Меню

Закон сохранения энергии как найти массу



Законы сохранения в механике (формулы)

Сила и импульс:

Закон сохранения импульса:

Реактивная сила тяги:

Формула Циолковского:

Механическая работа:

Кинетическая энергия:

Теорема о кинетической энергии:

Потенциальная энергия:

Закон сохранения энергии в механических процессах:

Потеря механической энергии при неупругом соударении:

Уравнение Бернулли:

Формула Торричелли:

Центр масс твердого тела:

Момент инерции твердого тела:

Кинетическая энергия вращающегося твердого тела:

Кинетическая энергия твердого тела при плоском движении:

Теорема Штейнера:

Момент импульса твердого тела:

Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела:

Закон сохранения момента импульса:

Третий закон Кеплера:

Первая космическая скорость:

Вторая космическая скорость:

Источник статьи: http://www.calc.ru/631.html

Масса, энергия, импульс и закон сохранения

Множество непонятных свойств мира связаны с природой массы и энергии (а также импульса). Все мы слышали эти слова и у многих из нас есть туманное представление об их значении. Конечно, значений у слов «масса» и «энергия» в английском и других языках довольно много. К сожалению, ни одно из них не совпадает с теми, что имеют в виду физики. Попробуйте отставить в сторону эти значения слов и поработать с точными физическими понятиями – иначе вы полностью запутаетесь.

Необходимо отметить, что не стоит при словосочетании «масса и энергия» вспоминать другую популярную пару, «вещество и энергия». Многие люди упоминают последнее словосочетания так, будто вещество и энергия – это две стороны одной медали. Но это не так. Вещество и энергия относятся к разным категориям, как яблоки и орангутанги. Вещество, не важно, как его определять – это класс объектов, существующих во Вселенной, а масса и энергия – это не объекты, а свойства, которыми эти объекты обладают. Масса и энергия глубоко переплетены друг с другом, и заслуживают общего объяснения.

Чтобы понять массу и энергию, необходимо добавить к ним импульс и обсудить различия и связи этих величин.

Энергия

У слова «энергия» есть множество значений. Когда мы заболеваем, то говорим о том, что у нас не осталось энергии, имея в виду силу и мотивацию. Когда мы говорим, что у кого-то полно энергии, мы имеем в виду его высокую активность. Мы жалуемся на рост цен на энергию, имея в виду топливо. Мы говорим о духовной энергии как о чём-то неизмеримом, но важном, возможно, о некоей форме харизмы. И все эти понятия перекликаются друг с другом, поэтому мы и выбираем одно слово для их описания. Но в физике энергия – это совсем другое. С точки зрения физики ошибочно будет смешивать одно из этих определений с физическим. В физике нужно придерживаться физического термина, чтобы не получить неправильные ответы и не запутаться вконец.

К несчастью, понятие «энергии» в физике очень сложно описать так, как это делают словари – короткой содержательной фразой. Но не подумайте плохого – всё дело в несовершенстве естественного языка, а не в том, что понятие энергии в физике расплывчато. В любой заданной физической системе совершенно понятно, какова её энергия, как в смысле её экспериментального измерения, так и в смысле расчётов (при наличии описывающих систему уравнений).

Одна из причин, по которым энергию так сложно описать – она может принимать множество форм, и не все из них просто понять. Вот три наиболее часто встречающихся разновидности:

1. Энергия может быть заключена в массе объекта. Здесь я называю такой вариант «энергией массы» (благодаря известному уравнению E=mc 2 энергия связывается с массой. Также она называется «энергия покоя», поскольку это энергия объекта, находящегося в покое, то есть, без движения).

2. Во-вторых, энергия бывает связанной с движением объекта. Здесь я называю её «энергией движения», а технический термин для этого – кинетическая энергия. Этот вариант интуитивно легко воспринять, поскольку у быстро движущихся объектов энергия больше, чем у медленно движущихся. Кроме того, у тяжёлого объекта энергия движения больше, чем у лёгкого, движущегося с той же скоростью.

3. Энергия может храниться во взаимоотношении объектов (и обычно называется «потенциальной»). Она хранится в растянутой пружине, в воде за дамбой, в гравитационном взаимодействии Земли и Солнца, во взаимодействиях атомов в молекуле. Существует множество способов хранения энергии. Звучит расплывчато, но в этом виноват язык. В любом из перечисленных случаев существуют точные формулы, описывающие сохранённую в системе энергию и хорошо определённые пути её измерения.

С третьим типом энергии связано то, что я буду называть энергией взаимодействия, и это наиболее запутанное понятие из всех. В отличие от энергии массы и энергии движения, которые всегда больше или равны нулю, энергия взаимодействий может быть положительной и отрицательной. Пока я оставлю эту тему, но мы к ней ещё вернёмся.

Энергия – это особая величина огромной важности для физики. Причина такой важности – в том, что она «сохраняется». Что же это означает?

Если вы начнёте наблюдение с объекта или с набора объектов – назовём их «системой объектов» – обладающих определённым количеством энергии в начальный момент (не забудьте подсчитать всю энергию – массы, движения, сохранённую энергию всех типов, и т.п.), а затем части системы будут взаимодействовать только друг с другом и более ни с чем, тогда в конце наблюдения общее количество энергии, которым обладают эти объекты, будет тем же, что и в начале. Общая энергия системы сохраняется – её общее количество не меняется. Она может менять форму, но если отслеживать все разновидности, то в конце её будет столько же, сколько и в начале.

Это правило работает, даже если некоторые объекты будут исчезать и уступать место другим, к примеру, если одна частица в системе распадётся на две других, вливающихся в систему.

Почему энергия сохраняется? Из-за математического принципа, соотносящего тот факт, что законы природы со временем не меняются, с существованием сохраняющейся величины, которую мы по определению называем «энергией».

Самым известным и общим определением этого принципа мы обязаны Эмми Нётер, одной из величайших математических физиков предыдущего столетия, современнице Эйнштейна. Некоторые члены физического и математического сообщества относились к ней с глубоким уважением, но в то время в своей родной Германии она страдала от дискриминации по половому и национальному признаку (там блокировали попытки присвоить ей звание профессора в Гёттингене, и оттуда ей пришлось бежать после того, как к власти пришли нацисты). Эмигрировав в США, всего после двух лет преподаваний в колледже Брин-Мар (который по сию пору принимает для обучения только женщин), она умерла от онкологического заболевания.

Знаменитая теорема Нётер (реально это две тесно связанных теоремы) говорит нам, что если в законах природы существует симметрия – в нашем случае это значит, что законы природы одинаковы в любой момент времени – то из этого следует сохранение некоей величины – в нашем случае, энергии.

Более того, теорема в точности сообщает нам, что это за величина – каковы различные формы энергии, для заданной системы объектов, которые необходимо сложить, чтобы получить общую энергию. Именно поэтому физики всегда точно знают, что такое энергия, и почему её легче получить при помощи уравнений, чем определить словами.

Импульс

С импульсом дело обстоит примерно таким же образом, что и с энергией. Законы природы везде одинаковые. Грубо говоря, эксперименты дают одни и те же ответы, проводите ли вы их к северу или к югу отсюда, к западу или востоку, на вершине здания или в глубокой шахте. Выберите любое направление в пространстве. Тогда, согласно Нётер, импульс вдоль этого направления сохраняется. Поскольку в пространстве есть три измерения, то можно двигаться в трёх разных независимых направлениях и существуют три независимых закона сохранения. Выбрать можно три любых направления, при условии, что они разные. К примеру, можно выбрать в качестве трёх законов сохранения импульсы в направлениях север-юг, запад-восток и вверх-вниз. Или можно выбрать три других – по направлению к и от Солнца, вдоль орбиты Земли в обе стороны, и вверх и вниз по отношению к плоскости Солнечной системы. Ваш выбор не имеет значения, ибо импульс сохраняется вдоль любого направления.

Простейшая форма импульса возникает благодаря простому движению объектов, и это примерно то, что можно представить себе интуитивно: если объект двигается в определённом направлении, то у него есть импульс в этом направлении, и чем быстрее он двигается, тем больше этот импульс. А у более тяжёлого объекта импульс больше, чем у лёгкого, если они двигаются с одинаковыми скоростями.

Одно из интересных следствий этого сохранения: если у вас имеется неподвижная система из объектов (то есть, система в целом не двигается, если усреднить все движения составляющих её объектов), тогда она будет оставаться неподвижной, если только ей не придаст движение какое-либо внешнее воздействие. Причина в том, что у неподвижной системы суммарный импульс равен нулю, и поскольку импульс сохраняется, он останется равным нулю навсегда, если только не вмешается что-либо извне системы.

Масса, и её связь с энергией и импульсом

К сожалению, с массой связано много путаницы – после выхода работы Эйнштейна по теории относительности некоторое время существовало два понятия массы. И только одно из них (то, на котором остановился сам Эйнштейн, и которое иногда называют «инвариантной массой» или «массой покоя», чтобы отличить её от уже ставшего архаичным термина «релятивистская масса»), до сих пор используют в физике частиц. В отдельной статье я поясню это более подробно.


