Asosiy kontent

Ish va energiya nima?

Bu yerda biz ish va energiya nimani anglatishini va ular oʻzaro qanday bogʻliq ekanini oʻrganamiz.

Ish va energiya nima?

Energiya soʻzi hayotda koʻp qoʻllanadi. U, koʻpincha, ancha erkin qoʻllanishiga qaramay, maxsus maʼnoga ega.

Energiya bu jismning ish bajara olish qobiliyati. U moddiy emas. Energiyani turli koʻrinishda saqlash va oʻlchash mumkin.

Biz, koʻpincha, odamlar energiya isteʼmoli haqida gapirayotganini eshitamiz, ammo aslini olganda, energiya hech qachon yoʻq boʻlib qolmaydi.U shunchaki ish bajarish jarayonida bir turdan boshqasiga oʻtadi. Biz uchun energiyaning baʼzi turlari boshqalari kabi foydali emas. Masalan, "quyi darajali" issiqlik energiyasi. Energiya manbalari, masalan, koʻmir, neft, shamolning isteʼmoli haqida soʻz yuritish aynan energiya isteʼmoli haqida gapirishdan koʻra toʻgʻriroq.

Maʼlum bir tezlikda harakatlanayotgan oʻq tezlik bilan bogʻliq oʻlchash mumkin boʻlgan energiyaga ega; ushbu energiya kinetik energiya deb ataladi. Bu energiya unga porox tomonidan kimyoviy potensial energiya hisobiga ish bajarish orqali berilgan.
Stakanda turgan issiq qahva mikrotoʻlqinli pech tomonidan bajarilgan ish natijasida oʻlchash mumkin boʻlgan issiqlik energiyasiga ega va oʻz navbatida, pech elektr tarmogʻidan elektr energiyasini olgan.

Hayotda energiya bir turdan ikkinchi turga oʻtkazilganda uning bir qismi doimo yoʻqotiladi, masalan, issiqlik yoki tovush koʻrinishida. Masalan, odatiy yoritish chiroqlari elektr energiyasining 3% ini yoritishga sarflaydi va odam isteʼmol qilgan ovqatidagi kimyoviy energiyaning taxminan 25% ini ish bajarishga sarflaydi.

Ish va energiyani qanday oʻlchash mumkin?

Fizikada ish va energiyaning asosiy birligi joul, u J harfi bilan belgilanadi. Mexanikada 1 joul energiya 1 Nyuton kuch biror jismni 1 metr masofaga siljitganda uzatiladi.

Siz duch kelgan boʻlishingiz mumkin boʻlgan energiyaning yana bir birligi kaloriya. Yegulik mahsulotlari energiyasi, odatda, kaloriyalarda oʻlchanadi va yegulik qadogʻining orqasiga yozilgan boʻladi. Masalan, 60 gramm shokoladda 280 kilokaloriya energiya boʻladi. Bir kilokaloriya bu 1 kg suvning haroratini 1

^{\circ}

Selsiyga oshirish uchun kerak boʻladigan energiya.

Bu - bir kilokaloriya 4184 joulga teng degani, demak, bir quti shokolad 1.17 milllion joul yoki 1.17 MJ energiyaga ega. Bu juda katta energiya!

Bir quti shokolad energiyasini sarflash uchun ogʻir qutini qancha uzoqqa surish kerak boʻladi?

Aytaylik, biz shokolad isteʼmol qilib oʻzimizni aybdor his qilayotgan boʻlaylik; biz aybimizni yuvish uchun yaʼni qoʻshimcha 280 Kaloriya energiyadan foydalanish uchun qancha ish bajarish kerakligini topamiz. Mashq qilishning oddiy shaklini koʻrib chiqaylik: biror xonada ogʻir qutini harakatlantirish (1-rasmga qarang).

Dinamometr yordamida biz qutini qanday kuch bilan itarayotganimizni oʻlchaymiz, taʼsir kuchi 500 N ga teng ekan. Oʻlchov lentasi va sekundomer yordamida harakatlanish tezligimizni oʻlchasak, uning 0,25 m/s ekanini koʻrishimiz mumkin.

