• Contribuție de Ed Vitz, John W. Moore, Justin Shorb, Xavier Prat-Resina, Tim Wendorff și Adam Hahn
  • ChemPRIME la Biblioteca digitală de educație chimică (ChemEd DL)

Energia este de obicei definită ca fiind capacitatea de a face muncă. De exemplu, când Usian Bolt a stabilit recordul mondial de 9,58 s în sprintul de 100 m (Berlin, 2009), a folosit energie pentru a-și accelera masa corporală de 86 kg (190 lb) la viteza maximă de aproximativ 12 m/s ( aproximativ 27 mph) la aproximativ 65 m. Este vorba despre cea mai rapidă viteză de rulare, realizată de Bolt, Maurice Greene și Donovan Bailey (1996). Timpul record al maratonului este de aproximativ 2 ore, 5 minute (aproximativ 12,77 mph) și timp de mile în jur de 4 minute (15 mph).

text text

Energiile implicate sunt surprinzătoare atunci când le privim în detaliu mai jos.

Energie kinetică

Energie kinetică este energie datorată mișcării și este reprezentată de Ek. Pentru pasărea care se deplasează în linie dreaptă, energia cinetică este jumătate din produsul masei și al pătratului vitezei:

  • \ (m \) este masa obiectului în kg
  • \ (u \) este viteza obiectului în m/s

Exemplu \ (\ PageIndex \): Energia cinetică a lui Usain Bolt

Calculați energia cinetică a lui Usain Bolt la viteza sa maximă de 27 mph (12 m s –1) dacă cântărește 86 kg.

\ (\ large E_ = \ frac m u ^ = \ frac \ times 86 \ text < kg>\ times (12 \ text < m>\ text< s>^) ^ = 6192 \ text< kg>\ text< m>^ \ text< s>^ \)

Colecția de unități kg m 2 s –2 primește denumirea Joule în sistemul SI după James Joule (vezi mai jos). Cu alte cuvinte, unitățile pentru energie sunt derivate din unitățile de bază SI kilogram pentru masă, metru pentru lungime și secundă pentru timp. O cantitate de căldură sau orice altă formă de energie poate fi exprimată în kilogram metru pătrat pe secundă pătrat.

Calorii

În viața de zi cu zi, măsurăm adesea energia în calorii și o raportăm la energiile alimentare. Caloria a fost definită ca energia necesară pentru a crește temperatura unui gram de apă de la 14,5 ° C la 15,5 ° C, dar acum este definită exact ca 4.184 J. „C” capitală în alimente Calorie indică faptul că aceasta este într-adevăr kilocalorii (1000 calorii = 1 Calorie). Știm că caloriile alimentare ne încălzesc corpul și ne permit să facem o muncă utilă (și poate să ne îngrășăm) și vom vedea cum sunt măsurate și consumate în următoarele secțiuni.

Energia din calorii datorată doar vitezei lui Bolt este \ (\ text \ times \ frac >> \ times \ frac >> = \ text \)

Deci, un corp de 86 kg are foarte puțină energie la 27 mph. De ce pare să folosească atâta energie pentru a rula atât de repede? Fiziologic. și fizică. detaliile au fost studiate pe larg. [1]

Cantitatea reală de energie cheltuită de Bolt într-o cursă de 100 km este de aproximativ 116 117 J (sau aproximativ 277 Cal). [2]. Aceasta include o cantitate minusculă pentru a depăși rezistența la vânt (posibil până la 0,020 Cal pentru cursă) [3], dar mai ales energia necesară pentru a mișca picioarele și brațele înainte și înapoi și alte mișcări și funcții ale corpului. In cele din urma, energie potențială este implicat.

Energie potențială

Energie potențială este energia care este stocată într-un corp prin creșterea în înălțime (în cazul lui Bolt când face un pas) sau prin alte mijloace. Deseori vine din separarea lucrurilor care atrag, cum ar fi corpul unui șurub și Pământul care îl atrage, sau prin tragerea magneților sau prin tragerea unui balon încărcat electrostatic dintr-un obiect încărcat opus de care s-a agățat.

Aproximativ 0,048 cal/s (200 wați) au fost probabil cheltuiți pentru mișcarea în sus și în jos a corpului lui Bolt.

Energia potențială este abreviată EP și energia potențială gravitațională se calculează după cum urmează:

  • \ (m \) este masa obiectului în kg
  • \ (g \) este constanta gravitațională, \ (9.8 \; m \, s ^ ​​2 \)
  • \ (h \) este înălțimea în \ (m \)

Observați că EP are aceleași unități, kg m 2 s –2 sau Joule ca energie cinetică.

Exemplu \ (\ PageIndex \): Energia potențială a lui Usain Bolt

Câtă energie potențială este stocată în corpul lui Bolt dacă își ridică centrul de masă cu 2,0 cm în fiecare pas?

\ (\ large E_

= mgh = 86 \ text \ times 9.8 \ text \ text ^ \ times 0.020 \ text = 17 \ text ^ 2 \ text ^ \)

Aceasta este 0,0041 Cal/pas, dacă cursa este de 100 de pași, un total de 0,41 Cal. Această energie ar putea veni în detrimentul energiei cinetice, necesitând alergătorului să încetinească sau ar putea fi furnizată prin procese metabolice.

Când încercăm să înțelegem energia unei rase în termeni de energie a corpului, raționamentul nostru depinde de legea conservării energiei, care afirmă că energia nu poate fi creată sau distrusă în condițiile obișnuite ale vieții de zi cu zi. Ori de câte ori pare să existe o creștere a energiei undeva, cum ar fi ridicarea centrului de masă al corpului, există o scădere corespunzătoare în altă parte, cum ar fi energia cinetică a corpului sau în energia chimică din alimente. Există în mod clar multe forme de energie.

Primele experimente atente pentru a determina cât de multă muncă a fost echivalentă cu o anumită cantitate de căldură au fost făcute de fizicianul englez James Joule (1818-1889) în anii 1840. Într-un experiment, Joule a conectat greutățile căzute printr-un sistem de scripete la o roată cu palete cufundată într-un recipient izolat de apă. Paletele în mișcare au transferat energia greutății în cădere în căldură turbulentă în apă. Acest lucru i-a permis lui Joule să compare schimbarea energiei termice a apei cu EP a greutăților și să înțeleagă cât de potențial era legat de energia termică.

Referințe

  1. Wagner, G. „Linia de 100 de metri: teorie și experiment”. Profesor de fizică, 36 (3), 1998, p. 144
  2. O. Helene, M. T. Yamashita, Am. J. Phys. 78, 307 (2010); http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0911/0911.1952v2.pdf
  3. Margaria, R. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology Volumul 25, numărul 4/decembrie, 1968, p 352-360; www.springerlink.com/content/mr85778772370374/
  4. O. Helene, M. T. Yamashita, Am. J. Phys. 78, 307 (2010); http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0911/0911.1952v2.pdf

Colaboratori și atribuții

Ed Vitz (Universitatea Kutztown), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Hope College), Xavier Prat-Resina (Universitatea din Minnesota Rochester), Tim Wendorff și Adam Hahn.