Kuna füüsika on uurimus, kuidas aine ja energia voolavad, siisenergia jäävuse seaduson põhiidee, et selgitada kõike, mida füüsik uurib, ja viisi, kuidas ta seda uurib.
Füüsika ei tähenda üksuste või võrrandite pähe õppimist, vaid raamistikku, mis reguleerib kõigi osakeste käitumist, isegi kui sarnasused pole silmapilgul ilmsed.
Termodünaamika esimene seaduson selle energia säästmise seaduse ümbersõnastus soojusenergia osas:siseenergiasüsteem peab olema võrdne kogu süsteemiga tehtud tööga pluss või miinus süsteemi sisse või välja voolav soojus.
Teine füüsikas tuntud konserveerimispõhimõte on massi jäävuse seadus; nagu avastate, on need kaks looduskaitseseadust - ja teid tutvustatakse ka siin kahele teisele - tihedamalt seotud kui silma peal (või aju).
Newtoni liikumisseadused
Igasugune universaalsete füüsikaliste põhimõtete uurimine peaks olema tagatud kolme põhilise liikumisseaduse ülevaatega, mille Isaac Newton sadu aastaid tagasi vormi lõi. Need on:
- Esimene liikumisseadus (inertsiseadus):Pideva kiirusega objekt (või puhkeseisundis, kus v = 0) jääb sellesse olekusse, kui selle häirimiseks ei toimi tasakaalustamata väline jõud.
- Teine liikumisseadus:Netojõud (Fvõrk) toimib objektide kiirendamiseks massiga (m). Kiirendus (a) on kiiruse (v) muutumise kiirus.
- Kolmas liikumisseadus:Iga looduses oleva jõu jaoks on olemas suuruselt võrdne ja vastupidine jõud.
Konserveeritud kogused füüsikas
Füüsika alalhoidmise seadused kehtivad matemaatilise täiuslikkuse kohta ainult tõeliselt isoleeritud süsteemides. Igapäevaelus on selliseid stsenaariume harva. Neli konserveeritud kogust onmass, energia, hoogjanurgeline hoog. Neist kolm viimast kuuluvad mehaanika reguleerimisalasse.
Masson lihtsalt millegi mateeria kogus ja korrutatuna gravitatsiooni tõttu kohaliku kiirendusega on tulemuseks kaal. Massi ei saa nullist enam hävitada ega luua kui energiat.
Hoogon objekti massi ja selle kiiruse (m · korrutis)v). Kahe või enama põrkuva osakese süsteemis kogu süsteemi impulss (indiviidi summa) objektide momendid) ei muutu kunagi seni, kuni pole hõõrdekadusid ega koostoimeid välistega kehad.
Nurga hoog (L) on lihtsalt pööratava objekti telje impulss ja võrdub m ·v · r, kus r on kaugus objektist pöörlemisteljeni.
Energiailmub mitmel kujul, mõned neist on kasulikumad kui teised. Kuumus - vorm, kus kogu energia on lõplikult määratud eksisteerima, on selle kasuliku töö saavutamiseks kõige vähem kasulik ja on tavaliselt toode.
Energiasäästu seaduse võib kirjutada:
KE + PE + IE = E
kus KE =kineetiline energia= (1/2) mv2, PE =potentsiaalne energia(võrdne mgh, kui raskusjõud on ainus mõjuv jõud, kuid mida näeb muudes vormides), IE = siseenergia ja E = koguenergia = konstant.
- Isoleeritud süsteemides võib nende piirides mehaaniline energia muunduda soojusenergiaks; saate määratleda "süsteemiks" mis tahes valitud seadistuse, kui võite olla kindel selle füüsilistes omadustes. See ei riku energiaseaduse säilitamist.
Energia muundamine ja energia vormid
Kogu universumis olev energia tekkis Suurest Paugust ja see kogu energiahulk ei saa muutuda. Selle asemel jälgime energia muutuvaid vorme kineetilisest energiast (liikumisenergiast) soojusenergiani, alates keemilisest energiast kuni elektrienergiani, gravitatsioonipotentsiaalist kuni mehaanilise energiani ja nii edasi.
Näited energia ülekandest
Soojus on eriline energialiik (soojusenergia) selle poolest, et nagu märgitud, on see inimestele vähem kasulik kui muud vormid.
