Energía y trabajo

Fuente: Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Asantha Cooray, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de ciencias física, Universidad de California, Irvine, CA

Este experimento demuestra el principio trabajo-energía. Energía es uno de los conceptos más importantes en la ciencia y no es fácil de definir. Este experimento se ocupará de dos tipos diferentes de energía: energía potencial gravitacional y energía cinética traslacional. Energía potencial gravitatoria se define como la energía que un objeto posee debido a su ubicación en un campo gravitatorio. Objetos que están muy por encima de la tierra se dicen que tienen gran energía potencial gravitatoria. Un objeto que está en el movimiento de un lugar a otro tiene energía cinética traslacional. El aspecto más crucial de la energía es que la suma de todos los tipos de energía se conserva. En otras palabras, el total de energía de un sistema antes y después de cualquier evento puede ser transferido a diferentes tipos de energía, total o parcialmente, pero el rgy enetotal será el mismo antes y después del evento. Este laboratorio demostrarán esta conservación.

Energía puede definirse como "la capacidad de trabajo," que relaciona la energía mecánica con el trabajo. Vuelos proyectiles que golpean objetos estacionarios funcionan en los objetos inmóviles, como una bala de cañón golpear una pared de ladrillo y romper aparte o un martillo de clavar un clavo un trozo de madera. En todos los casos, hay una fuerza ejercida sobre un cuerpo, que posteriormente sufre desplazamiento. Un objeto en movimiento tiene la capacidad para trabajar, y por lo tanto tiene energía. En este caso, es energía cinética. En este experimento gravedad hará trabajo en planeadores.

La transferencia de la energía potencial de la gravedad en energía cinética traslacional se demostrará en este experimento deslizando un planeador abajo aire pistas en diferentes ángulos (es decir, alturas), a partir de resto. La energía potencial de un objeto es directamente proporcional a su altura. El trabajo neto realizado sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética; aquí, la vela saldrá desde resto y energía cinética de ganancia. Este cambio en la energía cinética será igual al trabajo realizado por la gravedad y varía dependiendo de la altura inicial de la vela. El principio trabajo-energía se evaluará mediante la medición de la altura inicial y la velocidad final de la vela.

Energía potencial es asociada con las fuerzas y se almacena en un objeto. Depende de la posición del objeto en relación con su entorno. Un objeto levantado de la tierra tiene energía potencial gravitatoria debido a su posición en relación con la superficie de la tierra. Esta energía representa la capacidad de hacer el trabajo porque, si el objeto se suelta, caerá bajo la fuerza de gravedad y trabajar sobre lo que cada vez aterriza en. Por ejemplo, dejar caer una roca en un lwill de nai funcionan en el clavo por conducción en el suelo.

Supongamos que un objeto se está moviendo en línea recta a velocidad v₀. Para aumentar la velocidad del objeto v ₁, una fuerza constante F_red tendría que ser aplicado al objeto. El trabajo W hecho sobre un objeto por una fuerza constante F se define como el producto de la magnitud de la dislocación d multiplicado por el componente de la fuerza paralela al desplazamiento, F_|

W = F_| d. (Ecuación 1)

En el caso del objeto en movimiento, si se aplica la fuerza en la dirección paralela al movimiento del objeto, entonces el trabajo de la red es simplemente igual a las fuerza neta veces la distancia recorrida:

W = F _net d. (ecuación 2)

De cinemática, se sabe que la velocidad final de un objeto bajo aceleración constante es:

v₁² = v₀² + 2ad. (Ecuación 3)

Aplicando la segunda ley de Newton, F_neta = ma y problemas para la aceleración en la ecuación 3 da:

W_neto = F_red d = loco = md (v₁² -₀v² ) /(2d) = (v₁² -₀v² ) / 2. (Ecuación 4)

Equivalente:

W_neto = ½ m v₁²-½ m v₀². (Ecuación 5)

Si la energía cinética traslacional se define como KE = mv ½², esto es solo el principio trabajo-energía: el trabajo neto realizado en un sistema es igual al cambio en la energía cinética del sistema.