Рис. 1

Под массой m, которую я использую в статьях, подразумевается та масса, что непосредственно связывает энергию и импульс. Для объекта, двигающегося без воздействия внешних сил (не взаимодействующего значительно с другими объектами), Эйнштейн предположил (и это было подтверждено экспериментами), что его энергия E, импульс p и масса m удовлетворяют простому пифагорову равенству:

Помните старика Пифагора, утверждавшего, что для прямоугольного треугольника со сторонами A и B и гипотенузой C выполняется равенство ? Это связь того же типа – см. рис. 1. У нас с – постоянная скорость, которая, как мы увидим, служит универсальным пределом скорости. Также мы увидим, почему её называют «скоростью света».

Согласно уравнениям Эйнштейна, скорость объекта, делённая на предел скорости с, это просто отношение pc к Е:

То есть отношение горизонтального катета к гипотенузе. Оно также равно синусу угла α на рис. 1. Вот так вот, граждане. А поскольку катеты прямоугольного треугольника всегда короче гипотенузы (синус любого угла всегда меньше или равен 1), скорость любого объекта не может превышать с, универсальный предел скорости. С увеличением скорости объекта фиксированной массы p и E становятся очень большими (рис. 2), но E всегда больше pc, поэтому v всегда меньше c!


Рис. 2

Теперь обратите внимание, что если объект не двигается, то его импульс p равен нулю, и отношение в уравнении 1 сводится к:

Знаменитая формула Эйнштейна, связь массы с фиксированным количеством энергии (то, что я называю энергией массы), это просто утверждение, соответствующее тому, что когда треугольник вырождается в вертикальную линию, как на рис. 3 слева, его гипотенуза становится такой же длины, как вертикальный катет. При этом оно не означает, что энергия всегда равна массе, помноженной на квадрат с. Это работает только для покоящегося объекта с нулевым импульсом.


Рис. 3

Ещё одно интересное наблюдение: для безмассовой частицы вертикальный катет треугольника нулевой, а гипотенуза и горизонтальный катет совпадают, как на рис. 3. В таком случае E равняется pc, что означает, что v/c = 1, или v = c. Видно, что безмассовая частица (к примеру, фотон, частица света) неизбежно перемещается со скоростью с. Поэтому скорость света такая же, как универсальный предел скорости, с.

С другой стороны, если взять обладающую массой частицу, как на рис. 4, то неважно, насколько большим вы делаете импульс и энергию, E всегда будет немного больше, чем p*c, поэтому скорость всегда будет меньше с. Безмассовые частицы обязаны перемещаться с максимальной скоростью. Скорость массивных частиц должна быть меньше.


Рис. 4. Здесь «>>» означает «гораздо больше»

Представьте себе другой пограничный случай, медленно (по сравнению со скоростью света) движущийся массивный объект, к примеру, автомобиль. Поскольку его скорость v гораздо меньше с, его импульс p умноженный на c будет гораздо меньше E, и, как видно из рис. 5, E будет немногим больше, чем mc 2 . Поэтому энергия движения медленного объекта E — mc 2 гораздо меньше, чем энергия его массы mc 2 , а у быстрого объекта энергию движения можно сделать сколь угодно большой, как мы видели на рис. 4.

Один тонкий момент: импульс – это не только число, но и вектор. У него есть величина и направление. Он направлен в сторону движения частицы. Когда я пишу «p», я указываю только величину. Во многих случаях необходимо отслеживать и направление импульса, хотя в уравнении №1, связывающем импульс с энергией и массой, этого делать не нужно.


Рис. 5

Ещё один тонкий момент: я использовал треугольники и простейшую тригонометрию, поскольку она известна всем из школы. Экспертам же нужно быть осторожнее – правильно понять уравнения Эйнштейна можно, используя гиперболические функции, обычно не встречающиеся дилетантам, но крайне важные для понимания структуры теории, и делающие более понятными такие вещи, как сложение скоростей, сжатие расстояний и т.п. Не претендующие на экспертизу люди могут это игнорировать.

Но скорость же относительна.

Если вы внимательно читали текст, вас уже может кое-что удивить. Вы знаете, что скорость частицы – или чего угодно, движущегося медленнее света – зависит от точки зрения.

Если вы сидите дома и читаете книгу, вы скажете, что скорость книги нулевая (и относительно вас она действительно покоится), следовательно, у неё нет импульса и энергии движения, только энергия массы. Но если бы я стоял на Луне, то я напомнил бы вам, что Земля вертится, поэтому это вращение увлекает и вас, и двигает вас относительно меня со скоростью в сотни километров в час. Так что вы с вашей книгой обладали бы импульсом с моей точки зрения.

Вариант относительности согласно Галилею – первый принцип относительности – утверждает, что правы мы оба. Вариант относительности Эйнштейна соглашается с точкой зрения Галилея в том, что правы оба, но вносит важные корректировки в то, как обозначили бы последователи Галилея энергию, импульс и массу книги, помещая эти величины в пифагорово соотношение уравнения №1.

Но если правы все, какую E и какой p мне нужно подставить в соотношение энергии/импульса/массы, ? Подставить E и p, измеренные вами, читающим книгу, то есть E = mc 2 и p = 0? Или подставить E и p, которыми обладает книга с моей точки зрения, когда вы двигаетесь вместе с Землёй?

В ответе на этот вопрос содержится вся суть уравнения Эйнштейна №1. Каждый наблюдатель измерит разные величины E и p для книги, в зависимости от того, как быстро книга будет двигаться относительно него. Но для всех наблюдателей уравнение будет верным!

Магия! А на самом деле, гениальность – мысль, пришедшая в 1905 году, о том, как можно заменить набор уравнений, предложенных Ньютоном и его последователями, новым удивительным набором уравнений, всё ещё совпадающим со всеми предыдущими экспериментами, но оказавшимся более точным представлением реальности. Сложно представить, как сильно нужно было изменить образ мышления, чтобы додуматься до этого, пока не разберёшься с тем, сколько всего во время формирования новой теории могло пойти не так, и сколько других различных уравнений, содержащих противоречия с математикой или с предыдущими экспериментами, можно было бы предложить (а люди их предлагали). Мне, к примеру, постоянно приходят работы начинающих физиков, пытающихся «исправить» уравнения Эйнштейна, но я никогда не видел, чтобы кто-нибудь из них проверил свои уравнения на внутреннюю непротиворечивость. Это очень сложная задача и причина неудачи большинства теорий.

Но как тогда могут сохраняться энергия и импульс?

Погодите-ка, – скажете вы, когда ваша голова уже готова будет взорваться и забрызгать всё вокруг мозгами (я и сам помню это ощущение), – но энергия и импульс должны сохраняться! Так как же могут разные наблюдатели не соглашаться с тем, что они собой представляют?

Тут есть ещё больше магии, которая, кстати, была ещё до Эйнштейна. Поверьте мне, Вселенная – очень, очень хитроумный бухгалтер, и, несмотря на то, что разные наблюдатели не будут соглашаться по поводу энергии, имеющейся у объекта или системы объектов, они все согласятся, что эта энергия не меняется со временем. То же касается и импульса.

А вот масса очень сильно отличается от энергии и импульса. Во-первых, масса не сохраняется. В природе есть множество процессов, изменяющих общую массу системы: к примеру, массивная частица Хиггса может распадаться на два безмассовых фотона. С массой не связана симметрия, и поэтому у Нётер нет для нас закона сохранения. Во-вторых, в отличие от энергии и импульса, чьи величины зависят от наблюдателя (в частности, от его скорости по отношению к измеряемым объектам), все наблюдатели согласятся с величиной массы m объекта. А это вовсе не очевидно, и происходит так оттого, как ужасно хитроумно работают уравнения Эйнштейна.

Итак, что мы имеем

На текущий момент у нас несколько, на первый взгляд, противоречивых знаний. Мы знаем, что:

• Энергия и импульс изолированной физической системы сохраняются (общая энергия и общий импульс изолированной системы не меняются со временем) с точки зрения любого наблюдателя.
• Разные наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, по-разному оценят величины энергии и импульса системы!
• Сумма масс объектов, составляющих систему, не сохраняется, она может меняться.
• Но все наблюдатели согласятся с величиной массы объекта.

К этому списку нужно добавить ещё два факта и два вывода:

Масса физической системы объектов не равна сумме масс объектов, составляющих эту систему.

Вместо этого масса физической системы, по поводу которой согласятся все наблюдатели, определяется её энергией и импульсом, и удовлетворяет своему варианту уравнения №1:

Получается, что дополнительный закон сохранения не нужен, и что хотя сумма масс объектов, составляющих систему, не сохраняется, масса системы сохраняется, поскольку она связана через уравнение №1′ с энергией и импульсом системы, которые сохраняются.

Масса системы объектов – это единственный пункт нашего списка, одновременно и сохраняющийся, и не являющийся предметом споров наблюдателей.

Нужно лишь помнить, что масса системы объектов – это не сумма масс объектов, составляющих систему, а то, что задано уравнением №1′.

