4.1: energia kinetyczna

energia kinetyczna w zderzeniach

aby uzyskać dalsze wgląd w pojęcie energii kinetycznej i sposobów, w jaki różni się ona od pędu, warto spojrzeć na nią w tym samym otoczeniu, w którym “odkryliśmy” pęd, a mianowicie w jednowymiarowych zderzeniach w układzie izolowanym. Jeśli przyjrzymy się ponownie zderzeniu przedstawionemu na rysunku 3.1.1 w Rozdziale 3, przedstawionym poniżej,

\

zauważ, że 1/18 + 4/9 = 9/18 = 1/2, i tak

\

w słowach znajdujemy, że w tym zderzeniu końcowa wartość całkowitej energii kinetycznej jest taka sama jak jej wartość początkowa, a więc wygląda na to, że “odkryliśmy” inną zachowaną ilość (oprócz pędu) dla tego układu.

to przekonanie może zostać wzmocnione, jeśli spojrzymy dalej na kolizję przedstawioną na rysunku 3.1.2 w Rozdziale 3, ponownie reprodukowanym poniżej. Przypomnijmy, zwróciłem wtedy uwagę, że możemy myśleć o tym jako o naprawdę takiej samej kolizji, jak pokazano na rysunku 3.1.1, tylko spojrzał z innego ramki odniesienia (jeden przesuwa się początkowo w prawo na 1 m / s). Będziemy mieli więcej do powiedzenia o tym, jak przekształcić ilości z ramki odniesienia do innego pod koniec rozdziału.

sytuacja jest jednak bardzo inna, gdy weźmiemy pod uwagę trzeci przykład kolizji pokazany w Rozdziale 3, a mianowicie ten, w którym dwa obiekty są sklejone razem po kolizji.

\

pokazuje to jednak, że w przeciwieństwie do całkowitego pędu układu, który nie ma wpływu na interakcje wewnętrzne, całkowita energia kinetyczna zależy od szczegółów interakcji, a tym samym przekazuje pewne informacje o jej naturze. Następnie możemy udoskonalić nasze badania zderzeń, aby rozróżnić dwa rodzaje: te, w których początkowa energia kinetyczna jest odzyskiwana po zderzeniu, które nazwiemy elastycznym, i te, w których nie jest, które nazwiemy nieelastycznym. Szczególnym przypadkiem kolizji nieelastycznej jest kolizja o nazwie totally nieelastic, w której dwa obiekty łączą się ze sobą, jak na rysunku \(\PageIndex{3}\). Jak zobaczymy później, “deficyt” energii kinetycznej jest w tym przypadku największy.

powiedziałem powyżej, że w zderzeniu sprężystym energia kinetyczna jest ” odzyskiwana “i wolę tę terminologię niż” konserwowana”, ponieważ w rzeczywistości, w przeciwieństwie do całkowitego pędu, całkowita energia kinetyczna układu nie pozostaje stała podczas interakcji, nawet podczas zderzenia sprężystego. Najprostszym przykładem, aby to pokazać, byłoby elastyczne zderzenie czołowe między dwoma obiektami o jednakowej masie, poruszającymi się z tą samą prędkością względem siebie. W trakcie kolizji oba obiekty zostają chwilowo zatrzymane, zanim odwrócą kierunek i odbiją się, a w tej chwili całkowita energia kinetyczna wynosi zero.

możesz również zbadać liczby \(\PageIndex{1}\) i \(\PageIndex{2}\) powyżej i obliczyć, na podstawie wykresów, wartość całkowitej energii kinetycznej podczas zderzenia. Zobaczysz, że spadnie do minimum, a następnie powróci do swojej wartości początkowej (patrz również rysunek \(\PageIndex{4}\), w dalszej części tego rozdziału). Konwencjonalnie możemy mówić o energii kinetycznej jako ” zachowywanej “w zderzeniach sprężystych, ale ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że patrzymy na inny rodzaj” zachowania ” niż to, co mieliśmy z całkowitym momentem pędu, który był stały przed, w trakcie i po interakcji, tak długo, jak układ pozostawał odizolowany.

zderzenia elastyczne sugerują, że niezależnie od ostatecznej natury tej rzeczy, którą nazywamy “energią”, możliwe jest jej Przechowywanie w jakiejś formie (w tym przypadku w trakcie zderzenia), a następnie odzyskanie jej, jako energii kinetycznej, ostatecznie. To toruje drogę do wprowadzenia innych rodzajów “energii” oprócz energii kinetycznej, jak zobaczymy w dalszej części rozdziału, i możliwość interkonwersji, aby mieć miejsce wśród tych rodzajów. Na razie powiemy po prostu, że w zderzeniu sprężystym pewna ilość energii kinetycznej jest tymczasowo przechowywana jako jakaś “energia wewnętrzna”, a po zderzeniu jest ona przekształcana z powrotem w energię kinetyczną; podczas gdy w zderzeniu nieelastycznym pewna ilość energii kinetycznej zostaje nieodwołalnie przekształcona w jakąś “energię wewnętrzną” i nigdy jej nie odzyskamy.

ponieważ wszystko, co się ostatecznie wydarzy, zależy od szczegółów i natury interakcji, będziemy zmuszeni do rozróżnienia między” konserwatywnymi “oddziaływaniami, w których energia kinetyczna jest odwracalnie przechowywana jako jakaś inna forma energii gdzieś, a” rozproszonymi ” oddziaływaniami, w których Konwersja energii jest, przynajmniej częściowo, nieodwracalna. Oczywiście zderzenia elastyczne są związane z oddziaływaniami zachowawczymi, a zderzenia nieelastyczne są związane z oddziaływaniami rozpraszającymi. Ta wstępna klasyfikacja interakcji będzie jednak musiała zostać nieco dokładniej przeanalizowana w następnym rozdziale.