Shunday qilib, shokolad energiyasiga teng miqdorda ish bajarishimiz uchun qanday ish bajarishimiz kerak? Ish

W

ning taʼrifi quyidagicha:

W = F \cdot Δ x

Shokolad energiyasiga teng ish

E = 280 cal \cdot 4184 J / cal = 1.17 MJ

Shuning uchun biz qutini quyidagi

Δ x

masofaga siljitishimiz kerak:

\begin{aligned} W & = F \cdot Δ x \\ 1.17 MJ & = (500 N) \cdot Δ x \\ \frac{1.17 \times 10^{6} J}{500 N} & = Δ x \\ 2, 340 m & = Δ x \end{aligned}

Bizning tanamiz qabul qilgan energiyasining 25% ini foydali ish bajarishga sarflashini yodda tuting. Demak, biz shokoladdan olgan energiya bajargan ishimizdan toʻrt marta katta boʻlishi lozim. Biz qutini atigi 585 m masofaga siljitishimiz kerak ekan, ammo bu beshta futbol maydoni uzuznligiga teng. Bizga maʼlum 0.25 m/s tezlik orqali vaqtni topishimiz mumkin:

\frac{585 m}{0.25 m / s} = 2340 s

Mashq: Biz qutiga taʼsir qilayotgan kuchimiz (1-rasmga qarang) oldin kichik boʻlib, jismonan faollashganimiz sayin ortib borib maʼlum vaqtda oʻzgarmas qiymatga erishsin deb tasavvur qilaylik. Masalan, quyidagi grafikda dastlabki 30 m da koʻchish

x

ortgani sari kuch

F

ortib borayotganini koʻramiz (2-rasmga qarang). Kuch oʻzgargan vaqt intervalida bajarilgan ishni qanday topamiz?

Agar kuch oʻzgaruvchan boʻlsa, ishni topishning bir yoʻli vaqtni juda kichik, yaʼni kuchni oʻzgarmas deb qarasa boʻladigan boʻlaklarga boʻlib yuborish va har bir qism uchun bajarilgan ishni topib, ularnining yigʻindisini hisoblash. Yoxud biz oʻrganganimizdek, bu ishni geometriyadan foydalanib tezlik grafigi ostidagi yuzani topish orqali hisoblashimiz ham mumkin.

Kuchning bajargan ishi kuch-koʻchish grafigi ostidagi yuzaga teng. 2-rasm uchun u quyidagicha boʻladi:

(200 N \cdot 30 m) + \frac{1}{2} ((500 N - 200 N) \cdot 30 m) = 10500 J

dastlabki

30 m

masofada bajarilgan ish.

Shuningdek, oxirgi 40 m masofada bajarilgan ish quyidagiga teng:

500 N \cdot 40 m = 20, 000 J

Agar kuch burchak ostida taʼsir etsa-chi?

Biz bu kabi masalalarni yechishda bir narsaga eʼtibor berishimiz kerak. Dastlabki formulamiz

W = F \cdot Δ x

kuch va koʻchish yoʻnalishlari bir xil boʻlmagan holatni inobatga olmagan.

Masalan, tasavvur qiling, biz ip yordamida qutini tortyapmiz. Bu holda ip va gorizont orasida burchak hosil boʻladi. Biz bu vaziyatda uchburchak hosil qilib kuchni vertikal va gorizontal proyeksiyalarga ajratamiz.

