Студент бакалавриата
  1. Классическая механика  1.1. динамика  1.1.1. Движение в одном измерении  1.1.2. Движение в двух измерениях  1.1.3. движение снаряда  1.1.4. Относительная скорость  1.1.5. Равномерное круговое движение  1.1.6. Неравномерное круговое движение  1.1.7. Системы отсчета и преобразования  1.2. Законы движения Ньютона  1.2.1. Первый закон движения  1.2.2. Second law of motion  1.2.3. Third Law of Motion  1.2.4. Применение законов Ньютона  1.2.5. Трение и его виды  1.2.6. Диаграмма свободного тела  1.2.7. Ограничения и псевдо-силы  1.3. Work and Energy  1.3.1. работа, проделанная силой  1.3.2. Теорема о работе и энергии  1.3.3. Кинетическая энергия  1.3.4. Потенциальная энергия в классической механике  1.3.5. Консервативные и неконсервативные силы  1.3.6. Сохранение энергии  1.3.7. Мощность и КПД  1.4. Скорость и столкновения  1.4.1. Линейный импульс  1.4.2. Закон сохранения импульса  1.4.3. Impulse and impact force  1.4.4. Упругие и неупругие столкновения  1.4.5. Центр масс и скорость  1.4.6. Rocket Propulsion  1.5. Вращательное движение  1.5.1. Крутящий момент и угловой момент  1.5.2. Момент инерции  1.5.3. Кинематика вращения  1.5.4. Вращательная энергия  1.5.5. Rolling Motion  1.5.6. Precession and gyroscopic motion  1.6. Gravitational force  1.6.1. Закон всемирного тяготения Ньютона  1.6.2. Гравитационная потенциальная энергия  1.6.3. Orbital mechanics  1.6.4. Kepler's laws of planetary motion  1.6.5. Гравитационное поле и потенциал  1.7. Fluid mechanics  1.7.1. Давление и принцип Паскаля  1.7.2. Плавучесть и принцип Архимеда  1.7.3. Динамика жидкостей и принцип Бернулли  1.7.4. Вязкость и закон Пуазейля  1.7.5. Поверхностное натяжение и капиллярность  1.8. Колебания и волны  1.8.1. Простое Гармоническое Движение  1.8.2. Затухающие и вынужденные колебания  1.8.3. Связанные колебания и нормальные режимы  1.8.4. Wave properties and types  1.8.5. Звуковые волны и эффект Доплера  1.8.6. Интерференция волн и суперпозиция
  2. Электромагнетизм  2.1. Электростатика  2.1.1. Electric charge and properties  2.1.2. Coulomb's law  2.1.3. Электрическое поле и электрический потенциал  2.1.4. Закон Гаусса  2.1.5. Capacitance and Dielectric  2.1.6. Электрический диполь и потенциальная энергия  2.2. Electric circuits  2.2.1. Ток и сопротивление  2.2.2. Закон Ома  2.2.3. Kirchhoff's Laws  2.2.4. RC цепь  2.2.5. AC Circuits and Reactance  2.2.6. Электрическая мощность и энергия  2.3. Магнетизм  2.3.1. Магнитные поля и силы  2.3.2. Закон Ампера  2.3.3. Magnetic dipole moment  2.3.4. Закон Био-Савара  2.3.5. Magnetic Materials and Hysteresis  2.4. Электромагнитная индукция  2.4.1. Закон Фарадея  2.4.2. Lenz's law  2.4.3. Самоиндукция и взаимная индукция  2.4.4. Трансформаторы и индуктивные цепи  2.5. Уравнения Максвелла  2.5.1. Закон Гаусса для электричества  2.5.2. Закон Гаусса для магнетизма  2.5.3. Закон индукции Фарадея  2.5.4. Ampere-Maxwell law  2.5.5. Electromagnetic waves
  3. Термодинамика  3.1. Laws of Thermodynamics  3.1.1. Нулевой закон термодинамики  3.1.2. Первый закон термодинамики  3.1.3. Второй закон  3.1.4. Третий закон  3.2. Тепло и работа  3.2.1. Теплопередача (кондукция, конвекция, излучение)  3.2.2. Термическое расширение  3.2.3. Тепловые двигатели и холодильники  3.2.4. Цикл Карно и эффективность  3.3. Статистическая механика  3.3.1. Распределение Максвелла–Больцмана  3.3.2. Энтропия и Вероятность  3.3.3. Функция распределения  3.3.4. Статистика Ферми–Дирака и Бозе–Эйнштейна
  4. Оптика  4.1. Геометрическая оптика  4.1.1. Отражение и преломление  4.1.2. Mirrors and lenses  4.1.3. Optical Instruments  4.1.4. Fermat's principle  4.2. Оптика волн  4.2.1. Интерференция в волновой оптике  4.2.2. Дифракция  4.2.3. Поляризация  4.2.4. Когерентность и голография
  5. Квантовая механика  5.1. Дуализм волна-частица  5.1.1. Излучение абсолютно черного тела в дуализме волны-частицы в квантовой механике  5.1.2. Фотоэлектрический эффект  5.1.3. Комптоновское рассеяние  5.1.4. Длина волны де Бройля  5.2. Уравнение Шрёдингера  5.2.1. Стационарное уравнение Шрёдингера  5.2.2. Частица в ящике  5.2.3. Quantum Tunneling  5.2.4. Потенциальные ямы и барьеры  5.3. Квантовые состояния  5.3.1. Функция волны  5.3.2. Quantum operators  5.3.3. Принцип неопределённости Гейзенберга  5.3.4. Угловой момент и спин
  6. Относительность  6.1. Special relativity  6.1.1. Преобразования Лоренца  6.1.2. Временное расширение и сокращение длины  6.1.3. Релятивистская энергия и импульс  6.2. Общая теория относительности  6.2.1. Принцип Эквивалентности  6.2.2. Метрика Шварцшильда  6.2.3. Гравитационные волны  6.2.4. Чёрные дыры и горизонты событий
  7. Физика твердого тела  7.1. Кристаллическая структура  7.1.1. Решетки Бравэ  7.1.2. Рентгеновская дифракция  7.1.3. Band theory  7.1.4. Фононы и колебания решетки  7.2. Electrical and Magnetic Properties  7.2.1. Conductors, Semiconductors and Insulators  7.2.2. Сверхпроводимость  7.2.3. Эффект Холла
  8. Ядерная и частичная физика  8.1. Atomic Structure  8.1.1. Атомная модель  8.1.2. Энергия связи ядра  8.2. Радиоактивность  8.2.1. Alpha, beta, gamma decay  8.2.2. Период полураспада  8.2.3. Ядерное деление и слияние  8.3. Particle physics  8.3.1. Standard Model  8.3.2. Кварки и лептоны  8.3.3. антиматерия  8.3.4. Фундаментальные взаимодействия
  9. Астрофизика и космология  9.1. Эволюция звезд  9.1.1. Звездообразование  9.1.2. Чёрные дыры и нейтронные звёзды  9.1.3. Белые карлики и сверхновые  9.2. Космология  9.2.1. Теория Большого взрыва  9.2.2. Dark matter and dark energy  9.2.3. Космическое микроволновое фоновое излучение

