Yipke asılğan topçıqnı bir yanğa çekip, serbest bıraqayıq. Evvel o, tez salına, soñ er sefer daa az köterile ve soñunda toqtay. Areket yoq oldı. Ya energiya? O saqlansa, salıncaq ne içün ebediy salınmay?
Sürtülme ve ava qarşılığı sebebinden salıncaq toqtağanda, onıñ mehanik energiyası azala, amma energiya yoq olmay: o, sistemanıñ başqa qısımlarına ve başqa şekillerge keçe. Saqlanuvnı körmek içün topçıqnıñ areketinde artıq körünmegen şeylerni de esapqa almaq kerek.
Energiya — cisimlerniñ vaziyetini ve olarnıñ bir-birine tesirini sayılarnen tasvirlemek, deñişmelerini takip etmek içün qullanğan fizikiy miqdardır. O, eşyalarnıñ içinde ayrı bir madde degil. Areket, Yernen tesirleşüv ve maddeniñ mikroskopik vaziyeti içün energiyanı farqlı usullarnen esaplaymız; neticelerni ortaq birim — coul, J ile qıyaslaymız. Riçard Feynmanniñ energiya aqqındaki lektsiyası bu añlamnıñ sayısal hususiyetini añlata.
Evvel sistemanıñ sıñırını belgileyik
Araştırğan şeyimizniñ etrafında bir sıñır tasavur eteyik. İçeride — sistema, tışarıda — onıñ etrafındaki muhit. Sıñır hayaliy ola bile: energiyanı esapqa almaq içün bir qutu qurmaq şart degil.
Yalnız topçıqnı baqsaq, Yer, ava, yip ve tayaq esaptan tışta qalır. Qol topçıqnı kötergende, saylanğan sistemanıñ içine energiya bere. Topçıq avanı itergende ise energiya ondan çıqa bile. Yer deñiştirilgende quvet tesirinen energiya berilüvine iş derler. Demek, ayrı bir cisimniñ energiya miqdarı er zaman aynı qalmağa mecbur degil.
Bizim salıncaq içün daa keniş sistemanı saylamaq qolaylı: topçıq, Yer, yip, tayaq ve etraftaki ava. Evvel tış dünya ile alış-veriş olğan şeylerniñ çoqu şimdi sistemanıñ içinde taqsimlanuv ola. Esapnı topçıqnı serbest bıraqqandan soñ başlaymız: qolnıñ bundan evvel yapqan işi başlanğıç energiya miqdarında artıq esapqa alınğan.
Balans qaidesi sadedir: sistema energiyasınıñ deñişmesi — kelgen energiyadan çıqqan energiyanı çıqarğanımızda qalğan miqdardır. Sistema izole etilgen olsa, yani etrafındaki muhitnen energiya alış-verişi yapmasa, onıñ umumiy energiyası aynı qala. Aqiqiy bir odada sıñırdan ses, şavlelenüv ya da areket etken ava taşığan energiya keçe bile; emiyetli olsalar, olarnı da esapqa almaq kerek. OpenStax: energiya alış-verişi ve termodinamikanıñ birinci qanunı.
Yükseklik tezliknen deñişe
Evvel hayalen asılğan noqtadaki sürtülmeni ve ava qarşılığını yoq eteyik. Yip yengil ve uzanmay, onıñ yuqarı ucu areketsizdir. Böyle ideal salıncaq bir protsessni başqasından ayırmağa yardım ete.
Köterilgen topçıq ve Yerniñ gravitatsion potentsial energiyası, topçıq aşağıda olğandaki alğa köre, daa büyüktir. Bu — olarnıñ bir-birine tesiriniñ energiyası; o, nisbetli yerleşüvlerine bağlı. Bu esapnıñ sıfırını yolnıñ eñ aşağı noqtasında saylayıq.
Topçıq yay boyunca tüşe ve çekim onı tezlete. Potentsial energiya azala, kinetik energiya, yani areket energiyası, arta. Aşağıda tezlik eñ büyüktir. Soñ topçıq başqa yandan köterile: kinetik energiya azala, potentsial energiya arta. Biz saylağan ideal şartlarda o, başlanğıç yüksekligine qaytır. OpenStax: sistemanıñ potentsial energiyası.
Kinetik ve potentsial energiyalarnıñ cemine mehanik energiya derler. İdeal salıncaqta bu cem aynı qala. Eñ yuqarı noqtada topçıq bir an içün areketsiz, amma onıñ mehanik energiyası sıfır degil: potentsial qısmı qala. Demek, areketniñ olmaması bile energiya yoq degeni degil.
Sürtülme energiyanı körüngen salınımdan ala
Avanı ve aqiqiy asılğan noqtanı qaytarayıq. Topçıq avanı areketke ketire, sürtülgen yerlerde ise madde deformatsiyalana ve tesirleşe. Salıncaqnıñ tertipli areketi energiyanı yavaş-yavaş pek çoq kiçik areket ve tesirleşüvge bere. Bir qısmı evvel sesniñ ya da ava aqımlarınıñ energiyası ola bile; soñ olar da tarqala.
