Τι είναι η κινητική ενέργεια; Παραδείγματα Κινητικής Ενέργειας

Η δυναμική και η κινητική ενέργεια είναι οι δύο κύριοι τύποι ενέργειας. Ακολουθεί μια ματιά στην κινητική ενέργεια, συμπεριλαμβανομένου του ορισμού, των παραδειγμάτων, των μονάδων, του τύπου και του τρόπου υπολογισμού της.

Ορισμός κινητικής ενέργειας

Στη φυσική, κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια που έχει ένα αντικείμενο λόγω της κίνησής του. Ορίζεται ως το έργο που απαιτείται για την επιτάχυνση ενός σώματος δεδομένης μάζας από την ηρεμία σε μια ορισμένη ταχύτητα. Μόλις η μάζα φτάσει στην ταχύτητα, η κινητική της ενέργεια παραμένει αμετάβλητη εκτός κι αν αλλάξει η ταχύτητά της. Ωστόσο, η ταχύτητα και συνεπώς η κινητική ενέργεια εξαρτώνται από το πλαίσιο αναφοράς. Με άλλα λόγια, η κινητική ενέργεια ενός αντικειμένου δεν είναι αμετάβλητη.

Μονάδες κινητικής ενέργειας

Η μονάδα κινητικής ενέργειας SI είναι το τζάουλ (J), το οποίο είναι kg⋅m⋅s. Η αγγλική μονάδα κινητικής ενέργειας είναι το πόδι-λίβρα (ft⋅lb). Η κινητική ενέργεια είναι ένα βαθμωτό μέγεθος. Έχει μέγεθος, αλλά δεν έχει κατεύθυνση.

Παραδείγματα κινητικής ενέργειας

Οτιδήποτε μπορείτε να σκεφτείτε ότι έχει μάζα (ή φαινομενική μάζα) και η κίνηση είναι ένα παράδειγμα κινητικής ενέργειας. Τα παραδείγματα κινητικής ενέργειας περιλαμβάνουν:

Ιπτάμενο αεροσκάφος, πουλί ή υπερήρωας
Περπάτημα, τζόκινγκ, ποδηλασία, κολύμπι, χορός ή τρέξιμο
Πτώση ή πτώση αντικειμένου
Πέταγμα μπάλας
Οδήγηση αυτοκινήτου
Παίζοντας με γιο-γιο
Εκτόξευση πυραύλου
Ένας ανεμόμυλος που περιστρέφεται
Σύννεφα κινούνται στον ουρανό
Ο άνεμος
Μια χιονοστιβάδα
Καταρράκτης ή ρέον ρέμα
Ηλεκτρική ενέργεια που ρέει μέσω καλωδίου
Δορυφόροι σε τροχιά
Ένας μετεωρίτης που πέφτει στη Γη
Ο ήχος κινείται από ένα ηχείο στα αυτιά σας
Ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον ατομικό πυρήνα
Το φως που ταξιδεύει από τον Ήλιο στη Γη (τα φωτόνια έχουν ορμή, άρα έχουν φαινομενική μάζα)

Τύπος κινητικής ενέργειας

Ο τύπος για την κινητική ενέργεια (KE) συσχετίζει την ενέργεια με τη μάζα (m) και την ταχύτητα (v).

KE =1/2 mv

Επειδή η μάζα είναι πάντα θετική τιμή και το τετράγωνο οποιασδήποτε τιμής είναι θετικός αριθμός, η κινητική ενέργεια είναι πάντα θετική. Επίσης, αυτό σημαίνει ότι η μέγιστη κινητική ενέργεια εμφανίζεται όταν η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση της κίνησης.

Από την εξίσωση της κινητικής ενέργειας, μπορείτε να δείτε ότι η ταχύτητα ενός αντικειμένου έχει μεγαλύτερη σημασία από τη μάζα του. Έτσι, ακόμη και ένα μικρό αντικείμενο έχει πολλή κινητική ενέργεια αν κινείται γρήγορα.

Ο τύπος της κινητικής ενέργειας λειτουργεί στην κλασική φυσική, αλλά αρχίζει να αποκλίνει από την πραγματική ενέργεια όταν η ταχύτητα πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός (c ).

Πώς να υπολογίσετε την κινητική ενέργεια

Το κλειδί για την επίλυση προβλημάτων κινητικής ενέργειας είναι να θυμόμαστε ότι 1 joule ισούται με 1 kg⋅m⋅s. Η ταχύτητα είναι το μέγεθος της ταχύτητας, επομένως μπορείτε να τη χρησιμοποιήσετε στην εξίσωση κινητικής ενέργειας. Διαφορετικά, προσέξτε τις μονάδες σας σε κλάσματα. Για παράδειγμα, το (1)/(400 m/s) είναι το ίδιο με το (1/400) s/m.

Παράδειγμα #1

Υπολογίστε την κινητική ενέργεια ενός ατόμου βάρους 68 kg που κινείται με ταχύτητα 1,4 m/s (με άλλα λόγια, την κινητική ενέργεια ενός τυπικού ατόμου που περπατά).

KE =1/2 mv

Σύνδεση των αριθμών:

KE =1/2 (68 kg) (1,4 m/s)
KE =66,64 kg⋅m⋅s
KE =66,64 J

Παράδειγμα #2

Υπολογίστε τη μάζα ενός αντικειμένου που κινείται με ταχύτητα 20 m/s με κινητική ενέργεια 1000 J.

Αναδιάταξη της εξίσωσης κινητικής ενέργειας για επίλυση της μάζας:

m =2KE/v
m =(2)(1000 kg⋅m⋅s)/(20 m/s)
m=(2000 kg⋅m⋅s)/(400 m/s)
m =5 kg

Διαφορά μεταξύ κινητικής και δυνητικής ενέργειας

Η κινητική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε δυναμική ενέργεια και το αντίστροφο. Η κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια που σχετίζεται με την κίνηση ενός σώματος, ενώ η δυναμική ενέργεια είναι η ενέργεια που οφείλεται στη θέση ενός αντικειμένου. Όλοι οι άλλοι τύποι ενέργειας (π.χ. ηλεκτρική ενέργεια, χημική ενέργεια, θερμική ενέργεια, πυρηνική ενέργεια) έχουν κινητική ενέργεια, δυναμική ενέργεια ή συνδυασμό των δύο. Το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας ενός συστήματος (η συνολική του ενέργεια) είναι σταθερό λόγω της Διατήρησης της Ενέργειας. Στην κβαντομηχανική, το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας ονομάζεται Hamiltonian.

Ένα τρενάκι χωρίς τριβές είναι ένα καλό παράδειγμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ κινητικής και δυναμικής ενέργειας. Στην κορυφή της πίστας, το τρενάκι του λούνα παρκ έχει μέγιστη δυναμική ενέργεια, αλλά ελάχιστη κινητική ενέργεια (μηδέν). Καθώς το κάρο κατεβαίνει στην πίστα, η ταχύτητά του αυξάνεται. Στο κάτω μέρος της διαδρομής, η δυναμική ενέργεια είναι στο ελάχιστο της (μηδέν), ενώ η κινητική ενέργεια στο μέγιστο.

Αναφορές

Goel, V. K. (2007). Βασικές αρχές της Φυσικής . Εκπαίδευση Tata McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-062060-5.
Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Φυσική για επιστήμονες και μηχανικούς (6η έκδ.). Μπρουκς/Κόουλ. ISBN 0-534-40842-7.
Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Σύγχρονη Φυσική (4η έκδ.). W. H. Freeman. ISBN 0-7167-4345-0.