массы и скорости. Чем быстрее едет машина, тем больше ее кинетическая энергия.
2. Мяч, летящий в воздухе. Во время игры в футбол или баскетбол, когда мяч подбрасывается или ударяется, он обладает кинетической энергией.
3. Бегущий человек. Люди, которые бегают или занимаются спортом, обладают обсуждаемой нами характеристикой. Чем быстрее человек движется, тем больше его кинетическая энергия.
4. Вода в реке. Текущая вода в реке обладает кинетической энергией. Эта энергия используется в гидроэлектростанциях для производства электричества.
5. Вращающийся вентилятор. Лопасти вентилятора, когда они вращаются, имеют кинетическую энергию, которая позволяет им перемещать воздух и охлаждать помещение.

Обратим внимание и на примеры потенциальной энергии в жизни:

1. Поднятый груз. Груз, поднятый на определенную высоту, имеет потенциальную энергию из-за своей высоты. Когда он падает, эта потенциальная энергия превращается в кинетическую.
2. Растянутая пружина. Когда пружина растягивается или сжимается, она обладает потенциальной энергией. Эта энергия высвобождается, когда пружина возвращается в своё исходное состояние.
3. Яблоко на дереве. Яблоко, висящее на ветке, обладает гравитационной потенциальной энергией. Когда оно падает, эта энергия превращается в кинетическую.
4. Заряженная батарея. Внутри батареи химическая энергия хранится как потенциальная энергия. Когда батарея используется, химическая энергия превращается в электрическую.
5. Дамба. Вода, удерживаемая за дамбой, имеет потенциальную энергию. Когда вода освобождается и течет вниз, эта потенциальная энергия превращается в кинетическую, которая может быть использована для генерации электроэнергии.

Эти примеры показывают, как различные формы энергии проявляются и используются в повседневной жизни, демонстрируя принцип сохранения энергии и её преобразования из одной формы в другую.