Kodėl slėgis kaupia energiją suspaustose spyruoklėse?
Trumpas atsakymas: Suspausdami spyruoklę, ją veikiate stumdami. Spyruoklė kaupia šį darbą kaip elastinę potencialinę energiją, kuri gali stumti atgal, kai spyruoklė atleidžiama.
Energija išlieka spyruoklės medžiagoje dėl nedidelių jos formos ir jungčių pokyčių.
Išsamesnis paaiškinimas
Spyruoklė priešinasi suspaudimui ar tempimui. Kai stumiate spyruoklę, jėga veikiama per atstumą. Atliekant šį darbą, atomai šiek tiek pasislenka ir sulenkiamos mažytės metalo dalys.
Spyruoklės vidinės jėgos laiko tuos atomus toliau nuo jų atsipalaidavusių pozicijų. Šis sukauptas išsidėstymas yra elastinė potencialinė energija. Kai atleidžiate, spyruoklė grįžta į atsipalaidavusią formą, o sukaupta energija vėl virsta judėjimu.
Kuo stipriau spaudžiate, tuo daugiau darbo atliekate ir tuo daugiau energijos sukaupiama. Slėgis (stūmimas plote) yra susijęs, nes tai yra viena iš jėgų rūšių, galinčių suspausti medžiagas, tačiau spyruoklėse paprastai apibūdiname jėgą išilgai spyruoklės, o ne slėgį.
Norintiems suprasti tiksliau
Įvardyti dėsniai / principai: Dėsnio/pasekmės pavadinimas: Huko dėsnis ir energijos tvermės dėsnis (tampriosios deformacijos energija).
Spyruoklės ir kiti tamprūs kietieji kūnai kaupia energiją, nes jų formai pakeisti atliekamas darbas. Huko dėsnis teigia, kad esant mažoms deformacijoms, spyruoklės jėga yra proporcinga jos ištempimo arba suspaudimo laipsniui: F = kx, kur k yra spyruoklės konstanta, o x – poslinkis. Jei spyruoklę stumiate lėtai, atliktas darbas lygus plotui po jėgos ir poslinkio kreive.
Tiesinės spyruoklės atveju šis darbas tampa tampriąja potencialine energija, U = 1/2 k x^2. Kietosiose medžiagose vidinės jėgos apskritai sukuria įtempį (jėgą plote) ir deformaciją (santykinį formos pokytį). Medžiagos tūrio vienetui sukaupta energija esant mažoms deformacijoms yra maždaug 1/2 × įtempis × deformacija .
Tai vadinama tampriosios deformacijos energija ir ji išlieka medžiagoje, kol neišleidžiama arba paverčiama šiluma, jei medžiaga greitai suspaudžiama arba visam laikui deformuojama.
Kaip mes tai žinome: Fizikai matuoja jėgą suspaudžiant spyruoklę ir integruoja jėgą pagal atstumą, kad rastų darbą. Eksperimentai rodo, kad spyruoklei atatrankius grįžta beveik toks pat energijos kiekis, o tai patvirtina energijos kaupimą ir išsaugojimą; skirtumai dažnai pasireiškia kaip šiluma arba nuolatiniai pokyčiai.
Pavyzdžiai gamtoje
- Pogo lazda, kuri kaupia energiją nusileidus, o tada jus vėl stumia aukštyn.
- Žaislinio automobilio spiralinė spyruoklė, suspausta, kai ją patraukiate atgal ir atleidžiate, kad ji pajudėtų.
- Čiužinio ar sofos spyruoklės, kurios kaupia nedidelį energijos kiekį, kai sėdite, ir grąžina ją, kai stovite.
- Spragtelėjimo spyruoklė, kuri kaupia energiją, kai ją paspaudžiate ir atleidžiate, kad iššoktų galiukas.
- Automobilio pakabos spyruoklė, kuri sugeria smūgius ir tada grąžina automobilį į pradinį važiavimo aukštį.
Namų Darbai
Suspaustos spyruoklės lenktynės
Sauga: Jei spyruoklė gali išskristi, dėvėkite apsauginius akinius; nenukreipkite spyruoklių į žmones.
Priemonės
- maža metalinė spyruoklė
- du mediniai blokeliai arba knygos
- liniuotė
- mažas žaislinis automobilis arba lengvas daiktas
Žingsniai
- Padėkite vieną blokelį plokščiai ir pastatykite ant jo spyruoklę taip, kad žaislinis automobilis būtų priešais spyruoklę.
- Paspauskite spyruoklės viršų žemyn išmatuotu kiekiu (naudokite liniuotę poslinkiui pažymėti) ir laikykite.
- Atleiskite spyruoklę ir stebėkite, kaip žaislinis automobilis juda į priekį.
- Pakartokite su didesniu suspaudimu (didesnis poslinkis) ir vėl atleiskite. Ką tai rodo: didesnis suspaudimas (daugiau darbo) sukaupia daugiau elastinės energijos, kuri stumia automobilį toliau.
Žodynas
- Elastinė potencinė energija: energija, kaupiama, kai objektas tempiamas arba suspaudžiamas.
- Huko dėsnis: taisyklė, teigianti, kad spyruoklės jėga yra proporcinga jos poslinkiui (F = kx).
- Jėga: stūmimas arba traukimas, galintis pakeisti judėjimą arba formą.
- Įtempis ir deformacija: įtempis yra jėga, padalyta iš ploto; deformacija yra tai, kiek kažkas pakeičia formą, palyginti su pradiniu dydžiu.
Atsakymai į klausimus
Ar slėgis yra tas pats, kas spyruoklėje sukaupta energija?
Ne. Slėgis yra jėga, tenkanti plotui. Spyruoklė kaupia tamprumo potencialinę energiją dėl jėgos ir poslinkio, o ne tik dėl slėgio.
Ar visos medžiagos gali kaupti šią energiją?
Daugelis medžiagų gali kaupti tamprumo energiją, jei grįžta į pradinę formą, tačiau kai kurios deformuojasi visam laikui ir praranda energiją kaip šilumą.
Kodėl greitai suspaudžiant spyruoklę dalis energijos virsta šiluma?
Greitas suspaudimas sukelia vidinę trintį ir mažus judesius, kurie išskiria šilumą, todėl mažiau energijos kaupiama kaip tamprumo energija.
Kam lygu 1/2 iš 1/2 k x^2?
Jis gaunamas sumuojant kintančią jėgą, kai spyruoklė juda; vidutinė jėga judėjimo metu yra pusė galutinės tiesinės spyruoklės jėgos.