Énergie et travail d'une force

Source : Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Antonella Cooray, Ph.d., département de physique & astronomie, école de Sciences physique, University of California, Irvine, CA

Cette expérience illustre le principe de travail-énergie. L’énergie est l’un des concepts plus importants en sciences et n’est pas simple à définir. Cette expérimentation portera sur deux types d’énergie : énergie de potentielle gravitationnelle et l’énergie cinétique de translation. Des énergie potentielle gravitationnelle est définie comme l’énergie de qu'un objet possède en raison de son placement dans un champ gravitationnel. Objets qui sont élevés au-dessus du sol sont censés avoir de grande énergie de potentielle gravitationnelle. Un objet qui se déplace d’un endroit à l’autre a énergie cinétique de translation. L’aspect le plus crucial de l’énergie, c’est que la somme de tous les types d’énergie est conservée. En d’autres termes, l’énergie totale d’un système avant et après tout événement peut être transféré à différents types d’énergie, en tout ou en partie, mais le total rgy enesera le même avant et après l’événement. Cet atelier fera la démonstration de cette conservation.

L’énergie peut être définie comme « la capacité à effectuer un travail, « qui a trait à l’énergie mécanique avec le travail. Vol des projectiles qui ont frappé des objets fixes fonctionnent sur les objets stationnaires, comme un boulet de Canon frapper un mur de briques et de casser apart ou un marteau sur un morceau de bois au volant un clou. Dans tous les cas, il y a une force exercée sur un corps, qui subit ultérieurement des déplacements. Un objet en mouvement a la capacité d’effectuer un travail, et il a donc l’énergie. Dans ce cas, c’est l’énergie cinétique. Dans cette expérience, gravité fera le travail sur les planeurs.

Le transfert de l’énergie potentielle de gravité à l’énergie cinétique de translation est démontré dans cette expérience en faisant glisser un planeur air populaires sous divers angles (c.-à-d. les hauteurs), à partir de reste. L’énergie potentielle d’un objet est directement proportionnelle à sa hauteur. Le travail net réalisé sur un objet est égal à la variation de son énergie cinétique ; ici, le planeur partira de repos, puis l’énergie cinétique gain. Cette variation d’énergie cinétique est égale au travail effectué par gravité et varie selon la hauteur de départ du planeur. Le principe de travail-énergie sera vérifié en mesurant la hauteur de départ et la vitesse finale du planeur.

Énergie potentielle est associé aux forces et est stocké dans un objet. Elle dépend de la position de l’objet par rapport à son environnement. Un objet soulevé du sol a des énergie potentielle gravitationnelle en raison de sa position par rapport à la surface de la terre. Cette énergie représente la capacité à effectuer un travail parce que, si l’objet est libéré, il relèvera la force de gravité et ne fonctionnent pas sur ce que jamais il tombe sur. Par exemple, laissant tomber un rocher sur un amateurs de nai fonctionnent sur l’ongle en le conduisant dans le sol.

Supposons qu’un objet se déplace en ligne droite à vitesse v₀. Pour augmenter la vitesse de l’objet jusqu'à v₁, une force constante F_net devra être appliquée à l’objet. Le travail W effectué sur un objet par une force constante F est défini comme le produit de l’amplitude du déplacement d multiplié par la composante de la force parallèle au déplacement, F_|

W = F_| d. (Équation 1)

Dans le cas de l’objet en mouvement, si la force est appliquée dans la direction parallèle à la requête de l’objet, puis le travail net est simplement égal aux force nette de fois la distance parcourue :

W = F _net d. (équation 2)

Cinématique, on sait que la vitesse finale d’un objet sous accélération constante est :

v₁² = v₀² + 2ad. (Équation 3)

Appliquant la seconde loi de Newton, F_net = ma et problèmes pour l’accélération dans l’équation 3 donne :

W_net = F_net d = mad = md (v₁² v₀² ) /(2d) = (v₁² v₀² ) / 2. (Équation 4)

De manière équivalente :

W_net = ½ m v₁²-½ m v₀². (Équation 5)

Si l’énergie cinétique de translation est définie comme KE = ½ mv², alors c’est juste le principe de travail-énergie : le travail net réalisé sur un système est égal à la variation dans l’énergie cinétique du système.