Студент бакалавриата → Классическая механика → Work and Energy ↓


Кинетическая энергия


Кинетическая энергия — это фундаментальное понятие в физике, особенно в классической механике. Она описывает энергию, которую объект имеет благодаря своему движению. Эта идея интуитивно понятна и наблюдается в повседневной жизни. Например, движущийся автомобиль, летящий самолет или текущая река всё имеют кинетическую энергию. Эта энергия зависит от двух основных факторов: массы объекта и его скорости.

Понимание кинетической энергии

Формула для вычисления кинетической энергии (KE) выглядит следующим образом:

KE = 1/2 * m * v^2

Где:

  • m — это масса объекта (измеряется в килограммах).
  • v — это скорость объекта (измеряется в метрах в секунду).

Эта формула показывает, что кинетическая энергия прямо пропорциональна массе объекта и квадрату его скорости. Это означает, что если вы удваиваете массу, кинетическая энергия удваивается. Однако, если вы удваиваете скорость, кинетическая энергия увеличивается в четыре раза.

Давайте разберемся с этим на некоторых примерах.

Визуальный пример

Рассмотрим простую ситуацию, когда мяч катится вниз по холму. Допустим, масса мяча составляет 2 килограмма, и он катится со скоростью 3 метра в секунду.

KE = 1/2 * 2 кг * (3 м/с)^2 = 1/2 * 2 * 9 = 9 джоулей

Это означает, что мяч имеет 9 джоулей кинетической энергии.

Масса = 2 кг Скорость = 3м/с

Теперь предположим, что у вас есть более тяжелый мяч, весом 3 килограмма, катящийся вниз по тому же холму с постоянной скоростью 3 метра в секунду.

