Робота і кінетична енергія

Робота і кінетична енергія

Виконувати певну роботу може не тільки підняте над Землею чи пружно деформоване тіло, а й рухоме тіло. Пригадуєте, як в тому ж мультфільмі «Ну, постривай!» вовк, рухаючись за катером на водяних лижах, так сильно розігнався, що за інерцією вилетів на сушу, легко зруйнував огорожу, подолав інші перешкоди. До того ж треба врахувати, що коли вовк рухався по суші, він виконував велику роботу на подолання сил тертя лиж по піску. Усяке рухоме тіло виконує роботу, долаючи різні перешкоди, тобто всяке рухоме тіло має енергію руху або кінетичну енергію.
Мірою кінетичної енергії тіла є та робота, яку дане рухоме тіло може виконати, доки не вичерпається його запас енергії, тобто поки тіло не зупиниться. Від чого залежить значення кінетичної енергії тіла? Звернемося знову до прикладів. Куля, випущена з рушниці, може легко пробити товсту дошку, металеву пластинку, товстий шар грунту, тобто виконати значну роботу. Якщо ж цю кулю кинути просто рукою, куля не проб'є навіть лист паперу. Отже, чим більша швидкість тіла, тим більшу роботу воно може виконати, тобто має більшу кінетичну енергію. Або ще приклад.

Останнім часом струмина води все частіше використовується на виробництві для різання металів, гірських порід тощо. Тонка струмина води, що виривається з отвору під величезним тиском зі швидкістю 1000 м/ с перетворюється в дуже гостре лезо, яке легко пробиває металеву пластину значної товщини, легко ріже граніт. У разі величезної швидкості руху частинки води мають таку кінетичну енергію, що можуть легко виконувати значну роботу із руйнування міцних матеріалів. Таким чином, ми прийшли до висновку, що кінетична енергія тіла істотно залежить від швидкості його руху. Неважко також переконатися, що кінетична енергія рухомого тіла залежить і від його маси. Гарматний снаряд здатний долати значно більші опори, ніж випущена з такою самою швидкістю з рушниці куля. Цікаво ілюструє залежність кінетичної енергії тіла від його маси кінозаставка дитячих мультфільмів. Пригадуєте, як звірятка мчать дивитися по телевізору мультфільми, але невдаха вовк застряває в дверях і не пропускає їх у приміщення. Даремно маленькі ведмежатка намагаються проштовхнути вовка. Але ось налітає бегемот і без видимих зусиль проштовхує вовка в двері. Якою великою може бути кінетична енергія тіл великої маси, які до того ж рухаються з великою швидкістю, наочно доводять катастрофи, які трапляються під час зіткнення автомобілів, аварій на залізничному транспорті тощо.

Отже, кінетична енергія рухомого тіла тим більша, чим більша його маса і чим швидше воно рухається. Значення кінетичної енергії тіла ви можете обчислити за формулою Eк= mv2/2; де m— маса, тіла, а v — його швидкість. Із цієї формули легко побачити, як істотно залежить кінетична енергія тіла від його швидкості: у разі збільшення швидкості тіла в 5 раз його кінетична енергія зростає в 25 раз. На виконання роботи рухоме тіло затрачає свою енергію; якщо остання не поповнюється якимось чином, то швидкість тіла зменшується і тіло врешті-решт зупиняється. Тіло, яке дістало поштовх у горизонтальному напрямі, хоча й продовжує рухатися за інерцією, рухається все повільніше і, нарешті, зупиняється. Воно продовжувало б рухатися безупинно лише в тому — уявному—випадку, коли б на шляху не було ніяких опорів, на подолання яких йому доводиться затрачати надану поштовхом енергію. Із шкільного курсу фізики VII класу ви знаєте, що будь-який рух є відносним, тобто швидкість руху тіла різна відносно різних тіл. Наприклад, швидкість автомобіля відносно придорожного стовпа не дорівнює його швидкості відносно другого автомобіля, який з такою самою швидкістю рухається по шосе в тому ж самому напрямі. Ін¬шою буде ця швидкість відносно третього автомобіля, який мчить назустріч. Але якщо це так, то кінетична енергія тіла — величина відносна, тобто кінетична енергія тіла є різною відносно різних тіл. Припустимо, що залізницею мчить товарний поїзд, на платформах якого закріплено легкові автомобілі. Якщо через m позначимо масу автомобіля, а через V швидкість руху поїзда, то дістанемо, що відносно поверхні Землі (рейок) автомобілі мають кінетичну енергію Eк= mv2/2. Відносно ж платформи вони перебувають у спокої, і кінетична енергія автомобіля відносно платформи дорівнює нулю. Відносність кінетичної енергії тіла проявляєть¬ся в грі у футбол. Якщо захисник біжить назустріч посланому форвардом м'ячу, то кінетична енергія м'яча відносно захисника буде значною і досить відчутним буде удар м'яча. Дещо меншу кінетичну енергію має м'яч відносно захисника, який стоїть на шляху польоту м'яча, і відповідно слабшим буде удар м'яча. Отже, кінетична енергія тіла, як і потенціальна,— величина відносна. У різних рухомих системах відліку кінетична енергія набуває різних значень. При цьому істотну роль мають лише зміни кінетичної енергії, бо проявляються вони у вигляді роботи в будь-якій системі відліку.