Чем пытаться объяснить это, просто посмотрим, как это работает. Яркий пример стоит тысячи слов. Давайте в качестве примера системы рассмотрим самую модную штуку, а именно, частицу Хиггса (обладающую массой в 126 ГэВ/с 2 ), и посмотрим, как различные утверждения, сделанные выше, работают при её распаде на два фотона.

Одна частица Хиггса, два фотона и три наблюдателя


Рис. 6. Три наблюдателя смотрят на частицу Хиггса. По отношению к ней Петя (Peter) не двигается, Маша (Marie) двигается вниз, а Костя (Chris) двигается влево.

Давайте посмотрим на то, как частица Хиггса распадается на два фотона, с точки зрения трёх разных наблюдателей. Они изображены на рис. 6 вместе с частицей Хиггса, на которую они смотрят. Конечно, они не могут увидеть её глазами, ибо она существует слишком малый отрезок времени и она слишком мала. Им необходимо использовать какое-либо научное оборудование. Для Пети частица Хиггса не двигается. Маша двигается вниз относительно Пети. Костя двигается влево относительно Пети. Значит, для Маши частица Хиггса двигается вверх, а для Кости – вправо. Три наблюдателя видят, как частица распадается согласно рис. 7. Петя видит, что Хиггс распадается на два фотона одинаковых энергий, один из которых двигается вверх, а другой – вниз. Маша видит, что Хиггс распадается на два фотона различных энергий, и у двигающегося вверх энергии больше, чем у двигающегося вниз. Костя видит, как Хиггс распадается на два фотона, направляющихся вправо вверх и вправо вниз. Давайте посчитаем, какие энергии и импульсы присвоят Хиггсу и двум фотонам наблюдатели, и как каждый из них придёт к выводу о сохранении энергии и импульса в процессе распада.

Распад неподвижной частицы Хиггса

Для начала разберём частицу Хиггса с точки зрения Пети. Петя смотрит (при помощи измерительных приборов) на частицу Хиггса, и что же он видит? (Я буду ставить чёрточку над всем, что видит Петя, и потом мы сравним это с наблюдениями Маши и Кости). Хиггс не двигается, значит, его импульс равен нулю, и согласно уравнению №1 у него, с его массой m = 126 ГэВ/c 2 энергия будет

Теперь, согласно сохранению энергии и импульса, система, состоящая из частицы Хиггса, сохранит всю энергию и импульс после распада. И это будет так, пока никакая внешняя сила не будет воздействовать на Хиггса. Вы можете спросить, нужно ли нам волноваться по поводу земного притяжения, ведь гравитация и будет внешним воздействием, способным менять импульс. Отвечу, что за то краткое время, которое нужно Хиггсу на распад, влияние гравитации будет столько малым, что если бы я рассказал вам, какое оно на самом деле мелкое, вы бы захихикали. Забудьте об этом.

Итак, когда Хиггс распадается, энергии частиц, составляющих его остатки, должны в сумме дать 126 ГэВ, а импульс частиц (учитывая, что импульс – это не только величина, но и направление — вектор) в сумме даст ноль.

Два безмассовых фотона, на которые распадается Хиггс, могут разлететься в любых направлениях, но чтобы упростить пример, представим, что они разлетятся вертикально – один вверх, а другой, отскочив от него, вниз. (Чуть позже обсудим, почему они должны разлетаться в противоположных направлениях).

Каким импульсом обладают фотоны? Это просто. Во-первых, общий импульс системы – сумма импульсов двух фотонов – должен быть нулевым, поскольку у Хиггса до распада был нулевой импульс (с точки зрения Пети). Теперь у каждого из фотонов есть импульс определённой величины и направления. В сумме они могут давать ноль только одним способом – если они равной величины и противоположного направления. Если один идёт вверх, другой должен идти вниз, и величина их должна быть одинаковой.


Рис. 8: что видит Петя

Во-вторых, общая энергия системы – это сумма энергий двух фотонов. Это происходит потому, что между ними нет никакой энергии взаимодействия (кроме крайне малого гравитационного притяжения, о котором можно забыть). Конечно, раз у них нет масс, то вся их энергия заключается в энергии движения. Кроме того, в случае для безмассовой частицы уравнение №1 говорит о том, что E = p c, где p – величина импульса. Из-за этого два фотона с одинаковыми импульсами должны обладать и одинаковыми энергиями. А поскольку две эти энергии в сумме должны дать энергию частицы Хиггса, то энергия каждого фотона должна равняться половине энергии частицы Хиггса.

А поскольку для безмассовой частицы p = E/c, то

И это отображено на рис. 8.

Энергия и импульс сохраняются, а масса – нет, поскольку у фотонов нет массы, а у Хиггса была. А что по поводу массы системы? Какова масса системы из двух фотонов? Ненулевая. Очевидно, какая она. Точно так же, как и для самого Хиггса (из которого и состояла изначально вся система), система из двух фотонов обладает той же энергией и импульсом, что были у Хиггса:

А поскольку для Пети ,

Что и есть масса Хиггса. Масса системы не изменилась за время распада, как и ожидалось.

Наблюдатель, для которого Хиггс движется вверх

Маша движется вниз по отношению к Пете, так что с её точки зрения Петя и Хиггс двигаются вверх. Допустим, что Хиггс двигается со скоростью v = 0,8 c, то есть 4/5 скорости света, относительно неё. В отличие от Пети, с точки зрения Маши Хиггс обладает ненулевым импульсом, а импульсы у фотонов оказываются разными по величине, но по-прежнему разнонаправленными – в результате чего сумма их импульсов будет ненулевой.


Рис. 9: как Маша видит распад частицы Хиггса

Как посчитать, какими импульсом и энергией обладает Хиггса и два фотона, на которые он распадается, с точки зрения Маши? Для этого нам понадобится ещё один набор простых уравнений Эйнштейна. Допустим, с точки зрения некоего наблюдателя объект обладает импульсом p и энергией E. Тогда с точки зрения другого наблюдателя, движущегося со скоростью v по направлению движения объекта (или против него), импульс и энергия объекта будут выражаться следующим образом:

Где γ удовлетворяет ещё одному пифагорову уравнению:

согласно Эйнштейну. Это позволяет нам выполнять преобразования между тем, что видит Петя, и тем, что видит Маша (или любой другой наблюдатель, двигающийся со скоростью v). То, что мы обнаружим, показано на рис. 9.

Чтобы сравнить наблюдения Маши с наблюдениями Пети, нам понадобятся v и γ. Я утверждаю, что если v=4/5 c, то γ = 5/3.

Проверим, используя уравнение №5: 1 = (4/5)2 + (3/5)2 = 16/25 + 9/25 = 25/25

Петя говорит, что у Хиггса . Что насчёт Маши? Она говорит, что:

Петя утверждает, что у двух фотонов , и для каждого из них E = p c. Теперь мы можем подсчитать, что видит Маша, используя уравнения №4 и №4.

Работает! Энергия сохраняется и с точки зрения Марии, ибо

Масса системы совпадает с массой Хиггса до и после распада, поскольку до и после распада

Что, согласно уравнению №1′, приводит массу системы вновь к , как и у Пети, поскольку

Наблюдатель, с точки зрения которого Хиггс движется вправо

Что у нас с Костей? Костя двигается влево относительно Пети, допустим, со скоростью v=4/5 c, так что относительно Кости Хиггс (и Петя) двигаются вправо со скоростью v=4/5 c. Те же расчёты, что мы делали для Маши, показывают, что энергия Хиггса , но, в отличие от Маши, для которой Хиггс двигается вверх, для Кости импульс Хиггса направлен вправо. Это изображено на рис. 10.


Рис. 10

Хиггс распадается на два фотона. Если с точки зрения Пети фотоны двигаются вверх и вниз, то для Кости, наблюдающего, как Хиггс и Петя двигаются вправо, один из фотонов двигается вправо вверх, а другой – вправо вниз. Какие у них тогда будут импульс и энергия?

Через уравнения №4 и №5 нам этого не узнать, поскольку они предназначаются для случаев, когда частица и наблюдатель двигаются в одном направлении. Для нашего случая уравнения будут такими:

Эти уравнения будут проще, чем кажутся, поскольку с точки зрения Пети, у p нет компоненты, двигающейся слева направо, и весь импульс идёт вверх или вниз. Так что Костя наблюдает следующие величины для Хиггса:

Для второго фотона формулы те же, только его вертикальная составляющая направлена вниз. Заметьте, что для обоих фотонов E = p c, согласно теореме Пифагора для размера p у каждого из импульсов – согласно врезке на рис. 10

И вновь Костя наблюдает другие величины энергии и импульса, по сравнению с Петей и Машей. Но и для Кости энергия и импульс всё равно сохраняются. Также Костя наблюдает, что у системы с двумя фотонами масса совпадает с массой Хиггса. Почему? Общая вертикальная часть импульса системы нулевая, она взаимно уничтожается. Горизонтальная часть импульса системы равна 168 ГэВ/с. Общая энергия системы 210 ГэВ. Это то же, что наблюдала Маша, за исключением того, что у неё импульс системы шёл вверх, а не вправо. Но направление импульса не влияет на уравнение №1′. Там играет роль только его величина. Так что, как и Маша, Костя видит, что масса системы из двух протонов получается , равной массе первичной частицы Хиггса.

