Представьте себе баскетбольный мяч. Обычный, обычный баскетбольный мяч, сидящий совершенно неподвижно на пустой площадке. Теперь представьте себе игрока - давайте возьмем Дайану Таурази из WNBA Phoenix Mercury. Она неторопливо выходит на середину двора, ее туфли скрипят по деревянным доскам. Затем Таурази наклоняется, хватает мяч, встает и поднимает его над головой.
Вы только что стали свидетелями увеличенияпотенциальной энергии мяча.
Для протокола: это всего лишь один из многих видов энергии, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Есть также кинетическая энергия, электрическая энергия, тепловая энергия и так далее.
Возникает фундаментальный вопрос. Что такое энергия с научной точки зрения? Что означает это слово в контексте физики, химии, техники и связанных с ними областей STEM?
Вот определение, которое вы, скорее всего, услышите на курсах повышения квалификации или найдете в учебнике:
"Энергия - это способность выполнять работу."
Само по себе это предложение может показаться расплывчатым и не особенно полезным. Но не волнуйтесь, мы здесь, чтобы помочь вам распаковать его.
Работа, определенная
Теперь, когда в учебниках говорится, что энергия - это «способность выполнять работу», они имеют в виду не только занятость с 9 до 5. В двух словах, научное значение слова «работа» - это процесс перемещения объекта путем приложения к нему силы.
«Всякий раз, когда к объекту прикладывается сила, заставляющая объект двигаться, сила совершает работу», согласно Бостонскому университету.
Что касается энергии, она делится на две основные категории:кинетическая энергияипотенциальная энергия.
К. Е. Едет в Голливуд
Иногда кинетическая энергия описывается как «энергия движения». Чтобы обладать такой энергией, объект должен двигаться.
Помните астероид размером с Техас, который пронесся к Земле в блокбастере Майкла Бэя 1998 года «Армагеддон»? В реальной жизни у этой штуки была бы серьезная кинетическая энергия. Как и мчащиеся машины, падающие яблоки и другие движущиеся объекты.
Возьмите карандаши, ребята, потому что мы собираемся бросить вам уравнение:
К. Е.=(1/2)m x v2
Перевод: Кинетическая энергия объекта (" К. Э.") равна половине его массы (" m"), умноженной на квадрат скорости (" v2").
Пришло время разобрать это на примере. Какова кинетическая энергия лошади весом 400 кг (или 882 фунта), скачущей галопом со скоростью 7 метров в секунду (23 фута в секунду)?
В числовом выражении проблема выглядит следующим образом:
К. Е.=(1/2) 400 x 72
Подставьте числа, и вы обнаружите, что кинетическая энергия, которой обладает наш благородный скакун, равна 9800 джоулей. Для справки, джоули (сокращенно «Дж») - это единица измерения, которую ученые используют для количественной оценки энергии или работы.
Так много потенциала
Если кинетическая энергия - это «энергия движения», то потенциальная энергия - это «энергия положения».
Давайте перезвоним Диане Таурази. Как вы думаете, что произойдет, когда она отпустит тот мяч, который, как мы сказали, она подняла высоко над землей?
Конечно, он упадет и ударится о деревянный пол. Все из-за такой мелочи, как гравитация. (Для простоты здесь мы предполагаем, что звезда WNBA не толкала и не бросала мяч активно.) И, как мы теперь знаем, движущийся объект будет проявлять кинетическую энергию на пути вниз.
Но до падения, до того, как мяч покинет руки Таурази, он будет содержать немало потенциальной энергии.
Потенциальная энергия - это накопленная энергия. Это энергия, которую объект (в данном случае мяч Таурази) имеет благодаря своему положению относительно других объектов, таких как твердый пол. Почему мы называем это явление «потенциальной энергией»? Потому что он вводит потенциал силы, такой как гравитация, для совершения работы.
Не создано и не уничтожено
Обратите внимание, что существуют разные виды потенциальной энергии. Тот, который мы обсуждали в нашем примере с баскетболом, называетсягравитационная потенциальная энергия или просто «гравитационная энергия».
Цитируя веб-сайт Управления энергетической информации США, это тип потенциальной энергии, «запасенной в высоте объекта. Чем выше и тяжелее объект, тем больше сохраняется гравитационной энергии».
Подняв мяч над землей, Таурази дала гравитации возможность работать с ним. Если бы она поступила как гарлемский путешественник и подняла бы мяч на вершину высокой цирковой лестницы - или если бы она подняла тяжелый шар для боулинга вместо легкого баскетбольного мяча - в игре было бы еще больше потенциальной гравитационной энергии.
Имейте в виду, эта энергия не исчезнет, когда Таурази отпустит мяч. В пределах закрытой системы (такой, как наша Вселенная) энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Он просто преобразует.
По мере того, как мяч приближается к твердой древесине, гравитационная потенциальная энергия этого шара будет уменьшаться, потому что он приближается к полу. А при касании земли мяч (функционально) вообще не будет иметь гравитационной потенциальной энергии.
Тем не менее, по мере того, как мяч летит вниз и по пути теряет гравитационную потенциальную энергию, его кинетическая энергия одновременно увеличивается.
Аромат энергии
Наша история не заканчивается, когда мяч попадает в эти панели пола. Часть его энергии будет преобразована втепловую энергию и, таким образом, выработает некоторое количество тепла.
О, а этот прекрасный "глухой" звук издают баскетбольные мячи, когда они отскакивают? Это тоже своего рода энергия, которую большинство людей называютзвуком.
Другие виды энергии включаютэлектрическую энергию,механическую энергиюилучистую энергию.
Перед тем, как расстаться, мы дадим вам несколько последних определений.
- Тепловая энергия: Это внутреннее движение и вибрация атомов и молекул внутри объекта или вещества. Когда тепловая энергия течет между объектами или веществами, мы называем это передачей «тепла».
- Звук: Это энергия, вызванная вибрацией и распространяющаяся через вещества в виде продольных волн.
- Электроэнергия: Тип кинетической энергии, это движение электрических зарядов, которое может возникнуть при приложении силы к атомам.
- Излучающая энергия: Это вид энергии, которую вы получаете от электромагнитного излучения. Свет попадает в эту категорию.
- Химическая энергия: Зарегистрируйте это в разделе «потенциальная энергия». Это энергия, хранящаяся в связях, удерживающих атомы вместе.
- Гравитационная энергия: Также называемая «гравитационная потенциальная энергия», это потенциальная энергия, которую объект получает от своего помещения в пространство, подверженное гравитации.
Удачных вычислений!
Интересно
Работу можно классифицировать как положительную или отрицательную. Если я толкну валун вниз по склону, то камень сдвинется в том же направлении, что и мой толчок вниз. Это позитивная работа. Но предположим, что тот же валун уже катится, и, чтобы попытаться остановить это, я прыгнул перед ним и толкнул его изо всех сил. Учитель физики назвал бы мой героический толчок отрицательной работой. Почему? Потому что, толкая этот убегающий камень, я противодействую его движению.
Часто задаваемые вопросы
Каковы 9 видов энергии?
Девять видов энергии: химическая, электрическая, лучистая, ядерная, тепловая, световая, движение, звук и гравитационная.