ΕΝΑ ελαστική δυναμική ενέργεια είναι ένα είδος δυναμική ενέργεια συνδέεται με τις ελαστικές ιδιότητες των υλικών, των οποίων η συμπίεση ή η ελαστικότητα είναι ικανή να παράγει την κίνηση των σωμάτων. Η μονάδα μέτρησής του είναι το Joule και μπορεί να υπολογιστεί από το γινόμενο μεταξύ της ελαστικής σταθεράς και του τετραγώνου της παραμόρφωσης που υφίσταται το ελαστικό αντικείμενο, διαιρούμενο με δύο.
Μάθετε περισσότερα: Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια — μια μορφή δυναμικής ενέργειας που απαιτεί την αλληλεπίδραση ηλεκτρικών φορτίων
Σύνοψη ελαστικής δυναμικής ενέργειας
ΕΝΑ ενέργεια Το ελαστικό δυναμικό είναι μια μορφή δυναμικής ενέργειας που σχετίζεται με την παραμόρφωση και την επιμήκυνση ελαστικών σωμάτων.
Ο τύπος υπολογισμού του έχει ως εξής:
\(E_{pel}=\frac{k\cdot x^2}2\)
Μπορεί επίσης να υπολογιστεί από τον τύπο που συσχετίζει την ελαστική δυναμική ενέργεια με την ελαστική δύναμη:
\(E_{pel}=\frac{F_{pel}\cdot x}2\)
Στο φυσικός, η ενέργεια διατηρείται πάντα, δεν παράγεται ή καταστρέφεται ποτέ.
Είναι δυνατός ο μετασχηματισμός της ελαστικής δυναμικής ενέργειας σε βαρυτική δυναμική ενέργεια ή/και κινητική ενέργεια.
Η ελαστική δυναμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια πιο αργά από ότι η βαρυτική δυναμική ενέργεια.
Η βαρυτική δυναμική ενέργεια σχετίζεται με τη διακύμανση του ύψους των σωμάτων που βρίσκονται σε μια περιοχή με βαρυτικό πεδίο.
Τι είναι η ελαστική δυναμική ενέργεια;
Η ελαστική δυναμική ενέργεια είναι ένας φυσική ποσότητα απολέπιση που σχετίζεται με τη δράση που παράγεται από ελαστικά υλικά ή ευέλικτο σε άλλα σώματα. Παραδείγματα ελαστικών ή εύκαμπτων υλικών είναι ελατήρια, λάστιχα, ελαστικά. Είναι μια από τις μορφές δυναμικής ενέργειας, όπως ακριβώς και η βαρυτική δυναμική ενέργεια.
Σύμφωνα με το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (ΣΙ), μονάδα μέτρησής του είναι το τζάουλ, που αντιπροσωπεύεται από την επιστολή J.
Αυτή είναι ευθέως ανάλογη με την ελαστική σταθερά και την παραμόρφωση που υφίστανται τα ελαστικά αντικείμενα, επομένως, όσο αυξάνονται, αυξάνεται και η ελαστική δυναμική ενέργεια.
Τύποι ελαστικής δυναμικής ενέργειας
→ Ελαστική δυναμική ενέργεια
\(E_{pel}=\frac{k\cdot x^2}2\)
\(E_{pel}\) → ελαστική δυναμική ενέργεια, μετρημένη σε Joules \([J]\).
κ → ελαστική σταθερά, μετρημένη σε Newton ανά μέτρο \([N/m]\).
Χ → παραμόρφωση του αντικειμένου, μετρημένη σε μέτρα\([Μ]\).
Παράδειγμα:
Προσδιορίστε την ελαστική δυναμική ενέργεια σε ένα ελατήριο που καταπονείται κατά 0,5 m γνωρίζοντας ότι η σταθερά του ελατηρίου είναι 200 N/m.
Ανάλυση:
Θα υπολογίσουμε την ελαστική δυναμική ενέργεια χρησιμοποιώντας τον τύπο της:
\(E_{pel}=\frac{k\cdot x^2}2\)
\(E_{pel}=\frac{200\cdot 0,5^2}2\)
\(E_{pel}=\frac{200\cdot 0,25}2\)
\(E_{pel}=25\ J\)
Η ελαστική δυναμική ενέργεια είναι 25 Joules.
→ Ελαστική δυναμική ενέργεια που σχετίζεται με την ελαστική δύναμη
\(E_{pel}=\frac{F_{pel}\cdot x}2\)
\(E_{pel}\) → ελαστική δυναμική ενέργεια, μετρημένη σε Joules \([J]\).
\(Χολή}\) → ελαστική δύναμη, δηλαδή η δύναμη που ασκεί το ελατήριο, μετρημένη σε Newton \([N]\).
Χ → παραμόρφωση του αντικειμένου, μετρημένη σε μέτρα \([Μ]\).
Παράδειγμα:
Ποια είναι η ελαστική δυναμική ενέργεια σε ένα ελατήριο που καταπονείται κατά 2,0 cm όταν υποβάλλεται σε δύναμη 100 N;
Ανάλυση:
Πρώτα θα μετατρέψουμε την παραμόρφωση από εκατοστά σε μέτρα:
20 cm = 0,2 m
Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε την ελαστική δυναμική ενέργεια με τον τύπο που τη συσχετίζει ελαστική δύναμη:
\(E_{pel}=\frac{F_{pel}\cdot x}2\)
\(E_{pel}=\frac{100\cdot0,2}2\)
\(E_{pel}=10\ J\)
Η ελαστική δυναμική ενέργεια είναι 10 Joules.
Εφαρμογές ελαστικής δυναμικής ενέργειας
Οι εφαρμογές της ελαστικής δυναμικής ενέργειας αναφέρονται κυρίως στη μετατροπή του σε άλλες μορφές ενέργειας ή στην αποθήκευση κινητικής ενέργειας. Παρακάτω θα δούμε μερικά καθημερινά παραδείγματα των εφαρμογών του.
Οι προφυλακτήρες αυτοκινήτων είναι σχεδιασμένοι να παραμορφώνονται όταν υφίστανται κρούση, αποθηκεύοντας τη μέγιστη ποσότητα κινητικής ενέργειας και μετατρέποντάς την σε ελαστική δυναμική ενέργεια.
Στο τραμπολίνο, έχουμε την παραμόρφωση των ελατηρίων και του ελαστικού υλικού, προκαλώντας μια ενέργεια ελαστικό δυναμικό που αργότερα θα μετατραπεί σε κινητική και δυναμική ενέργεια βαρυτική.
Ορισμένα αθλητικά παπούτσια διαθέτουν ελατήρια που μειώνουν την κρούση που υφίσταται η κίνηση, στην οποία η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ελαστική δυναμική ενέργεια.
Μετασχηματισμός ελαστικής δυναμικής ενέργειας
Η ελαστική δυναμική ενέργεια υπακούει στην αρχή της διατήρησης της ενέργειας, στην οποία η ενέργεια διατηρείται πάντα και δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Λόγω αυτού, αυτή μπορεί να μετατραπεί σε άλλες μορφές ενέργειας, όπως π.χ κινητική ενέργεια και/ή βαρυτική δυναμική ενέργεια.
Όπως βλέπουμε στην παρακάτω εικόνα, το ελατήριο αρχικά συμπιέζεται, αλλά όταν απελευθερώνεται αποκτά κίνηση λόγω της μετατροπής της ελαστικής δυναμικής ενέργειας σε κινητική.
Διαβάστε επίσης: Διατήρηση ηλεκτρικού φορτίου — η αδυναμία δημιουργίας ή καταστροφής φορτίων
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της ελαστικής δυναμικής ενέργειας
Η ελαστική δυναμική ενέργεια έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα:
Πλεονέκτημα: μειώνει την επίδραση που προκαλείται από την κίνηση.
Μειονέκτημα: μετατρέπει την ενέργεια αργά σε σύγκριση με τη βαρυτική δυναμική ενέργεια.
Διαφορές μεταξύ ελαστικής δυναμικής ενέργειας και βαρυτικής δυναμικής ενέργειας
Η ελαστική δυναμική ενέργεια και η βαρυτική δυναμική ενέργεια είναι μορφές δυναμικής ενέργειας που σχετίζονται με διαφορετικές πτυχές.
Ελαστική δυναμική ενέργεια: σχετίζεται με τη δράση ελατηρίων και ελαστικών αντικειμένων στα σώματα.
Βαρυτική δυναμική ενέργεια: σχετίζεται με τη διακύμανση του ύψους των σωμάτων που βρίσκονται σε μια περιοχή με βαρυτικό πεδίο.
Λυμένες ασκήσεις για την ελαστική δυναμική ενέργεια
ερώτηση 1
(Enem) Τα αυτοκίνητα-παιχνίδια μπορεί να είναι πολλών τύπων. Ανάμεσά τους υπάρχουν και σχοινιού, στα οποία συμπιέζεται ένα ελατήριο μέσα όταν το παιδί τραβάει το καρότσι προς τα πίσω. Όταν απελευθερωθεί, το καρότσι αρχίζει να κινείται ενώ το ελατήριο επανέρχεται στο αρχικό του σχήμα. Η διαδικασία μετατροπής ενέργειας που πραγματοποιείται στο καλάθι που περιγράφεται επαληθεύεται επίσης σε:
Α) ένα δυναμό.
Β) ένα φρένο αυτοκινήτου.
Γ) μηχανή εσωτερικής καύσης.
Δ) υδροηλεκτρικό εργοστάσιο.
Ε) μια σφεντόνα (σφεντόνα).
Ανάλυση:
Εναλλακτική Ε
Στη σφεντόνα, η ελαστική δυναμική ενέργεια από το ελατήριο μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια, προκαλώντας την απελευθέρωση του αντικειμένου.
Ερώτηση 2
(Fatec) Ένα μπλοκ μάζας 0,60 kg πέφτει από την ηρεμία στο σημείο Α σε μια τροχιά στο κατακόρυφο επίπεδο. Το σημείο Α βρίσκεται 2,0 m πάνω από τη βάση του στίβου, όπου στερεώνεται ένα ελατήριο σταθεράς ελατηρίου 150 N/m. Οι επιπτώσεις της τριβής είναι αμελητέες και υιοθετούμε \(g=10m/s^2\). Η μέγιστη συμπίεση ελατηρίου είναι, σε μέτρα:
Α) 0,80
Β) 0,40
Γ) 0,20
Δ) 0,10
Ε) 0,05
Ανάλυση:
Εναλλακτική Β
Θα χρησιμοποιήσουμε το θεώρημα του διατήρηση της μηχανικής ενέργειας για να βρείτε την τιμή της μέγιστης συμπίεσης που υφίσταται το ελατήριο:
\(E_{m\ πριν}=E_{m\ after}\)
ΕΝΑ μηχανική ενέργεια είναι το άθροισμα της κινητικής και της δυνητικής ενέργειας, άρα:
\(E_{c\ πριν από}+E_{p\ πριν}=E_{c\ after}+E_{p\ after}\)
Όπου δυναμική ενέργεια είναι το άθροισμα της ελαστικής δυναμικής ενέργειας και της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας. Έχουμε λοιπόν:
\(E_{c\ πριν από}+E_{pel\ πριν από}+E_{σελ. πριν}=E_{c\ after}+E_{pel\ after}+E_{pg\ after}\)
Εφόσον, σε αυτή την περίπτωση, έχουμε βαρυτική δυναμική ενέργεια που μετατρέπεται σε ελαστική δυναμική ενέργεια, τότε:
\(E_{σελ.\ πριν}=E_{pel\ after}\)
Αντικαθιστώντας τους αντίστοιχους τύπους τους, παίρνουμε:
\(m\cdot g\cdot h=\frac{k\cdot x^2}2\)
\(0,6\cdot 10\cdot 2=\frac{150\cdot x^2}2\)
\(12=75\cdot x^2\)
\(x^2=\frac{12}{75}\)
\(x^2=0,16\)
\(x=\sqrt{0,16}\)
\(x=0,4\m\)
Από την Pamella Raphaella Melo
Καθηγητής Φυσικής
Πηγή: Σχολείο Βραζιλίας - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-elastica.htm