Ahora consideremos la energía potencial gravitatoria. Si un objeto a partir de una altura h cae desde el reposo bajo la influencia de la gravedad, la velocidad final del objeto se puede encontrar usando la ecuación 3

v² = 2gh. (Ecuación 6)

Después de caída de altura h, el objeto tiene energía cinética igual a ½ mv² = m(2gh) ½ = mgh. Esta es la cantidad de trabajo el objeto puede hacer después de caer una distancia vertical h y se define como la energía potencial gravitatoria, PE:

PE = mgh, (Ecuación 7)

donde g es la aceleración de la gravedad. Cuanto mayor sea el objeto se coloca sobre el suelo, la energía potencial gravitacional más tiene. Gravedad está actuando, o haciendo un trabajo sobre el objeto, en este escenario, W_neto = mgh. Desde el principio trabajo-energía, se conoce que esta energía potencial gravitatoria entonces debe ser igual al cambio en energía cinética:

½ mv² = mgh. (Ecuación 8)

1. Obtener un suministro de aire, paragolpes, dos planeadores de masa variable, un sensor de velocidad, una pista de aire, un bloque de aluminio y una escala (ver figura 1).
2. Coloque la vela menor masa en la balanza y registrar su masa.
3. Conectar el aire a la pista de la vela y enciéndala.
4. Coloque el bloque de aluminio bajo el soporte de la vela, cerca el suministro de aire. Se trata de la configuración de menor altura.
5. Coloque la vela en la parte superior de la pista y mida la altura, h₁. La medición debe ser con respeto toits centro aproximado de la masa.
6. Coloque la vela en el thebottom de la pista y mida la altura más baja, h₀. La diferenciah₁ - h₀ debe ser la altura del bloque de aluminio, pero realizar las mediciones para verificar.
7. Coloque la vela de vuelta en la parte superior de la pista, justo por encima de la pierna y del aluminio bloque y liberarlo del resto. Registrar su velocidad v en la parte inferior de la pista con las puertas del tiempo. Asegúrese de que la velocidad se mide con respecto al punto donde se mide h₀ . Hacer esto cinco veces y tomar el promedio de la velocidad. Grabar esta velocidad en la casilla correspondiente en la tabla 1.
8. Coloque otro bloque de aluminio bajo el soporte de la vela. Esto añadirá 3,4 cm para el cálculo de energía potencial. Repita el paso 1.7.
9. Llenar en la tabla 1. Calcular KE y el PE para cada plazo y calcular sus diferencias.
10. Repita los pasos 1.2-1.9 con el planeador más pesado.

Figura 1 : Configuración experimental. Los componentes incluyen: suministro de aire (1), (2) tope, planeador (3), sensor de velocidad (4), pista (5) aire y bloque de aluminio (6).

Ejemplo calcula los valores de la energía potencial inicial a varias alturas están indicados en la columna de PE de la tabla 1, usando la ecuación 7. Las velocidades finales medidas en el experimento también están en la tabla. La energía cinética traslacional se calcula utilizando los valores medidos de la velocidad final. Según el teorema energía trabajo, el PE y KE columnas de la tabla deben ser iguales, y son casi. Las discrepancias en los valores de dos simplemente provienen de errores en las mediciones realizadas durante todo el experimento, donde se puede esperar de este tipo de experimento una diferencia porcentual de alrededor del 10%.

Tenga en cuenta que según aumenta la altura inicial, la velocidad final también aumenta a una tasa que es proporcional a la raíz cuadrada del incremento de altura (c.f. ecuación 6). La energía potencial del sistema también aumenta con la altura creciente. Además, tenga en cuenta que el carro con la masa creciente (las tres últimas filas en la tabla 1) tiene mayor energía potencial y energía cinética en comparación con el carro de baja masa (primeras tres filas), pero la velocidad final de este carro es los mismos que el carro de menor masa. Esto tiene sentido porque la velocidad final es sólo una función de la altura (ecuación 6).

Tabla 1: resultados.

Carro de la masa (kg)	Altura (cm)	PE (mJ)	Vf (m/s)	KE (mJ)	% de diferencia
0.23	3.4	77	0,8	74	4
0.23	6.8	155	1.2	167	8
0.33	3.4	111	0.85	120	8
0.33	6.8	221	1.25	259	17

Aplicaciones del principio trabajo-energía son ubicuos. Montañas rusas son un buen ejemplo de esta transferencia de energía. Hacer que hasta una gran altura y te deje abajo inclinada. Toda la energía potencial que se obtiene en la parte superior de la pendiente se convierte entonces en energía cinética para el resto del viaje. Los prácticos de Costa también son masivas, que agrega a la energía potencial. Los paracaidistas usan este principio así. Montan en un avión que funciona en el sistema a unos 13.000 pies de altura. Su velocidad inicial en la dirección vertical es casi cero justo antes de que saltan, y rápidamente alcanzan la velocidad terminal (debido a la resistencia del aire) después de saltar. Disparando una pistola también convierte energía potencial a cinética. La pólvora de la munición tiene una gran cantidad de energía potencial química almacenada. Cuando se encendió, funciona en la bala, que sale de la boca del cañón con una enorme cantidad de energía cinética.

El principio trabajo-energía se ha derivado en este experimento. Usando un planeador en una pista de aire inclinado, el trabajo realizado por la fuerza gravitacional ha sido verificado experimentalmente para igualar el cambio en la energía cinética del sistema.