See tähendab, et kui osa süsteemi energiast on muundatud soojuseks, ei saa seda ilma täiendava töö sisestamiseta nii lihtsalt kasulikumale vormile tagasi viia, mis võtab täiendavat energiat.
Meeletu hulk kiirgavat energiat, mida päike igal sekundil välja laseb, ei saa seda kunagi taastada ega taaskasutada püsiv testament sellest reaalsusest, mis kogu galaktikas ja universumis pidevalt areneb tervikuna. Osa sellest energiast on "hõivatud" Maa bioloogilistes protsessides, sealhulgas fotosünteesis aastal - taimed, kes valmistavad ise toitu ning pakuvad loomadele ja bakteritele toitu (energiat) ning nii edasi.
Seda saab haarata ka inimtehnika toodetega, näiteks päikesepatareidega.
Energiasäästu jälgimine
Keskkooli füüsikaõpilased kasutavad tavaliselt sektordiagramme või tulpdiagramme, et näidata uuritava süsteemi koguenergiat ja jälgida selle muutusi.
Kuna piruka energia kogus (või ribade kõrguste summa) ei saa muutuda, on erinevus viilud või ribakategooriad näitavad, kui palju kogu antud energia kogu energiast on ühes või teises energiavormis.
Stsenaariumi korral võidakse nende muudatuste jälgimiseks kuvada erinevates punktides erinevaid graafikuid. Näiteks pange tähele, et soojusenergia hulk peaaegu alati suureneb, moodustades enamikul juhtudel jäätmeid.
Näiteks kui viskate palli 45-kraadise nurga alla, on algselt kogu selle energia kineetiline (kuna h = 0) ja siis selles punktis, kus pall jõuab kõrgeima punktini, on tema potentsiaalne energia koguenergia osakaaluna kõrgeim.
Nii tõustes kui ka hiljem langedes muundub osa energiast soojuseks hõõrdejõudude mõjul õhk, nii et KE + PE ei püsi kogu selle stsenaariumi korral konstantsena, vaid väheneb, samal ajal kui koguenergia E jääb konstantseks.
(Lisage energiamuutusi jälgivate diagrammide sektsiooni- / tulpdiagrammidega näited
Kinemaatika näide: vaba kukkumine
Kui hoiate 1,5 kg kaaluvat bowlingupalli 100 m (umbes 30 korrust) kõrgusel katuselt, saate selle potentsiaalse energia välja arvutada, arvestades, etg = 9,8 m / s2ja PE = mgh:
(1,5 \ tekst {kg}) (100 \ tekst {m}) (9,8 \ tekst {m / s} ^ 2) = 1 470 \ tekst {džauli (J)}
Kui vabastate palli, suureneb selle nullkineetiline energia palli kukkumisel ja kiirendamisel üha kiiremini. Sel hetkel, kui see maapinnale jõuab, peab KE olema võrdne probleemi alguse PE väärtusega ehk 1470 J. Praegusel hetkel,
KE = 1470 = \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} (1,5) v ^ 2
Eeldades, et hõõrdumisest tulenev energiakadu puudub, võimaldab mehaanilise energia säästmine arvutadav, mis osutub44,3 m / s.
Aga Einstein?
Füüsikaõpilased võivad kuulsad segadusse ajadamass-energia võrrand (E = mc2), küsides, kas see rikubenergia säästmine(võimassi säilitamine), kuna see tähendab, et massi saab muundada energiaks ja vastupidi.
See ei riku tegelikult kumbagi seadust, sest see näitab, et mass ja energia on tegelikult sama asja erinevad vormid. See on umbes nagu mõõtmine erinevates ühikutes, arvestades klassikalise ja kvantmehaanika olukordade erinevaid nõudmisi.
Universumi kuumasurmas on termodünaamika kolmanda seaduse kohaselt kogu aine muundatud soojusenergiaks. Kui see energia muundamine on lõpule jõudnud, ei saa enam teisendusi toimuda, vähemalt mitte ilma teise hüpoteetilise ainsuse sündmuseta nagu Suur Pauk.
Igavene liikumismasin?
"Igavene liikumismasin" (nt pendel, mis kõigub sama ajaga ja pühib, et aeglustumist ei toimuks) Maal on võimatu õhutakistuse ja sellega seotud energiakadude tõttu. Gizmo jätkamiseks oleks vaja mingil hetkel sisendit välisele tööle, lüües sellega eesmärgi.