Способы сохранения механической энергии

Способы сохранения энергии

Основным камнем преткновения в развитии электротранспорта и альтернативной энергетики на сегодняшний день является стоимость систем накопления и сохранения энергии. Рассмотрим основные виды, классификацию и перспективы развития этих систем.

Накопление потенциальной энергии

Направление абсолютно не перспективное, очень затратное и громоздкое. К примеру подъём груза на определённую высоту. Однако на практике нашло применение – из известных это Акуловский гидроузел, построенный с помощью бесплатной рабочей силы в подмосковье. Во времена становления советской власти один талантливый инженер разработал эту систему, которая работает по сегодняшний день, основной смысл- сезонный перелив воды в сети водоёмов, мощность ГЭС 150кВт

Накопление кинетической энергии

— Энергия маятника

Практического применения нет, исключение настольные сувениры

— Энергия маховика

Этот вид сохранения энергии имеет право на жизнь и прорабатывается изобретателями и энтузиастами. Основное направление развития – супермаховики, перспективное, но пока очень дорогое из-за особенностей применяемых материалов. Основное отличие от обычных маховиков – наличие зон упругой деформации, которые позволяют накапливать энергию без увеличения скорости вращения. Интересны в этом плане работы Нурбея Владимировича Гулиа.

— Энергия сил упругости

Этот вид сохранения энергии приемлем в небольших механизмах. Самым распространённым таким механизмом можно назвать механические часы – ручные настенные и т.д. При заводе, энергия сохраняется за счёт скручивания спиральной пружины.

Накопление тепловой энергии

Очень перспективный, а главное актуальный на сегодняшний день вид накопления энергии. Связано это с рядом причин. Во-первых, тепло довольно востребовано в быту, во-вторых у устройств, забирающих тепло из природной среды, довольно высокий КПД. Данный вид очень широко используется на практике в виде бойлеров, буферных теплоаккумуляторов и т.д. Отдельные энтузиасты строят и модифицируют целые бассейны теплоаккумуляторов, очень бюджетное решение проблемы накопления тепла. На рынке довольно большой ассортимент недорогих теплоизолирующих материалов и гидроплёнок.

Накопление энергии фазовых переходов.

Практического применения этот вид накопления пока не нашел. Системы аккумулирования тепловой энергии, основанные на использовании теплоты фазового перехода, активно исследуются, но многие из них в настоящее время находятся еще на стадии разработки. Их главными преимуществами являются высокая тепловая емкость, постоянная рабочая температура и низкое давление; недостатками — невысокая стабильность большинства ТАМов с фазовым переходом и усложнение конструкции теплового аккумулятора, необходимость решения проблемы теплообмена с аккумулирующей средой.

Накопление электрической энергии

Самым распространённым накопителем электрической энергии конечно же является обычный химический аккумулятор, который имеет много разновидностей и очень активно используется во всех сферах деятельности человечества. Накопление происходит за счёт химической реакции. Технологии аккумулирования постоянно совершенствуются, появляются новые решения с увеличением удельной емкости и срока службы. На сегодняшний день это самый удобный и активно развивающийся вид накопления энергии. Отдельно хочется отметить развитие направления суперконденсаторов, работающих по принципу накопления электрического заряда за счёт развитой поверхности электродов с применением графена. Пока достойных результатов, способных конкурировать с химическими АКБ по стоимости и удельной емкости, нет. Для примера, серийная сборка ёмкостью 18 Вт\ч весит 5.1 кг и имеет габариты 416 × 67 × 176 мм. Но перспектива у этого направления конечно же хорошая. Из преимуществ — очень большой срок службы порядка 500 000 циклов и практически мгновенная перекачка энергии. Есть у суперконденсаторов один недостаток по сравнению с хим. АКБ — у них широкий диапазон рабочего напряжения – от МАХ до 0, поэтому для питания нагрузки необходимо использование сильноточных преобразователей, слава богу сегодня это уже не проблема – большой ассортимент силовых ключей MOSFET и IGBT справится с этой проблемой на ура.

Источник

Способы сохранения механической энергии

Раздел ОГЭ по физике: 1.18. Механическая энергия. Закон сохранения механической энергии. Формула для закона сохранения механической энергии в отсутствие сил трения. Превращение механической энергии при наличии силы трения.

1. Энергия тела – физическая величина, показывающая работу, которую может совершить рассматриваемое тело (за любое, в том числе неограниченное время наблюдения). Тело, совершающее положительную работу, теряет часть своей энергии. Если же положительная работа совершается над телом, энергия тела увеличивается. Для отрицательной работы – наоборот.

• Энергией называют физическую величину, которая характеризует способность тела или системы взаимодействующих тел совершить работу.
• Единица энергии в СИ 1 Джоуль (Дж).

2. Кинетической энергией называется энеpгия движущихся тел. Под движением тела следует понимать не только перемещение в пространстве, но и вращение тела. Кинетическая энергия тем больше, чем больше масса тела и скорость его движения (перемещения в пространстве и/или вращения). Кинетическая энеpгия зависит от тела, по отношению к которому измеряют скорость рассматриваемого тела.

• Кинетическая энергия Е_к тела массой m, движущегося со скоростью v, определяется по формуле Е_к =mv 2 /2

3. Потенциальной энергией называется энергия взаимодействующих тел или частей тела. Различают потенциальную энергию тел, находящихся под действием силы тяжести, силы упругости, архимедовой силы. Любая потенциальная энергия зависит от силы взаимодействия и расстояния между взаимодействующими телами (или частями тела). Потенциальная энергия отсчитывается от условного нулевого уровня.

• Потенциальной энергией обладают, например, груз, поднятый над поверхностью Земли, и сжатая пружина.
• Потенциальная энергия поднятого груза Е_п = mgh .
• Кинетическая энергия может превращаться в потенциальную, и обратно.

4. Механической энергией тела называют сумму его кинетической и потенциальной энергий. Поэтому механическая энеpгия любого тела зависит от выбора тела, по отношению к которому измеряют скорость рассматриваемого тела, а также от выбора условных нулевых уровней для всех разновидностей имеющихся у тела потенциальных энергий.

• Механическая энергия характеризует способность тела или системы тел совершить работу вследствие изменения скорости тела или взаимного положения взаимодействующих тел.

5. Внутренней энергией называется такая энергия тела, за счёт которой может совершаться механическая работа, не вызывая убыли механической энергии этого тела. Внутренняя энеpгия не зависит от механической энергии тела и зависит от строения тела и его состояния.

6. Закон сохранения и превращения энергии гласит, что энеpгия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает; она лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому.

• Закон сохранения механической энергии: если между телами системы действуют только силы тяготения и силы упругости, то сумма кинетической и потенциальной энергии остается неизменной, то есть механическая энергия сохраняется.

Таблица «Механическая энергия. Закон сохранения энергии».

7. Изменение механической энергии системы тел в общем случае равно сумме работы внешних по отношению к системе тел и работы внутренних сил трения и сопротивления: ΔW = А_внешн + А_диссип

Если система тел замкнута (А_внешн = 0), то ΔW = А_диссип, то есть полная механическая энергия системы тел меняется только за счёт работы внутренних диссипативных сил системы (сил трения).

Если система тел консервативна (то есть отсутствуют силы трения и сопротивления А_тр = 0), то ΔW = А_внешн, то есть полная механическая энергия системы тел меняется только за счёт работы внешних по отношению к системе сил.

8. Закон сохранения механической энергии: В замкнутой и консервативной системе тел полная механическая энергия сохраняется: ΔW = 0 или W_п1 + W_к1 = W_п2 + W_к2 . Применим законы сохранения импульса и энергии к основным моделям столкновений тел.

• Абсолютно неупругий удар (удар, при котором тела движутся после столкновения вместе, с одинаковой скоростью). Импульс системы тел сохраняется, а полная механическая энергия не сохраняется:

• Абсолютно упругий удар (удар, при котором сохраняется механическая энергия системы). Сохраняются и импульс системы тел, и полная механическая энергия:

Удар, при котором тела до соударения движутся по прямой, проходящей через их центры масс, называется центральным ударом.

Схема «Механическая энергия.
Закон сохранения энергии. Углубленный уровень«

Конспект урока по физике «Механическая энергия. Закон сохранения энергии». Выберите дальнейшие действия:

Источник

Закон сохранения механической энергии

При имеющейся замкнутой механической системе тела взаимодействуют посредством сил тяготения и упругости, тогда их работа равняется изменению потенциальной энергии тел с противоположным знаком:

A = – ( E р 2 – E р 1 ) .

Следуя из теоремы о кинетической энергии, формула работы примет вид

A = E k 2 — E k 1 .

Отсюда следует, что

E k 2 — E k 1 = – ( E р 2 – E р 1 ) или E k 1 + E p 1 = E k 2 + E p 2 .

Кинетическая и потенциальная энергии

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.

Данное утверждение выражает закон сохранения энергии в замкнутой системе и в механических процессах, являющийся следствием законов Ньютона.

Сумма E = E k + E p — это полная механическая энергия.

Закон сохранения энергии выполняется при взаимодействии сил с потенциальными энергиями в замкнутой системе.

Примером применения такого закона служит нахождение минимальной прочности легкой нерастяжимой нити, которая удерживает тесло с массой m , вращая его вертикально относительно плоскости (задачи Гюйгенса). Подробное решение изображено на рисунке 1 . 20 . 1 .

Рисунок 1 . 20 . 1 . К задаче Гюйгенса, где F → принимается за силу натяжения нити в нижней точке траектории.

Запись закона сохранения полной энергии в верхней и нижней точках принимает вид

m v 1 2 2 = m v 2 2 2 + m g 2 l .

F → располагается перпендикулярно скорости тела, отсюда следует вывод, что она не совершает работу.

Если скорость вращения минимальная, то натяжение нити верхней точке равняется нулю, значит, центростремительное ускорение может быть сообщено только при помощи силы тяжести. Тогда

Исходя из соотношений, получаем

v 1 m i n 2 = 5 g l .

Создание центростремительного ускорения производится силами F → и m g → с противоположными направлениями относительно друг друга. Тогда формула запишется:

m v 1 2 2 = F — m g .

Можно сделать вывод, что при минимальной скорости тела в верхней точке натяжение нити будет равняться по модулю значению F = 6 m g .

Очевидно, что прочность нити обязана превышать значение.

С помощью закона сохранения энергии посредством формулы можно получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории, не используя анализ закона движения тела во всех промежуточных точках. Данный закон позволяет заметно упрощать решение задач.

Реальные условия для движущихся тел предполагают действия сил тяготения, упругости, трения и сопротивления данной среды. Работа силы трения зависит от длины пути, поэтому она не является консервативной.

Закон сохранения превращения энергии

Между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, тогда механическая энергия не сохраняется, ее часть переходит во внутреннюю. Любые физические взаимодействия не провоцируют возникновение или исчезновение энергии. Она переходит из одной формы в другую. Данный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Следствием является утверждение о невозможности создания вечного двигателя (perpetuum mobile) – машины, которая совершала бы работу и не расходовала энергию.

Рисунок 1 . 20 . 2 . Проект вечного двигателя. Почему данная машина не будет работать?

Существует большое количество таких проектов. Они не имеют право на существование, так как при расчетах отчетливо видны одни ошибки конструкций всего прибора, другие замаскированы. Попытки реализовать такую машину тщетны, так как они противоречат закону сохранения и превращения энергии, поэтому нахождение формулы не даст результатов.

Источник