İçki energiya, yani madde parçacıqlarınıñ mikroskopik areketleri ve tesirleşüvleriniñ energiyası, arta. Deñişme topçıq, tayaq ve ava arasında taqsimlene; qızuvnı qolnen duymaq içün o, pek kiçik ola bile. Mehanik salınımda daa az energiya qala, onıñ içün nevbetteki eñ yuqarı noqta daa alçaq olur. Umumiy energiyanıñ saqlanuvı onıñ mehanik qısmınıñ da saqlanuvını talap etmey.
Mında sözlerni doğru qullanmaq kerek. Sıcaqlıq — temperatura farqı sebebinden berilgen energiya; içki energiya ise sistemanıñ vaziyetini tasvirlegen saqlanğan miqdardır. Sürtülme başlanğıçta temperatura farqı olmasa bile mehanik protsessnen içki energiyanı artıra bile. Bundan soñ sıcaq tayaq daa salqın muhitke artıq sıcaqlıq alış-verişi yolu ile energiya bere bile. Künlük tildeki «energiya sıcaqlıqqa çevrildi» sözü añlaşılsa da, bu eki farqlı adımnı gizley.
Bu ayırmanıñ tecribe esası bar. Coul tecribelerinde aşağı tüşken yükler suv içindeki qanatçıqlarnı aylandıra, termometr ise suv temperaturasınıñ artqanını köstere edi. Mehanik protsess suvnıñ içki energiyasını deñiştire edi; suv başqa, daa sıcaq cisimden qızdırılmay edi. OpenStax: içki energiya, sıcaqlıq ve Coul tecribeleri.
Aşağıdaki eki keçişni qıyaslañız: ideal salıncaq ve mehanik energiya azayğan şartlı misal. Areketke ait parça azayğanda, bütün energiya şeritiniñ uzunlığı da azalamı? 0,70 ve 0,30 J qiymetleri balansnı añlatmaq içün mahsus saylanğan; bular aqiqiy salıncaqnıñ ölçevi ya da qarşılıq quvetiniñ esabı degil.
Başlanğıçtaki bir coul: o qayda keçe
Er tam şerit 1 J-ni köstere. Vaziyet sızmaları ölçekli degil.
Başlanğıç: yükseklikten bıraqamız
- Potentsial
- 1,00 J
- Kinetik
- 0,00 J
- İçki energiyanıñ artması
- 0,00 J
- Cemisi
- 1,00 J
Tezlik daa sıfırdır.
İdeal salıncaq: aşağıda
- Potentsial
- 0,00 J
- Kinetik
- 1,00 J
- İçki energiyanıñ artması
- 0,00 J
- Cemisi
- 1,00 J
Başlanğıç energiya areket energiyası oldı.
Qarşılıqnen: aşağıdan ilk keçiş
- Potentsial
- 0,00 J
- Kinetik
- 0,70 J
- İçki energiyanıñ artması
- 0,30 J
- Cemisi
- 1,00 J
Şartlı olaraq: 0,30 J artıq tarqalğan.
Qarşılıqnen: toqtağandan soñ
- Potentsial
- 0,00 J
- Kinetik
- 0,00 J
- İçki energiyanıñ artması
- 1,00 J
- Cemisi
- 1,00 J
Başlanğıç energiya içki energiyanıñ artması oldı.
Sistema: topçıq, Yer, yip, tayaq ve etraftaki ava. Bu sızmada energiya tış sıñırdan keçmey; ses ve ava aqımları artıq tarqalğan. Potentsial energiyanıñ sıfırı — aşağıda. Maddeniñ bütün energiyasını degil, bu başlatuv bergen qoşma energiya miqdarını kösteremiz.
0,70/0,30 — şartlı ögretici balans; ölçev ya da qarşılıq quvetini modelleştirme neticesi degil. Soñki kart qarşılıq olğan alğa aittir; ideal salıncaq toqtamay.
Soñki vaziyette topçıq aşağıda areketsiz, onıñ içün saylanğan sıfırğa nisbeten eki mehanik qısım da sıfırdır. Salınımnı başlatqan qoşma energiya sistemada içki energiyanıñ artması olaraq qaldı. Odanıñ başlanğıç içki energiyası sıfır edi demeymiz: şeritler yalnız bu başlatuvnen bağlı deñişmelerni köstere.