Итак, мы видим, что наблюдают три разных наблюдателя. Их наблюдения:

• разнятся по поводу того, какие у Хиггса энергия и импульс,
• разнятся в части энергии и импульса обоих фотонов,
• согласуются по поводу сохранения энергии и импульса при распаде,
• следовательно, они согласны, что при этом сохраняется масса системы,
• соглашаются, что масса системы равна 126 ГэВ/c 2 ,
• и более того, что сумма масс объектов системы не сохраняется, а уменьшается с 126 ГэВ/c 2 до нуля.

И это не случайно. Эйнштейн из предыдущих экспериментов знал, что энергия и импульс сохраняются, поэтому он искал и нашёл уравнения, сохраняющие эту особенность мира. Также в процессе он обнаружил, что масса системы должна удовлетворять уравнению №1′.

Бонус: как это используется в поисках частицы Хиггса

• наблюдают столкновения протонов, в результате которых рождается два фотона;
• подсчитывают массу системы из двух фотонов (на техническом жаргоне это называется инвариантная масса пары фотонов).

Когда в результате эксперимента получается частица Хиггса, распадающаяся на два фотона, то вне зависимости от того, в каком направлении и с какой скоростью двигается частица по отношению к лаборатории, система из двух фотонов, на которую она распадётся, всегда будет обладать массой, равной массе частицы Хиггса, произведшей их на свет! Поэтому, в отличие от случайных процессов, в результате которых получается система из двух фотонов случайной массы, частицы Хиггса всегда будут порождать систему из двух фотонов одной и той же массы. Поэтому, если в результатах эксперимента появятся частицы Хиггса, и если они иногда будут распадаться на два фотона, то мы увидим пик от распадов Хиггса, возвышающийся над гладким фоном из других случайных процессов. Так и произошло в эксперименте на БАК!

Источник статьи: http://habr.com/ru/post/404415/

6. 6. Взаимосвязь массы и энергии. Закон сохранения энергии в релятивистской механике. @

Исследуя следствия основного закона релятивистской динамики, Эйнштейн пришел к выводу о том, что полная энергия двигающейся частицы равна . Из этого уравнения следует, что даже неподвижная частица (когда=0) обладает энергией Е0 = m0с 2 , эту энергию называют энергией покоя (или собственной энер­гией).

Итак, универсальная зависимость полной энергии частицы от ее массы: Е = mс 2 . Это фундаментальный закон природы – закон взаимосвязи массы и энергии. Со­гласно этому закону масса, находящаяся в покое, обладает огромным запасом энер­гии и любое изменение массы Δm сопровождается изменением полной энергии час­тицы ΔE=c 2 Δm.

Например, 1кг речного песка должен содержать 1(3,0∙10 8 м/c) 2 =9∙10 16 Дж энергии. Это вдвое больше еженедельного потребления энергии в США. Однако большая часть этой энергии недоступна, так как закон сохранения материи требует, чтобы общее число барионов (так называются элементарные частицы – нейтроны и протоны) в любой замкнутой системе оставалось постоянным. Отсюда следует, что суммарная масса барионов не меняется и, соответственно, она не может быть преобразована в энергию.

Но внутри атомных ядер нейтроны и протоны кроме энергии покоя обладают большой энергией взаи­модействия друг с другом. В ряде та­ких процессов как синтез и деление ядер, часть этой потенциальной энергии взаимодействия может превращаться в добавочную кинетическую энергию, получаемых в реакциях, частиц. Это превращение и служит источником энергии ядерных реакторов и атомных бомб.

Правильность соотношения Эйнштейна можно доказать на примере распада свободного нейтрона на протон, электрон и нейтрино (с нулевой массой покоя): n → p + e — + ν. При этом суммарная кинетическая энергия конечных продуктов равна 1,25∙10 -13 Дж. Масса покоя нейтрона превышает суммарную массу протона и электрона на 13,9∙10 -31 кг. Этому уменьшению массы должна соответствовать энергия ΔE=c 2 Δm=(13,9∙10 -31 )(3,0∙10 8 ) 2 =1,25∙10 -15 Дж. Она совпадает с наблюдаемой кинетической энергией продуктов распада.

В релятивистской механике не соблюдается закон сохранения массы покоя, но выполняется закон сохранения энергии: полная энергия замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.

6.7. Общая теория относительности. @

Спустя несколько лет после опубликования специальной теории относитель­ности, Эйнштейном была разработана и окончательно сформулирована в 1915 г. общая теория относительности, которая представляет собой современную физиче­скую теорию пространства, времени и тяготения.

Главным предметом общей теории относительности является гравитационное взаимодействие, или тяготение. В законе всемирного тяготения Ньютона подразу­мевается, что сила тяготения действует мгновенно. Такое утверждение противоре­чит одному из основных принципов теории относительности, а именно: ни энергия, ни сигнал не могут распространяться быстрее скорости света. Таким образом, Эйн­штейн столкнулся с проблемой релятивистской теории тяготения. Для решения этой проблемы необходимо было также ответить на вопрос: различаются ли гравитаци­онная масса (входящая в закон Всемирного тяготения) и инертная масса (входящая во второй закон Ньютона)? Ответ на этот вопрос может дать только опыт. Вся сово­купность опытных фактов указывает на то, что инертная и гравитационная массы тождественны. Известно, что силы инерции аналогичны силам тяготения: находясь внутри закрытой кабины, никакими опытами нельзя ус­тановить, чем вызвано действие на тело силы mg – тем ли, что кабина движется с ускорением g, либо тем, что неподвижная кабина находится вблизи поверхности Земли. Вышесказанное представляет собой так называемый принцип эквивалент­ности: поле тяготения по своему проявлению тождественно ускоряющейся системе отсчета. Это утверждение и было положено Эйнштейном в основу общей теории относительности.

В своей теории Эйнштейн получил, что свойства пространства и времени связаны более сложными соотношениями, чем соотношения Лоренца. Вид этих связей зависит от распределения материи в пространстве, часто образно говорят, что материя искривляет пространство и время. Если материи нет на больших расстояниях от точки наблюдения или искривление пространства‑времени мало, то можно с удовлетворительной точностью использовать соотношения Лоренца.

Явление гравитации (притяжение тел имеющих массу) Эйнштейн объяснил тем, что массивные тела так искривляют пространство, что естественное движение других тел по инерции происходит по тем же траекториям, как если бы существовали силы притяжения. Таким образом, Эйнштейн решил проблему совпадения гравитаци­онной и инертной массы путем отказа от использования понятия сил гравитации.

Следствия, полученные из общей теории относительности (теории гравитации), предсказали наличие новых физических явлений вблизи массивных тел: изменение хода времени; изменение траекторий других тел, не объясняемое в классической механике; отклонение лучей света; изменение частоты света; необратимое притяжение всех форм материи к достаточно массивным звездам и др. Все эти явления были обнаружены: изменение хода часов наблюдали при полете самолета вокруг Земли; траектория движения самой близкой к Солнцу планеты – Меркурия объясняется только этой теорией, отклонение лучей света наблюдается для лучей, идущих от звезд к нам вблизи Солнца; изменение частоты или длины волны света также обнаружено, этот эффект называется гравитационным красным смещением, он на­блюдается в спектральных линиях Солнца и тяжелых звезд; необратимым притяжением материи к звездам объясняют наличие «черных дыр» ‑ космических звездных объектов, поглощающих даже свет. Кроме этого, множество космологических вопросов находит объяснение в общей теории относительности.

Источник статьи: http://studfile.net/preview/2030577/page:18/

Закон сохранения механической энергии

Физика — такая клевая наука, в которой ничего не исчезает бесследно. В том числе энергия. Вернее: особенно энергия. О том, куда она девается, если не бесследно — в этой статье.

· Обновлено 28 октября 2022

Энергия: что это такое

Если мы погуглим определение слова «Энергия», то скорее всего найдем что-то про формы взаимодействия материи. Это верно, но совершенно непонятно.

Поэтому давайте условимся здесь и сейчас, что энергия — это запас, который пойдет на совершение работы.

Энергия бывает разных видов: механическая, электрическая, внутренняя, гравитационная и так далее. Измеряется она в Джоулях (Дж) и чаще всего обозначается буквой E.

Механическая энергия

Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.

Она представляет собой совокупность кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия — это энергия действия. Потенциальная — ожидания действия.

Представьте, что вы взяли в руки канцелярскую резинку, растянули ее и отпустили. Из растянутого положения резинка просто «полетит», как только вы ей позволите это сделать. В этом процессе в момент натяжения резинка обладает потенциальной энергией, а в момент полета — кинетической.

Еще один примерчик: лыжник скатывается с горы. В самом начале — на вершине — у него максимальная потенциальная энергия, потому что он в режиме ожидания действия (ждущий режим 😂), а внизу горы он уже явно двигается, а не ждет, когда с ним это случится — получается, внизу горы кинетическая энергия.

Кинетическая энергия

Еще разок: кинетическая энергия — это энергия действия. Величина, которая очевиднее всего характеризует действие — это скорость. Соответственно, в формуле кинетической энергии точно должна присутствовать скорость.