Considérons maintenant des énergie potentielle gravitationnelle. Si un objet à partir d’une hauteur h tombe reste sous l’influence de la gravité, vous pouvez trouver la vitesse finale de l’objet à l’aide de l’équation 3

v² = 2gh. (Équation 6)

Après une chute de hauteur h, l’objet est égale à l’énergie cinétique ½ mv² = ½ m(2gh) = mgh. Il s’agit de la quantité de travail, l’objet peut faire après être tombé à une distance verticale h et est définie comme l’énergie potentielle gravitationnelle, PE :

PE = mgh, (Équation 7)

où g est l’accélération gravitationnelle. Plus l’objet est placé au-dessus du sol, l’énergie potentielle gravitationnelle plus il a. Gravité est agissant, ou faire le travail, sur l’objet, dans ce scénario, W_net = mgh. Le principe de travail-énergie, on sait que cette énergie potentielle gravitationnelle devrait alors être égale à la variation en énergie cinétique :

½ mv² = mgh. (Équation 8)

1. Obtenir une alimentation d’air, pare-chocs, deux planeurs de masse différents, un capteur de vitesse, une voie d’air, un bloc d’aluminium et une échelle (voir Figure 1).
2. Placer le planeur de masse plus faible sur l’échelle et noter sa masse.
3. Connecter l’alimentation en air à la piste planeur et allumez-le.
4. Placer le bloc en aluminium sous le stand de planeur, à proximité de la prise d’air. Il s’agit de la configuration de plus faible hauteur.
5. Placez le planeur en haut de la piste et mesurer la hauteur, h₁. La mesure devrait être avec respect toits approximative Centre de masse.
6. Placer le planeur au bas de la piste et mesurer la hauteur basse, h₀. La différenceh₁ - h₀ devrait être à la hauteur du bloc en aluminium, mais effectuer les mesures pour vérifier.
7. Replacez le planeur sur le dessus de la piste, juste au-dessus de la jambe et aluminium du bloc et libérer du reste. Enregistrer sa vitesse v au bas de la piste en utilisant les portes de chronométrage. Faire en sorte que la vitesse est mesurée par rapport au point où h₀ a été mesurée. Faire ceci cinq fois et prendre de la vitesse moyenne. Enregistrer cette vélocité dans la case appropriée dans le tableau 1.
8. Placez un autre bloc d’aluminium sous le stand de planeur. Ceci ajoutera 3,4 cm pour le calcul de l’énergie potentielle. Répétez l’étape 1.7.
9. Remplissez le tableau 1. Calculez KE et PE pour chaque course et calculer leurs différences.
10. Répétez les étapes 1,2 à 1,9 avec le planeur lourd.

Figure 1 : Montage expérimental. Les composants comprennent : (1) de l’air, pare-chocs (2), planeur (3), capteur de vitesse (4), voie d’air (5) et bloc en aluminium (6).

Échantillon a calculé les valeurs de l’énergie potentielle initiale à différentes hauteurs sont répertoriés dans la colonne PE du tableau 1, trouvé à l’aide d’équation 7. Les vitesses finales mesurées à partir de l’expérience sont également dans le tableau. L’énergie cinétique de translation est calculée à l’aide de ces valeurs mesurées de la vitesse finale. Selon le théorème de l’énergie-travail, les colonnes KE et PE dans le tableau doivent être égales, et ils sont presque. Les discordances dans les deux valeurs proviennent tout simplement des erreurs dans les mesures prises tout au long de l’expérience, où un écart d’environ 10 %, en pourcentage peut attendre de ce type d’expérience.

Notez que lorsque la hauteur initiale augmente, la vitesse finale également augmente à un taux qui est proportionnel à la racine carrée de l’augmentation de la hauteur (c.f. équation 6). L’énergie potentielle du système augmente également avec hauteur accrue. En outre, Notez que le chariot avec l’augmentation de la masse (les trois dernières lignes dans le tableau 1) a fois supérieur énergie potentielle et énergie cinétique par rapport au panier inférieur-masse (trois premières lignes), mais les vitesses finales de ce panier sont les mêmes que la charrette de faible masse. C’est logique parce que la vitesse finale est uniquement fonction de la hauteur (équation 6).

Tableau 1 : résultats.

Panier de masse (kg)	Hauteur (cm)	PE (mJ)	Vf (m/s)	KE (mJ)	% d’écart
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

Les applications du principe du travail-énergie sont omniprésentes. Montagnes russes sont un bon exemple de ce transfert d’énergie. Ils vous tirer jusqu'à une grande hauteur et vous laisser tomber vers le bas d’une pente raide. Toute l’énergie de potentiel que vous avez acquise au sommet de la pente est ensuite convertie en énergie cinétique pour le reste du trajet. Le sous-verres sont aussi massif, qui ajoute à l’énergie potentielle. Parachutistes utilisent ce principe aussi bien. Ils monter dans un avion qui fonctionne sur le système pour les amener à une hauteur d’environ 13 000 pieds. Leur vitesse initiale dans l’axe vertical est presque zéro juste avant ils sautent, et qu’ils atteignent rapidement la vitesse terminale (à cause de résistance de l’air), après avoir sauté. Un pistolet de tir aussi convertit énergie potentielle en cinétique. La poudre à Canon dans les munitions a beaucoup d’énergie potentiel chimique. Lorsqu’il est allumé, il ne fonctionne pas sur la balle, qui sort de la bouche avec une énorme quantité d’énergie cinétique.

Le principe de travail-énergie s’inspire de cette expérience. À l’aide d’un planeur sur une voie d’air incliné, le travail accompli par la force de gravitation a été vérifié expérimentalement pour égaler le changement de l’énergie cinétique du système.