Эластичная потенциальная энергия

Физика > Эластичная потенциальная энергия

 

Закон Гука и потенциальная энергия в механике – формулировка и уравнения. Читайте определения кинетической энергии, деформации и колебания, формулы и график.

Если сила приводит исключительно к деформации (без звуковой, тепловой или кинетической энергий), то выполненная работа сберегается в виде эластичной потенциальной энергии.

Задача обучения

• Рассмотреть эластичную энергию в математической форме.

Основные пункты

• Чтобы прийти к деформации, необходимо осуществить работу.
• Потенциальная накопленная в пружине энергия выражается как PE_el = 0.5 kx² (k – постоянная пружины, x – смещение).
• Деформацию можно перевести в тепловую энергию или привести объект в колебание.

Термины

• Колебание – повторное движение (назад и вперед).
• Деформация – трансформация, перемена формы.
• Кинетическая энергия – энергия объекта в период перемещения, приравнивающаяся к половине массы тела и квадрату его скорости.

Пример

Мышиная ловушка сохраняет эластичную потенциальную энергию при скручивании куска металла. Энергия освобождается после того, как внутрь попадает мышь.

Эластичная потенциальная энергия

Чтобы прийти к деформации, необходимо осуществить работу. То есть, следует применить силу на определенной дистанции, причем неважно, что именно вы делаете. Если в итоге получаете исключительно деформацию (нет перехода работы в тепловую, звуковую или кинетическую энергии), то вся работа сохраняется в объекте как потенциальная энергия.

Эластичная энергия – потенциальная механическая энергия, сберегающаяся в материальной или физической системе при выполнении работы. В виде формулы:

PE_el =  0.5 kx² (k – постоянная пружины, x – смещение).

Чтобы найти сохраненную энергию, нужно рассчитать осуществленную при деформировании работу. Она выполняется силой F_app. Использованная сила выступает противоположной восстанавливающей, поэтому F_app = kx. График отображает приложенную силу и деформацию, что можно описать законом Гука.

Осуществленная работа – сила, умноженная на дистанцию, равную площади под кривой: kx². Также можно отметить тот факт, что сила растет линейно от 0 к kx, поэтому средняя сила = kx. Выходит:

Перед вами график приложенной силы и дистанции для деформации системы, что можно охарактеризовать законом Гука. Работа над системой приравнивается к площади под графиком (треугольника), достигающей половины основы, умноженной на высоту: W = 0.5 kx²

Эластичная энергия отображает статическую. Она соответствует энергии, сберегающейся при помощи изменения межатомных дистанций между ядрами. Тепловая энергия – распределение кинетической энергии внутри материала. Это приводит к статическим колебаниям. Но есть и некоторый контакт. К примеру, у определенных твердых объектов искажения, сгибание и прочие влияния способны создавать тепловую энергию, что вызывает повышение температурного показателя. Энергия способна формировать макроскопические колебания.

---