Dal · Formulalarnenİhtiyariy · keçirip ketmek mümkün
Bir başlatuv içün neni esaplamaq mümkün
Kütlesi m = 0,20 kg olğan topçıqnı eñ aşağı noqtadan tikley h = 0,50 m kötereyik. Yer yüzüne yaqın yerde serbest tüşüv tezlenüvini g ≈ 10 m/s² dep yuvarlayıq. Aşağı noqtasına nisbeten başlanğıç energiya miqdarı:
E_(0) = mgh; ≈ 0,20 ⋅ 10 ⋅ 0,50; = 1 J.
Bu yaqınlaşma Yerniñ radiusına köre kiçik yükseklikler içün yaray; planetalarara mesafege köterilüvni tasvirlemey. Feynman: yükseklik energiyası yaqınlaşmasınıñ sıñırları.
Kinetik energiya K = m(v)^(2)/2, mında v — odağa nisbeten tezlik. Sürtülme olmasa, aşağıda K = E_(0), ondan v = √(2gh) ≈ 3,2 m/s çıqa. Şartlı ekinci alda aşağıdan keçkenge qadar içki energiya artıq 0,30 J artqan. O zaman K = 1 − 0,30 = 0,70 J ve v = √(2K/m) ≈ 2,6 m/s. OpenStax: kinetik energiya ve onıñ birimleri.
Eki energiya formulası da kg·m²/s², yani coul birimini bere. Biz tezlikni berilgen balanstan çıqardıq, amma areketniñ ne qadar devam etkenini ya da qarşılıqnıñ tezlikke nasıl bağlı olğanını tapmadıq. İçki energiyağa berilgen qısım sıfır olsa, ideal netice qayta; bütün başlanğıç energiya berilse, areket içün bir şey qalmay. OpenStax: salıncaqqa energiya tarafından yanaşuv.
Dal · Terenrekİhtiyariy · keçirip ketmek mümkün
Saqlanğan energiyanı qullanmaq ne içün er zaman qolay degil
Köterilgen topçıqnı bıraqıp, birden körünir areket almaq mümkün. Aynı qoşma energiya odanıñ pek çoq parçacığı arasında taqsimlansa, bu areketni öz-özünden qayta başlatmay. Coul miqdarı aynı olsa da, faydalı iş almaq imkânı aynı degil.
Saqlanuv qanunı balansnı bere, amma özü bütün protsesslerniñ yönelişini belgilemey. Termodinamikanıñ ekinci qanunı daa bir sıñırlama qoşa: tsiklnen işleyp, yalnız bir menbadan sıcaqlıq alğan ve onıñ tamamını başqa iç bir deñişme olmadan işke çevirgen motor mümkün degil. Bu, içki energiyanı umumiyetle mehanik energiyağa çevirmege yasq qoymay; «bütün coullar qaldı» sözü faydalı areketni ğayıpsız qaytaruvnı vaade etmegenini añlata. OpenStax: ekinci qanunnıñ tarifleri.
Işıq da energiyanı sıñırdan taşıy bile
Energiya bermek içün cisimge toqunmaq ya da oña madde ketirmek şart degil. Küneş şavlelenüvi deyerlik boş feza içinden keçip, Yerge yetişe; yüz tarafından yutulğanda onıñ içki energiyasını artıra bile. Körüngen ışıq ve infraqırmızı şavlelenüv elektromagnit şavlelenüvge ait; onıñ tarqaluvı içün maddiy muhit kerek degil. OpenStax: şavlelenüvnen energiya berilüvi.
Bizim sistema yalnız aydınlatılğan eşya olsa, ışıq oña tışarıdan energiya ketire. Eşya tışarığa energiya şavlelendirse, onıñ energiya miqdarı azala bile. Salıncaq sızmasında bu alış-verişni esapqa almadıq; planetanıñ qızuvı ya da feza apparatınıñ suvuvı içün ise o, esas rol oynay bile.
Özüñizni teşkeriñiz: salıncaq başlatılğandan soñ energiyanıñ bir qısmı sesnen saylanğan odanıñ sıñırından tışarı ketti. Odanıñ içindeki energiyalarnıñ cemi aynı qalmağa mecburmı?
Yoq. Bu tasvirde oda etrafındaki muhitnen energiya alış-verişi yapa. Balansnı tamamlamaq içün ses dalğası alıp ketken energiyanı qoşmaq ya da sistemanı onı alğan muhitke qadar kenişletmek kerek. «Saqlana» sözü sıñırdan keçken aqımnı esapqa almamağa izin bermey.
Salıncaq toqtadı, çünki başlanğıç energiyası artıq onıñ körüngen salınım energiyası degil edi. Bir şey aqiqaten «yoq oldımı» dep teşkermek içün sistemanı adlandırmaq, energiyanıñ başqa şekillerini ve onıñ kelüv-ketüvini esapqa almaq kerek. Küneş sisteması misalinde em cisimlerniñ areketini, em de Küneş ışığınen energiya taşınuvını tapmaq mümkün. Kursnıñ devamında ışıqnıñ özüni ve onıñ tarqaluv tezligini baqarmız.