Ек — кинетическая энергия [Дж]

Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия. И наоборот — чем медленнее, тем меньше кинетическая энергия.

Определить кинетическую энергию собаченьки массой 10 кг, если она бежала за мячом с постоянной скоростью 2 м/с.

Формула кинетической энергии

Ответ: кинетическая энергия пёсы равна 20 Дж.

Найти скорость бегущего по опушке гнома, если его масса равна 20 кг, а его кинетическая энергия — 40 Дж

Формула кинетической энергии

Ответ: гном бежал со скоростью 2 м/с.

Онлайн-уроки физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Потенциальная энергия

В отличие от кинетической энергии, потенциальная чаще всего тем меньше, чем скорость больше. Потенциальная энергия — это энергия ожидания действия.

Например, потенциальная энергия у сжатой пружины будет очень велика, потому что такая конструкция может привести к действию, а следовательно — к увеличению кинетической энергии. То же самое происходит, если тело поднять на высоту. Чем выше мы поднимаем тело, тем больше его потенциальная энергия.

Потенциальная энергия деформированной пружины

Еп — потенциальная энергия [Дж]

Потенциальная энергия в поле тяжести

Еп — потенциальная энергия [Дж]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g ≃ 9,8 м/с 2

Найти потенциальную энергию рака массой 0,1 кг, который свистит на горе высотой 2500 метров. Ускорение свободного падения считать равным 9,8 м/с 2 .

Формула потенциальной энергии Еп = mgh

Eп = 0,1 · 9,8 · 2500 = 2450 Дж

Ответ: потенциальная энергия рака, свистящего на горе, равна 2450 Дж.

Найти высоту горки, с которой собирается скатиться лыжник массой 65 кг, если его потенциальная энергия равна 637 кДж. Ускорение свободного падения считать равным 9,8 м/с 2 .

Формула потенциальной энергии Еп = mgh

Переведем 637 кДж в Джоули.

Ответ: высота горы равна 1000 метров.

Два шара разной массы подняты на разную высоту относительно поверхности стола (см. рисунок). Сравните значения потенциальной энергии шаров E1 и E2. Считать, что потенциальная энергия отсчитывается от уровня крышки стола.

Потенциальная энергия вычисляется по формуле: E = mgh

Таким образом, получим, что

Закон сохранения энергии

В физике и правда ничего не исчезает бесследно. Чтобы это как-то выразить, используют законы сохранения. В случае с энергией — Закон сохранения энергии.

Полная механическая энергия замкнутой системы остается постоянной.

Полная механическая энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергий. Математически этот закон описывается так:

Еполн. мех. — полная механическая энергия системы [Дж]

Еп — потенциальная энергия [Дж]

Ек — кинетическая энергия [Дж]

const — постоянная величина

Мяч бросают вертикально вверх с поверхности Земли. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Как изменится высота подъёма мяча при увеличении начальной скорости мяча в 2 раза?

Должен выполняться закон сохранения энергии:

В начальный момент времени высота равна нулю, значит Еп = 0. В этот же момент времени Ек максимальна.

В конечный момент времени все наоборот — кинетическая энергия равна нулю, так как мяч уже не может лететь выше, а вот потенциальная максимальна, так как мяч докинули до максимальной высоты.

Это можно описать соотношением:

Разделим на массу левую и правую часть

Из соотношения видно, что высота прямо пропорциональна квадрату начальной скорости, значит при увеличении начальной скорости мяча в два раза, высота должна увеличиться в 4 раза.

Ответ: высота увеличится в 4 раза

Тело массой m, брошенное с поверхности земли вертикально вверх с начальной скоростью v0, поднялось на максимальную высоту h0. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Чему будет равна полная механическая энергия тела на некоторой промежуточной высоте h?

По закону сохранения энергии полная механическая энергия изолированной системы остаётся постоянной. В максимальной точке подъёма скорость тела равна нулю, а значит, оно будет обладать исключительно потенциальной энергией Емех = Еп = mgh0.

Таким образом, на некоторой промежуточной высоте h, тело будет обладать и кинетической и потенциальной энергией, но их сумма будет иметь значение Емех = mgh0.

Мяч массой 100 г бросили вертикально вверх с поверхности земли с начальной скоростью 6 м/с. На какой высоте относительно земли мяч имел скорость 2 м/с? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Переведем массу из граммов в килограммы:

У поверхности земли полная механическая энергия мяча равна его кинетической энергии:

На высоте h потенциальная энергия мяча есть разность полной механической энергии и кинетической энергии:

Ответ: мяч имел скорость 2 м/с на высоте 1,6 м

Переход механической энергии во внутреннюю

Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотичного теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. То есть та энергия, которая запасена у тела за счет его собственных параметров.

Часто механическая энергия переходит во внутреннюю. Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом. Например, если сгибать и разгибать проволоку — она будет нагреваться.

Или если кинуть мяч в стену, часть энергии при ударе перейдет во внутреннюю.

Какая часть начальной кинетической энергии мяча при ударе о стену перейдет во внутреннюю, если полная механическая энергия вначале в два раза больше, чем в конце?

В самом начале у мяча есть только кинетическая энергия, то есть Емех = Ек.

В конце механическая энергия равна половине начальной, то есть Емех/2 = Ек/2

Часть энергии уходит во внутреннюю, значит Еполн = Емех/2 + Евнутр

Ответ: во внутреннюю перейдет половина начальной кинетической энергии

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Чтобы закон сохранения энергии для тепловых процессов был сформулирован, было сделано два важных шага. Сначала французский математик и физик Жан Батист Фурье установил один из основных законов теплопроводности. А потом Сади Карно определил, что тепловую энергию можно превратить в механическую.

Вот что сформулировал Фурье:

При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно выравниваются и становятся едиными для обоих тел — наступает состояние термодинамического равновесия.

Таким образом, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие без участия внешних сил тепловые процессы необратимы.

Дальше Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает на­гретое тело, непосредственно невозможно превратить в механиче­скую энергию для производства работы. Это можно сделать, только если часть тепловой энергии тела с большей температурой передать другому телу с меньшей температурой и, следовательно, нагреть его до более высокой температуры.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

При теплообмене двух или нескольких тел абсолютное количество теплоты, которое отдано более нагретым телом, равно количеству теплоты, которое получено менее нагретым телом.

Математически его можно описать так:

Уравнение теплового баланса

Qотд — отданное системой количество теплоты [Дж]

Qпол — полученное системой количество теплоты [Дж]

Данное равенство называется уравнением теплового баланса. В реальных опытах обычно получается, что отданное более нагретым телом количество теплоты больше количества теплоты, полученного менее нагретым телом:

Это объясняется тем, что некоторое количество теплоты при теплообмене передаётся окружающему воздуху, а ещё часть — сосуду, в котором происходит теплообмен.

Чтобы разобраться в задачках, читайте нашу статью про агрегатные состояния вещества.

Сколько граммов спирта нужно сжечь в спиртовке, чтобы нагреть на ней воду массой 580 г на 80 °С, если учесть, что на нагревание пошло 20% затраченной энергии.

Удельная теплота сгорания спирта 2,9 · 107 Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг · °С).

При нагревании тело получает количество теплоты

где c — удельная теплоемкость вещества

При сгорании тела выделяется энергия

где q — удельная теплота сгорания топлива

По условию задачи нам известно, что на нагревание воды пошло 20% энергии, полученной при горении спирта.

Ответ: масса сгоревшего топлива равна 33,6 г.

Какое минимальное количество теплоты необходимо для превращения в воду 500 г льда, взятого при температуре −10 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь. Удельная теплоемкость льда равна 2100 Дж/кг · ℃, удельная теплота плавления льда равна 3,3 · 10 5 Дж/кг.

Для нагревания льда до температуры плавления необходимо:

Qнагрев = 2100 · 0,5 · (10 − 0) = 10 500 Дж

Для превращения льда в воду:

Qпл = 3,3 · 10 5 · 0,5 = 165 000 Дж

Таким образом, для превращения необходимо затратить:

Q = Qнагрев + Qпл = 10 500 + 165 000 = 175 500 Дж = 175,5 кДж

Ответ: чтобы превратить 0,5 кг льда в воду при заданных условиях необходимо 175,5 кДж тепла.

Источник статьи: http://skysmart.ru/articles/physics/zakon-sohraneniya-mehanicheskoj-energii

Законы сохранения в механике

Импульс тела

Импульс тела – это векторная физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость:

Обозначение – ​ ( p ) ​, единицы измерения – (кг·м)/с.

Импульс тела – это количественная мера движения тела.
Направление импульса тела всегда совпадает с направлением скорости его движения.
Изменение импульса тела равно разности конечного и начального значений импульса тела:

где ​ ( p_0 ) ​ – начальный импульс тела,
​ ( p ) ​ – конечный импульс тела.

Если на тело действует нескомпенсированная сила, то его импульс изменяется. При этом изменение импульса тела равно импульсу подействовавшей на него силы.

Импульс силы – это количественная мера изменения импульса тела, на которое подействовала эта сила.