Ushbu holatning muhim jihati shundaki, kuchning faqat bitta proyeksiyasi

F_{| |}

siljish yoʻnalishiga parallel va oʻsha kuch ish bajaradi. Yuqoridagi holatda jism gorizontal siljigani sababli kuchning faqat gorizontal proyeksiyasi

F cos (θ)

ish bajaradi. Shunga koʻra, kuch θ burchak ostida taʼsir qilgan holat uchun ishning yanada umumlashgan formulasini quyidagicha yozish mumkin:

W = F_{| |} \cdot Δ x

W = (F \cos θ) \cdot Δ x

Ammo koʻp hollarda quyidagicha yoziladi:

W = F Δ x \cos θ

Mashq: Tasavvur qiling, biz qutini gorizontga 30º burchak ostida yoʻnalgan ip bilan tortyapmiz. Bunda ipning taranglik kuchi 500 N ga teng. Ushbu holatda biz yukni 585 m ga siljitishimiz uchun qancha shokolad isteʼmol qilishimiz kerak?

Biz jism ustida bajarilgan ishni quyidagi formula yordamida topishimiz mumkin:

W_{kuch} = F Δ x cos θ = (500 N) (585 m) cos 30^{\circ}

W_{kuch} = 253, 312 J

Oldinroq aytganimizdek, odamlar isteʼmol qilgan energiyasining taxminan 25% ini ish bajarishga sarflaydi. Demak, biz olgan energiya bajargan ishimizdan toʻrt marotaba katta. Shunga koʻra, bizning tanamiz olgan energiya quyidagiga teng:

W_{odam} = 4 \times W_{kuch} = 4 \times 253, 312 J

W_{odam} = 1, 013, 248 J

Oldingi boʻlimda bir quti shokoladda 280 kilokaloriya, yaʼni

1.17 \times 10^{6}

joul energiya borligini bildik.

Demak, biz shokolad miqdorini topish uchun sarflagan energiyamizni bir quti shokolad energiyasiga boʻlishimiz kerak. Boshqacha aytganda:

shokolad miqdori = \frac{W_{odam}}{E_{bir quti shokolad}} = \frac{1, 013, 248 J}{1.17 \times 10^{6} J} = 0.87

Shunday qilib, siz, isteʼmol qilgan shokoladingizning 87% energiyasini sarfladingiz.

Eslatma: Rostini aytganda, tanamizning isteʼmol qilingan energiyani oʻzlashtirishi juda koʻp omillarga bogʻliq. Masalan, metabolizm, kinesiologiya, shu sababli bizning hisoblashlarimiz aniq emas, taxminiydir.

Buning oʻrniga jismlarni yuqoriga koʻtarsa-chi?

Yuqoridagi masalada biz qutini pol ustida gorizontal siljitgan edik. Bu holda biz ishqalanish kuchiga qarshi ish bajardik.

Odamlar bajaradigan koʻpshilik ishlardan biri bu - jismlarni koʻtarish. Bu holda biz ogʻirlik kuchiga qarshi ish bajaramiz. Biz Nyutonning qonunlari yordamida

m

massali jismni

h

balandlikka tik koʻtarish uchun kerak boʻladigan kuch

F

ni topishimiz mumkin:

F = m g

Jismning siljishi–oldingi

Δ x

bu holda balandlikka teng, shuning uchun bajarilgan ish

W

quyidagicha:

W = m g h

Biz bajargan ish jismda gravitatsion potensial energiya hosil qilishga sarf boʻldi. Bu energiya, odatda, potensial energiya deb ataladi, chunki u ixtiyoriy vaqt momentida yukning qulashi evaziga yoʻqotilishi mumkin.

Biz bu holda musbat ish bajardik, chunki biz qoʻygan kuch va koʻchish bir yoʻnalishda, yaʼni yuqoriga. Biroq yukni koʻtarish vaqtida ogʻirlik kuchining bajargan ishi manfiy, chunki ogʻirlik kuchi koʻchishga qarama-qarshi yoʻnalgan. Yuk koʻtarilgandan keyin qoʻzgʻalmas holatni egallagani sababli bizning bajargan ishimiz ogʻirlik kuchining ishiga aynan teng va ishora jihatdan qarama-qarshi boʻladi, chunki ular bir-birini kompensatsiyalaydi. Bizning bajargan ishimiz

m g h

va ogʻirlik kuchining bajargan ishi

- m g h

. Biz bu haqda kinetik energiya mavzusida chuqurroq suhbatlashamiz.

Keling, 50 kg massali shokoladni 0.5 metrga koʻtarish uchun qancha shokolad energiyasi kerakligini hisoblab topamiz. Bajarilgan ish quyidagiga teng:

W = (50 kg) (9.81 m / s^{2}) (0.5 m) = 245.25 J

Xoʻsh, shunday qilib, bu 280 kaloriyali, yaʼni

1.17 \times 10^{6}

joul energiyali qancha shokolad? 245.25 J bu taxminan bitta shokoladning

\frac{1}{4770}

qismi. Biroq odam bajargan ishning 25% i foydali ekanini inobatga olsak, biz taxminan 981.8 J ish bajarganmiz, bu esa bir dona shokoladning

\frac{1}{1190}

qismiga teng. Demak, agar biz bu yukni har 2 sekundda bir marta koʻtarsak, bitta shokolad energiyasiga teng ish bajarishimiz uchun 2380 sekund yoki 40 minut mehnat qilishimiz kerak.

Maslahat: Shu kabi formulalar bilan ishlaganda birliklarni tekshirish ancha foydali. Tenglikning chap tarafidagi birliklar tenglikning oʻng tarafidagi birliklar bilan bir xil ekaniga ishonch hosil qiling. 1 J bu 1 N·m ni yozishning bir yoʻli ekanini yodda tuting. Shuningdek,

F = m a

ekanidan, 1 N bu 1

kg \frac{m}{s^{2}}

ga teng. Shunga koʻra, J ning quyidagiga tengligi kelib chiqadi:

1 joul = 1 N \cdot m

1 joul = 1 kg \frac{m}{s^{2}} \cdot m = 1 kg \frac{m^{2}}{s^{2}}

Demak, kimdir 1 joul desa, bu 1

kg \frac{m^{2}}{s^{2}}

ning qisqachasi ekan.

Agar yuk shunchaki qoʻzgʻalmas holda koʻtarib turilsa-chi?

Odamlarning ish bilan bogʻliq boʻlgan xato fikrlaridan biri yukni qoʻzgʻalmas holda koʻtarib turishni ish deb oʻylashlaridir. Jism biron-bir masofaga harakatlanmagani sababli uning ustida hech qanday ish bajarilmaydi. Shuningdek, biz jismni stol ustiga qoʻyib ham bunga erishishimiz mumkin; stol jismni ushlab turish uchun hech qanday ish bajarmasligi aniq. Shunga qaramay, biz xuddi shu ishni bajarishda charchashni his qilamiz. Xoʻsh, bu yerda nima boʻlyapti?

Aniqlanishicha, bu yerda sodir boʻlayotgan narsa bu tanamiz yukni ushlab turish uchun mushaklarimizda zarur boʻlgan taranglik yoʻq boʻlib qolmasligi uchun ish bajaradi. Tana buni har bir mushakka nerv impulslari toʻplamini yuborish orqali amalga oshiradi. Har bir impuls mushakning bir zumda qisqarishiga va boʻshashishiga olib keladi. Bularning barchasi shu qadar tez sodir boʻladiki, biz ozgina titroqnigina sezishimiz mumkin. Oxir- oqibat, mushakda yetarli kimyoviy energiya mavjud emasligi tufayli u boshqa koʻtara olmaydi, bizni sezilarli titroq bosadi va oxir-oqibat bir muddat dam olishimizga toʻgʻri keladi. Shunday qilib, ish bajarilmoqda, faqat jism ustida emas.

Muhokamaga qoʻshilmoqchimisiz?

Kirish

Saralash:

Hozircha izohlar yoʻq.

Ingliz tilini tushunasizmi? Khan Academyʼning inglizcha saytida boʻlayotgan muhokamalarni koʻrish uchun shu yerga bosing.

Fizika

Course: Fizika > Unit 5