KE = 1/2 * 3 кг * (3 м/с)^2 = 1/2 * 3 * 9 = 13.5 джоулей

Кинетическая энергия увеличилась, потому что увеличилась масса.

Масса = 3 кг Скорость = 3м/с

Теперь представьте, что исходный мяч массой 2 килограмма движется со скоростью 6 метров в секунду.

KE = 1/2 * 2 кг * (6 м/с)^2 = 1/2 * 2 * 36 = 36 джоулей

Увеличение скорости оказывает значительное влияние на кинетическую энергию. Это подчеркивает, почему скорость возводится в квадрат в уравнении.

Масса = 2 кг Скорость = 6м/с

Вербальные примеры

Чтобы лучше понять вычисленные значения, давайте посмотрим на другие разные сценарии:

Пример 1: Кинетическая энергия автомобиля
Представьте себе автомобиль массой 1000 кг, движущийся со скоростью 20 м/с. Кинетическая энергия будет рассчитана следующим образом:

KE = 1/2 * 1000 кг * (20 м/с)^2 = 0.5 * 1000 * 400 = 200,000 джоулей

Это показывает, что автомобиль имеет большое количество кинетической энергии благодаря своей значительной массе и скорости.

Пример 2: Кинетическая энергия бегуна
Рассмотрим бегуна массой 70 кг, который бежит со скоростью 8 м/с.

KE = 1/2 * 70 кг * (8 м/с)^2 = 0.5 * 70 * 64 = 2,240 джоулей

Хотя бегун значительно легче, чем автомобиль, его энергия гораздо больше за счет его скорости.

Кинетическая энергия в повседневной жизни

Кинетическая энергия играет важную роль в различных реальных приложениях и явлениях:

  • Транспорт: Все виды транспортных средств, от велосипедов до самолетов, зависят от кинетической энергии. Их конструкция часто сосредоточена на эффективном управлении и использовании этой энергии для максимальной эффективности и производительности.
  • Спорт и атлетика: Многие виды спорта требуют от спортсменов управления их кинетической энергией через бег, прыжки, броски или удары. Способность эффективно передавать энергию может быть разницей между победой и поражением.
  • Генерация энергии: Ветровые турбины превращают кинетическую энергию ветра в электрическую энергию, представляющая прямое применение кинетической энергии в технологии возобновляемых источников энергии.
  • Аттракционы: Американские горки и другие аттракционы сконструированы так, чтобы управлять кинетической энергией при переходах между потенциальной и кинетической формами энергии во время поездки.

Сохранение кинетической энергии

В изолированных системах, особенно в упругих столкновениях, кинетическая энергия сохраняется. Это означает, что общая кинетическая энергия остается неизменной до и после столкновения. Однако в неупругих столкновениях часть кинетической энергии превращается в другие формы энергии, такие как тепло или звук, и, таким образом, не сохраняется.

Кинетическая энергия и потенциальная энергия

Кинетическая энергия часто работает в связке с потенциальной энергией. Потенциальная энергия — это энергия, запасенная в объекте из-за его положения или конфигурации. Например, мяч, поднятый на высоту, имеет гравитационную потенциальную энергию. Когда мяч отпускается, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию по мере падения мяча, увеличивая его скорость.

Потенциальная энергия (PE) = m * g * h

Где:

  • m — масса объекта (в килограммах).
  • g — ускорение свободного падения (9.8 м/с² на Земле).
  • h — высота над точкой отсчета (в метрах).

Решение реальной проблемы с кинетической энергией

Понимание кинетической энергии имеет важное значение для решения многих реальных задач. Инженеры часто используют ее для определения необходимых сил для движущихся объектов, улучшения безопасности транспортных средств или лучшего проектирования спортивного оборудования. Ее принципы незаменимы в научных исследованиях и разработках во многих областях.

Резюме

Кинетическая энергия, как мера энергии движения, является важной концепцией в физике и нашей повседневной жизни. Она составляет основу множества практических приложений, от динамики транспортных средств до понимания природных явлений. Понимая формулу KE = 1/2 * m * v^2 и наблюдая ее эффекты в практических ситуациях, мы лучше понимаем, как движение используется и управляется в нашей вселенной.


Студент бакалавриата → 1.3.3


U
username
0%
завершено в Студент бакалавриата

← Предыдущий (1.3.2)
Теорема о работе и энергии
Следующий (1.3.4) →
Потенциальная энергия в классической механике

Комментарии 



Кинетическая энергия

https://www.physicsflow.com/ug/1.3.3?pfal=ru