Обозначение – ​ ( F!Delta t ) ​, единицы измерения — Н·с.
Импульс силы равен изменению импульса тела:

Направление импульса силы совпадает по направлению с изменением импульса тела.

Второй закон Ньютона (силовая форма):

Важно!
Следует всегда помнить, что совпадают направления векторов:

Импульс системы тел

Импульс системы тел равен векторной сумме импульсов тел, составляющих эту систему:

При рассмотрении любой механической задачи мы интересуемся движением определенного числа тел. Совокупность тел, движение которых мы изучаем, называется механической системой или просто системой.

Рассмотрим систему, состоящую из трех тел. На тела системы действуют внешние силы, а между телами действуют внутренние силы.
​ ( F_1,F_2,F_3 ) ​ – внешние силы, действующие на тела;
​ ( F_<12>, F_<23>, F_<31>, F_<13>, F_<21>, F_ <32>) ​ – внутренние силы, действующие между телами.
Вследствие действия сил на тела системы их импульсы изменяются. Если за малый промежуток времени сила заметно не меняется, то для каждого тела системы можно записать изменение импульса в виде уравнения:

В левой части каждого уравнения стоит изменение импульса тела за малое время ​ ( Delta t ) ​.
Обозначим: ​ ( v_0 ) ​ – начальные скорости тел, а ​ ( v^ ) ​ – конечные скорости тел.
Сложим левые и правые части уравнений.

Но силы взаимодействия любой пары тел в сумме дают нуль.

Важно!
Импульс системы тел могут изменить только внешние силы, причем изменение импульса системы пропорционально сумме внешних сил и совпадает с ней по направлению. Внутренние силы, изменяя импульсы отдельных тел системы, не изменяют суммарный импульс системы.

Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса
Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой:

Замкнутая система – это система, на которую не действуют внешние силы.
Абсолютно упругий удар – столкновение двух тел, в результате которого в обоих взаимодействующих телах не остается никаких деформаций.
При абсолютно упругом ударе взаимодействующие тела до и после взаимодействия движутся отдельно.

Закон сохранения импульса для абсолютно упругого удара:

Абсолютно неупругий удар – столкновение двух тел, в результате которого тела объединяются, двигаясь дальше как единое целое.

Закон сохранения импульса для абсолютно неупругого удара:

Реактивное движение – это движение, которое происходит за счет отделения от тела с некоторой скоростью какой-то его части.
Принцип реактивного движения основан на том, что истекающие из реактивного двигателя газы получают импульс. Такой же по модулю импульс приобретает ракета.
Для осуществления реактивного движения не требуется взаимодействия тела с окружающей средой, поэтому реактивное движение позволяет телу двигаться в безвоздушном пространстве.

Реактивные двигатели
Широкое применение реактивные двигатели в настоящее время получили в связи с освоением космического пространства. Используются они также для метеорологических и военных ракет различного радиуса действия. Кроме того, все современные скоростные самолеты оснащены воздушно-ракетными двигателями.
Реактивные двигатели делятся на два класса:

В ракетных двигателях топливо и необходимый для его горения окислитель находятся непосредственно внутри двигателя или в его топливных баках.

Ракетный двигатель на твердом топливе
При горении топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Сила давления на переднюю стенку камеры больше, чем на заднюю, где находится сопло. Выходящие через сопло газы не встречают на своем пути стенку, на которую могли бы оказать давление. В результате появляется сила, толкающая ракету вперед.

Сопло – суженная часть камеры, служит для увеличения скорости истечения продуктов сгорания, что, в свою очередь, повышает реактивную силу. Сужение струи газа вызывает увеличение его скорости, так как при этом через меньшее поперечное сечение в единицу времени должна пройти такая же масса газа, что и при большем поперечном сечении.

Ракетный двигатель на жидком топливе

В ракетных двигателях на жидком топливе в качестве горючего используют керосин, бензин, спирт, жидкий водород и др., а в качестве окислителя – азотную кислоту, жидкий кислород, перекись водорода и пр.
Горючее и окислитель хранятся отдельно в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания, где температура достигает 3000 0С и давление до 50 атм. В остальном работает так же, как и двигатель на твердом топливе.

Воздушно-реактивный двигатель

В носовой части находится компрессор, засасывающий и сжижающий воздух, который затем поступает в камеру сгорания. Жидкое горючее (керосин) попадает в камеру сгорания с помощью специальных форсунок. Раскаленные газы выходят через сопло, вращают газовую турбину, приводящую в движение компрессор.
Основное отличие воздушно-реактивных двигателей от ракетных двигателей состоит в том, что окислителем для горения топлива служит кислород воздуха, поступающего внутрь двигателя из атмосферы.

Алгоритм применения закона сохранения импульса к решению задач:

  1. Запишите краткое условие задачи.
  2. Определите характер движения и взаимодействия тел.
  3. Сделайте рисунок, на котором укажите направление векторов скоростей тел до и после взаимодействия.
  4. Выберите инерциальную систему отсчета с удобным для нахождения проекций векторов направлением координатных осей.
  5. Запишите закон сохранения импульса в векторной форме.
  6. Спроецируйте его на выбранные координатные оси (сколько осей, столько и уравнений в системе).
  7. Решите полученную систему уравнений относительно неизвестных величин.
  8. Выполните действия единицами измерения величин.
  9. Запишите ответ.

Работа силы

Механическая работа – это скалярная векторная величина, равная произведению модулей вектора силы, действующей на тело, вектора перемещения и косинуса угла между этими векторами.

Обозначение – ​ ( A ) ​, единицы измерения – Дж (Джоуль).

1 Дж – это работа, которую совершает сила в 1 Н на пути в 1 м:

Механическая работа совершается, если под действием некоторой силы, направленной не перпендикулярно, тело перемещается на некоторое расстояние.

Зависимость механической работы от угла ​ ( alpha ) ​


( alpha=180^,, cosalpha=-1,, A=-FS,,A ​

Геометрический смысл механической работы

На графике зависимости ​ ( F=F(S) ) ​ работа силы численно равна площади фигуры, ограниченной графиком, осью перемещения и прямыми, параллельными оси силы.

Формулы для вычисления работы различных сил

Коэффициент полезного действия механизма (КПД) — это физическая величина, равная отношению полезной работы, совершенной механизмом, ко всей затраченной при этом работе.
Обозначение – ​ ( eta ) ​, единицы измерения – %.

​ ( A_> ) ​ – полезная работа – это та работа, которую нужно сделать;
​ ( A_> ) – затраченная работа – это та работа, что приходится делать на самом деле.

Важно!
КПД любого механизма не может быть больше 100%.

Мощность

Мощность – это количественная мера быстроты совершения работы.

Обозначение – ​ ( N ) ​, единицы измерения – Вт (Ватт).
Мощность равна отношению работы к времени, за которое она была совершена: .

1 Вт – это мощность, при которой за 1 с совершается работа в 1 Дж:

1 л. с. (лошадиная сила) = 735 Вт.

Связь между мощностью и скоростью равномерного движения:

Таким образом, мощность равна произведению модуля вектора силы на модуль вектора скорости и на косинус угла между направлениями этих векторов.

Важно!
Если интервал времени стремится к нулю, то выражение представляет собой мгновенную мощность, определяемую через мгновенную скорость.

Работа как мера изменения энергии

Если система тел может совершать работу, то она обладает энергией.

Работа и изменение кинетической энергии (теорема о кинетической энергии)

Если под действием силы тело совершило перемещение и вследствие этого его скорость изменилась, то работа силы равна изменению кинетической энергии.
Силы, работа которых не зависит от формы траектории, называются консервативными.

Работа и изменение потенциальной энергии тела, поднятого над землей

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком.

Работа и изменение потенциальной энергии упруго деформированного тела

Работа силы упругости равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия – это энергия, которой обладает тело вследствие своего движения.

Обозначение – ​ ( W_k (E_k) ) ​, единицы измерения – Дж.

Кинетическая энергия равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости:

Важно!
Так как кинетическая энергия отдельного тела определяется его массой и скоростью, то она не зависит от того, взаимодействует ли это тело с другими телами или нет. Значение кинетической энергии зависит от выбора системы отсчета, как и значение скорости. Кинетическая энергия системы тел равна сумме кинетических энергий отдельных тел, входящих в эту систему.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия тел или частей одного и того же тела.

Обозначение – ​ ( W_p (E_p) ) ​, единицы измерения – Дж.

Потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту над землей, равна произведению массы тела, ускорения свободного падения и высоты, на которой он находится:

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна половине произведения жесткости на квадрат удлинения:

Важно!
Величина потенциальной энергии зависит от выбора нулевого уровня. Нулевым называется уровень, на котором потенциальная энергия равна нулю. Нулевой уровень выбирается произвольно, исходя из удобства решения задачи.

Закон сохранения механической энергии

Полная механическая энергия – это энергия, равная сумме кинетической и потенциальной энергий.

Обозначение – ​ ( W (E) ) ​, единицы измерения – Дж.

Закон сохранения механической энергии
В замкнутой системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени:

Если между телами системы действуют кроме сил тяготения и упругости другие силы, например сила трения или сопротивления, действие которых приводит к превращению механической энергии в тепловую, то в такой системе тел закон сохранения механической энергии не выполняется.

Важно!
В случае, если кроме консервативных сил (тяжести, упругости, тяготения) существуют еще и неконсервативные силы, например сила трения, а также внешние силы, то

Теорема о кинетической энергии справедлива для сил любой природы:

Если на систему тел действуют неконсервативные и внешние силы, то изменение полной энергии равно сумме работ неконсервативных и внешних сил.

Закон сохранения и превращения энергии
Энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой или передается от одного тела к другому.

Источник статьи: http://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/zakony-sohranenija-v-mehanike.html

6. 6. Взаимосвязь массы и энергии. Закон сохранения энергии в релятивистской механике. @

Исследуя следствия основного закона релятивистской динамики, Эйнштейн пришел к выводу о том, что полная энергия двигающейся частицы равна . Из этого уравнения следует, что даже неподвижная частица (когда=0) обладает энергией Е0 = m0с 2 , эту энергию называют энергией покоя (или собственной энер­гией).

Итак, универсальная зависимость полной энергии частицы от ее массы: Е = mс 2 . Это фундаментальный закон природы – закон взаимосвязи массы и энергии. Со­гласно этому закону масса, находящаяся в покое, обладает огромным запасом энер­гии и любое изменение массы Δm сопровождается изменением полной энергии час­тицы ΔE=c 2 Δm.

Например, 1кг речного песка должен содержать 1(3,0∙10 8 м/c) 2 =9∙10 16 Дж энергии. Это вдвое больше еженедельного потребления энергии в США. Однако большая часть этой энергии недоступна, так как закон сохранения материи требует, чтобы общее число барионов (так называются элементарные частицы – нейтроны и протоны) в любой замкнутой системе оставалось постоянным. Отсюда следует, что суммарная масса барионов не меняется и, соответственно, она не может быть преобразована в энергию.

Но внутри атомных ядер нейтроны и протоны кроме энергии покоя обладают большой энергией взаи­модействия друг с другом. В ряде та­ких процессов как синтез и деление ядер, часть этой потенциальной энергии взаимодействия может превращаться в добавочную кинетическую энергию, получаемых в реакциях, частиц. Это превращение и служит источником энергии ядерных реакторов и атомных бомб.

Правильность соотношения Эйнштейна можно доказать на примере распада свободного нейтрона на протон, электрон и нейтрино (с нулевой массой покоя): n → p + e — + ν. При этом суммарная кинетическая энергия конечных продуктов равна 1,25∙10 -13 Дж. Масса покоя нейтрона превышает суммарную массу протона и электрона на 13,9∙10 -31 кг. Этому уменьшению массы должна соответствовать энергия ΔE=c 2 Δm=(13,9∙10 -31 )(3,0∙10 8 ) 2 =1,25∙10 -15 Дж. Она совпадает с наблюдаемой кинетической энергией продуктов распада.

В релятивистской механике не соблюдается закон сохранения массы покоя, но выполняется закон сохранения энергии: полная энергия замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.

6.7. Общая теория относительности. @

Спустя несколько лет после опубликования специальной теории относитель­ности, Эйнштейном была разработана и окончательно сформулирована в 1915 г. общая теория относительности, которая представляет собой современную физиче­скую теорию пространства, времени и тяготения.

Главным предметом общей теории относительности является гравитационное взаимодействие, или тяготение. В законе всемирного тяготения Ньютона подразу­мевается, что сила тяготения действует мгновенно. Такое утверждение противоре­чит одному из основных принципов теории относительности, а именно: ни энергия, ни сигнал не могут распространяться быстрее скорости света. Таким образом, Эйн­штейн столкнулся с проблемой релятивистской теории тяготения. Для решения этой проблемы необходимо было также ответить на вопрос: различаются ли гравитаци­онная масса (входящая в закон Всемирного тяготения) и инертная масса (входящая во второй закон Ньютона)? Ответ на этот вопрос может дать только опыт. Вся сово­купность опытных фактов указывает на то, что инертная и гравитационная массы тождественны. Известно, что силы инерции аналогичны силам тяготения: находясь внутри закрытой кабины, никакими опытами нельзя ус­тановить, чем вызвано действие на тело силы mg – тем ли, что кабина движется с ускорением g, либо тем, что неподвижная кабина находится вблизи поверхности Земли. Вышесказанное представляет собой так называемый принцип эквивалент­ности: поле тяготения по своему проявлению тождественно ускоряющейся системе отсчета. Это утверждение и было положено Эйнштейном в основу общей теории относительности.

В своей теории Эйнштейн получил, что свойства пространства и времени связаны более сложными соотношениями, чем соотношения Лоренца. Вид этих связей зависит от распределения материи в пространстве, часто образно говорят, что материя искривляет пространство и время. Если материи нет на больших расстояниях от точки наблюдения или искривление пространства‑времени мало, то можно с удовлетворительной точностью использовать соотношения Лоренца.

Явление гравитации (притяжение тел имеющих массу) Эйнштейн объяснил тем, что массивные тела так искривляют пространство, что естественное движение других тел по инерции происходит по тем же траекториям, как если бы существовали силы притяжения. Таким образом, Эйнштейн решил проблему совпадения гравитаци­онной и инертной массы путем отказа от использования понятия сил гравитации.

Следствия, полученные из общей теории относительности (теории гравитации), предсказали наличие новых физических явлений вблизи массивных тел: изменение хода времени; изменение траекторий других тел, не объясняемое в классической механике; отклонение лучей света; изменение частоты света; необратимое притяжение всех форм материи к достаточно массивным звездам и др. Все эти явления были обнаружены: изменение хода часов наблюдали при полете самолета вокруг Земли; траектория движения самой близкой к Солнцу планеты – Меркурия объясняется только этой теорией, отклонение лучей света наблюдается для лучей, идущих от звезд к нам вблизи Солнца; изменение частоты или длины волны света также обнаружено, этот эффект называется гравитационным красным смещением, он на­блюдается в спектральных линиях Солнца и тяжелых звезд; необратимым притяжением материи к звездам объясняют наличие «черных дыр» ‑ космических звездных объектов, поглощающих даже свет. Кроме этого, множество космологических вопросов находит объяснение в общей теории относительности.

Источник статьи: http://studfile.net/preview/6180511/page:18/

Закон сохранения массы и энергии

Фундаментальный закон естествознания — закон неуничтожимости материи и движения: невозможно исчезновение каких-либо форм материи без возникновения других ее форм, так же как исчезновение одних форм движения без возникновения других. Одним из его следствий является закон сохранения массы и энергии: в изолированной системе сумма масс и сумма энергий постоянны.

Закон сохранения массы веществ впервые был сформулирован в 1748 г М.В.Ломоносовым.: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Независимо от Ломоносова этот закон позднее был сформулирован А.Лавуазье. Он установил также, что в химических реакциях остается неизменной не только масса веществ, но и масса элементов, т.е. превращения элементов друг в друга не происходит.

Поскольку в химических реакциях не происходит превращений элементов, общее число атомов остается постоянным. А так как атомы имеют постоянную массу, то не меняется и масса веществ до и после реакции.

Однако точно этот закон выполняется только в изолированной системе (такой, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией). Если в результате обмена с окружающей средой система теряет или поглощает энергию, масса продуктов реакции не равна массе исходных веществ. Например, масса атома изотопа углерода 12 С равна точно 12 а.е.м. (изотопы — разновидности атомов одного элемента, отличающиеся атомной массой). Образование этого изотопа можно представить процессом соединения 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов: и вычислить его массу по известным значениям масс этих элементарных частиц:

m ( 12 C) = 6 m (p) + 6 m (n) + 6 m (e)

m ( 12 C) = 6 . 1,0078 + 6 . 1,0087 + 6 . 0,00055 = 12,099 а.е.м.

Разница в 0,099 а.е.м., так называемый «дефект массы», возникает из-за того, что в реакции выделяется

10 10 кДж/моль энергии. В реальных химических расчетах «дефект массы» не учитывают и используют закон сохранения массы для составления уравнений химических реакций (число атомов каждого вида должно быть одинаковым в левой и правой частях уравнения) и расчета материальных балансов.

Закон сохранения энергии был сформулирован Ломоносовым и век спустя экспериментально подтвержден Майером. Его современная формулировка: энергия изолированной системы постоянна, возможны лишь переходы из одного вида энергии в другой. Закон дает основу для составления тепловых балансов химических систем.

Атомно-молекулярное учение

Представления о составе и строении веществ формировались на протяжении многих столетий, начиная с древнегреческих философских учений Левкиппа, Демокрита, Эпикура. Однако создание учения об атомно-молекулярном строении вещества стало возможным к середине ХIХ в. на основании экспериментально установленных стехиометрических законов. Основные его положения, принятые на первом Международном съезде химиков в 1860 г. в Германии, сводились к следующим:

1. Все вещества состоят из молекул.

2. Молекулы состоят из атомов.

3. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении.

4. Атомы — мельчайшие, неделимые составные части молекул.

В последующий век представления о строении вещества значительно изменились. В ХХ в. прямым экспериментом было доказано существование не только атомов и молекул, но также ионов и элементарных частиц.

Современные представления о строении вещества могут быть кратко сформулированы следующим образом:

1. Вещества состоят из атомов, молекул или ионов.

Атом — наименьшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства. Атом электронейтрален, состоит из положительно заряженного ядра и электронов

Химический элемент — определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Химические элементы обозначаются начальными буквами их латинских названий (эти символы введены в начале ХIХ в. Я.Берцелиусом), например: водород (Hydrogenium) — H, сера (Sulfur) — S, медь (Cuprum) — Cu. Они приведены в таблице химических элементов Д.И.Менделеева. В названиях соединений элементов используются их латинские корни, например: LiH — гидрид лития, Na2SO4сульфат натрия, FeS —сульфид железа.

Молекула — электронейтральная наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных химическими связями в определенную структуру. Число атомов в молекуле может быть от двух (например, в молекуле водорода Н2) до миллионов ( в молекулах полимеров).

Физические свойства вещества (температуры кипения и плавления, плотность, тепло- и электропроводность и др.) для отдельной молекулы не имеют смысла.

Ион— заряженная частица, образующаяся при отдаче или приобретении электронов атомами или молекулами.

2. Все молекулы, атомы и ионы, входящие в состав вещества, находятся в непрерывном движении, обусловленном запасом тепловой энергии вещества. Элементарные частицы в атоме также находятся в движении. При химических превращениях молекулы разрушаются, но атомы сохраняются и перегруппировываются.

3. Вещества подразделяют на смеси и чистые вещества (условно чистые, так как абсолютно чистых веществ в природе не существует).

Смеси бывают гомогенные, или однородные (например, вода и сахар, вода и спирт) и гетерогенные, или неоднородные (например, сахар и соль).

Чистые вещества подразделяют на простые вещества (состоят из атомов одного элемента, например, углерод С, азот N2 , цинк Zn) и сложные вещества, или химические соединения (состоят из атомов разных элементов, например, вода H2O, азотная кислота HNO3) .

Химическая формула вещества записывается символами элементов и показывает его качественный состав и количественное соотношение элементов в нем. (Формула воды — Н2О — показывает, что в веществе «вода» на каждый атом кислорода приходится два атома водорода.).

Химических элементов в настоящее время известно 111, а простых веществ намного больше — около 400. Это связано с тем, что некоторые элементы образуют несколько простых веществ. Их называют аллотропными видоизменениями (аллотропными модификациями), а само явление — аллотропией. Аллотропные видоизменения — это либо молекулы с разным числом атомов (например, кислород О2 и озон О3), либо кристаллы разного строения (например, алмаз и графит — разные простые вещества, образованные одним элементом углеродом).

В зависимости от физических условий (температуры и давления) вещества могут существовать в разных агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твердом (кристаллическом или аморфном), плазменном.

Все вещества подразделяют на вещества молекулярного и немолекулярного строения.

Молекулярные вещества состоят из молекул, например, в обычных условиях газы: кислород О2, водород Н2, азот N2 ; жидкости: этиловый спирт С2Н5ОН, бензол С6Н6 ; твердые вещества: йод I2, белый фосфор P4.

Немолекулярные вещества состоят из атомов (например, газы: гелий Не, неон Nе, аргон Аr; твердый сульфид железа FeS — из атомов Fe S) или ионов (например, кристалл поваренной соли — из ионов Na + и Cl — ). Для этих веществ записывают формулу условной молекулы (формульной единицы), которая показывает соотношение атомов в веществе (NaCl).

Химическое превращение, или химическая реакция — процесс, при котором из одних веществ образуются другие вещества (из реагентов образуются продукты реакции). При этом не происходит превращений атомов одних химических элементов в другие (это происходит в ядерных реакциях). Химические реакции изображают в виде химических уравнений. При этом согласно закону сохранения массы число атомов каждого элемента, вступающих в реакцию, должно быть равно их числу, образующемуся в результате реакции. В уравнениях реакций это уравнивание числа атомов выполняется расстановкой стехиометрических коэффициентов.

Источник статьи: http://studfile.net/preview/7201637/page:2/

Урок 11. Формулировка закона сохранения массы и энергии

В уроке 11 «Формулировка закона сохранения массы и энергии» из курса «Химия для чайников» дадим определение закону сохранения массы и закону сохранения энергии, познакомимся с открытием Ломоносова, а также повторим некоторые основы химии из прошлой главы. Этим уроком мы открываем следующий раздел курса, под названием «Закон сохранения массы и энергии». Поэтому, чтобы у вас не возникало вопросов по урокам, обязательно изучите все уроки из первого раздела «Атомы, молекулы и ионы».

Мысль о том, что все в мире состоит из атомов, зародилась еще до нашей эры. Древнегреческий философ Демокрит полагал, что вся материя состоит из неделимых микрочастиц — атомов, что каждый атом обладает индивидуальными свойствами, что свойства веществ определяются их взаимным расположением относительно друг друга. Таким образом его идеи являются примитивным вариантом того, что изложено в разделе 1 «Атомы, молекулы и ионы». Напрашивается вопрос: почему же тогда древние греки не воспользовались гипотезой Демокрита и не научились получать атомную энергию? Почему прошло еще 2000 лет, прежде чем наука достигла своего современного уровня? Одна из причин заключалась в том, что древние греки понятия не имели о законах сохранения вещества, ну и конечно же о законе сохранения энергии.

Закон сохранения массы и энергии

Великий русский ученый М.В. Ломоносов в 1748 году стал первым, кто осознал, что масса является фундаментальным свойством, сохраняющимся в процессе химических реакций. Он установил закон который гласит, что суммарная масса всех продуктов химического превращения должна точно совпадать с суммарной массой исходных веществ. Помимо суммарной массы веществ, в химических реакциях сохраняется также число атомов каждого сорта независимо от того, в сколь сложных превращениях они участвуют и как переходят из одних молекул в другие.

В химических реакциях должна сохраняться также и энергия. Химически важный вывод из этого закона заключается в том, что поглощение или выделение тепла (теплота реакции) в конкретной химической реакции не зависит от того, каким путем осуществляется реакция — в одну или несколько стадий. Например, тепло, выделяющееся напрямую при сгорании газообразного водорода и графита (одна из форм углерода), должна совпадать с теплом, выделяющимся, когда водород и углерод используются для получения синтетического бензина, а заем этот бензин используется в качестве топлива. Если бы количество тепла, выделяемого в одной из двух описанных выше вариантов реакции, было неодинаковым, можно было бы воспользоваться этим и проводить более эффективную реакцию в одном направлении, а менее эффективную — в обратном. В результате получился бы циклический бестопливный источник тепла, непрерывно дающий даровую энергию. Но это всего лишь мечты о вечном двигателе, создание которого разрушается об незыблемую стену закона сохранения массы и энергии.

Закон сохранения массы: в процессе химической реакции не происходит образования или разрушения атомов.

Закон сохранения энергии: если сумма двух реакций представляет собой новую, третью реакцию, то теплота третьей реакции равна сумме теплот первых двух реакций. Говорят, что тепловые эффекты реакций аддитивны. Более подробно о законе сохранения тепла вы узнаете в конце данной главы, где все станет просто и ясно.

Кстати, в 1756 году Ломоносов экспериментально подтвердил химический закон сохранения массы, путем обжига металлов в запаянных сосудах. Вместо обжига металлов можно в запаянном сосуде сжечь фтор, закон сохранения массы все равно соблюдается:

Повторюсь, что не плотность или объем, а именно масса является фундаментальным свойством, сохраняющимся в процессе химических реакций. И как только химики это поняли, они сразу бросились в поиски правильной шкалы атомных масс для каждого элемента. В уроке 3 «Строение молекулы» мы отмечали, что молекулярная масса молекулы вычисляется через сумму всех атомных масс входящих в ее состав атомов. А из урока 5 «Моль и молярная масса» нам известно, что моль любого вещества — это такое его количество, в котором число частиц этого вещества равно 6,022·10 23 . Масса одного моля вещества в граммах называется молярной массой. Моль и молярная масса являются важнейшими понятиями, без которых невозможно проводить химический расчет.

Моль — это просто средство подсчитывать атомы и молекулы порциями по 6,022·10 23 . Если известно, что две молекулы газообразного водорода H2 реагируют с одной молекулой газообразного кислорода O2, с образованием двух молекул воды H2O, то можно предсказать, что 2 моля H2, т.е. 4,032 г, будут реагировать с 1 молем O2, т.е. с 31,999 г, с образованием 2 молей H2O, т.е.36,031 г). Контрольное суммирование 4,032+31,999=36,031 подтверждают, что в этой реакции выполняется химический закон сохранения массы.

Урок 11 «Формулировка закона сохранения массы и энергии» является повторением уже пройденного материала перед погружением в более серьезный раздел химии. Надеюсь вы открыли в этом уроке для себя что-то новое и интересное. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Источник статьи: http://himi4ka.ru/arhiv-urokov/urok-11-formulirovka-zakona-sohranenija-massy-i-jenergii.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *