درس ۱ · صفحهٔ ۵۳ تا ۵۵ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی
۳ـ۱ انرژی جنبشی
در این درس یاد میگیری انرژی جنبشی را با رابطۀ و یکاهای درست حساب کنی، اثر جرم و تندی را بر آن توضیح بدهی و انرژی جنبشی اجسام را بدون توجه به جهت حرکتشان مقایسه کنی.
پیش از شروع
دو خودروی یکسان در حرکتاند؛ تندی یکی دو برابر دیگری است. آیا انرژی جنبشی آن هم فقط دو برابر است؟
نه؛ خودروی تندتر چهار برابر انرژی جنبشی دارد! دلیلش این است که انرژی جنبشی با مربع تندی تغییر میکند، نه با خود تندی.
انرژیِ حرکت
انرژیِ حرکت
توپی را تصور کن که روی زمین قل میخورد. این توپ به دلیل حرکتش انرژی دارد؛ به این انرژی، انرژی جنبشی میگوییم. خودروی در حال حرکت، پرندۀ در حال پرواز و حتی قطرۀ بارانِ در حال افتادن هم انرژی جنبشی دارند.
حالا همان توپ را در نظر بگیر که آرامآرام کند میشود و سرانجام روی زمین میایستد. وقتی توپ ساکن است، دیگر انرژیِ وابسته به حرکت ندارد؛ پس انرژی جنبشی آن صفر است.
دقت کن: صفر بودن انرژی جنبشی به معنی نداشتن هیچ نوع انرژی نیست؛ فقط میگوید جسم حرکت نمیکند. پس برای تشخیص داشتن انرژی جنبشی، از خودت بپرس: «آیا این جسم در حال حرکت است؟»
کتاب درسی، صفحهٔ ۵۴
جرم و تندی چه اثری دارند؟
جرم و تندی چه اثری دارند؟
برای فهمیدن اثر جرم و تندی، از رابطۀ انرژی جنبشی کمک میگیریم:
در این رابطه، انرژی جنبشی، جرم و تندی جسم است. به تفاوت مهم جرم و تندی دقت کن: جرم به توان یک رسیده، اما تندی به توان دو!
اگر تندی ثابت بماند، دو برابر شدن جرم، انرژی جنبشی را دو برابر میکند. مثلاً چرخدستیِ پُر، در تندی یکسان، انرژی جنبشی بیشتری از همان چرخدستیِ خالی دارد.
اگر جرم ثابت بماند، دو برابر شدن تندی، انرژی جنبشی را چهار برابر میکند؛ چون ضریب تغییر تندی هم به توان دو میرسد. پس پاسخ پرسش آغاز درس روشن شد: خودروی یکسان با تندی دو برابر، انرژی جنبشیِ چهار برابر دارد، نه دو برابر.
برای مقایسه، هر بار بپرس: «جرم چند برابر شده؟ مربع تندی چند برابر شده؟» اثر این دو را باید در هم ضرب کنی.
کتاب درسی، صفحهٔ ۵۴
اول یکاها، بعد محاسبه
اول یکاها، بعد محاسبه
فرض کن تندی یک خودرو را از روی سرعتسنج میخوانی. این تندی معمولاً برحسب است؛ اما نمیتوانیم همان عدد را مستقیم در رابطۀ انرژی جنبشی بگذاریم و انتظار پاسخ برحسب ژول داشته باشیم!
برای استفاده از رابطۀ ، اول یکاها را آماده کن:
- جرم باید برحسب کیلوگرم، یعنی باشد.
- تندی باید برحسب متر بر ثانیه، یعنی باشد.
برای تبدیل تندی از به ، عدد تندی را بر تقسیم کن؛ چون هر کیلومتر متر و هر ساعت ثانیه است. اول تندی را تبدیل کن، بعد آن را به توان دو برسان.
با این یکاها، یکای پاسخ چنین میشود:
پس ژول نام کوتاه همین یکای ترکیبی است. پیش از هر محاسبه، یک نگاه به یکاهای دادهها بینداز؛ این کار جلوی یک خطای رایج را میگیرد.
کتاب درسی، صفحهٔ ۵۴
جهت حرکت مهم نیست
جهت حرکت مهم نیست
دو توپ یکسان را تصور کن که یکی به سمت راست و دیگری به سمت چپ حرکت میکند. اگر تندی آنها برابر باشد، انرژی جنبشیشان هم برابر است؛ مخالف بودن جهت حرکت، انرژی جنبشی را منفی نمیکند.
انرژی جنبشی کمیتی نردهای است؛ یعنی جهت ندارد. در رابطۀ فقط جرم و تندی حضور دارند، نه جهت حرکت. پس حرکت رو به بالا، پایین یا در مسیری مایل، بهخودیخود باعث تفاوت انرژی جنبشی نمیشود.
برای مقایسۀ چند جسم، لازم نیست همیشه انرژی هرکدام را جداگانه حساب کنی. چون ضریب برای همه یکسان است، کافی است حاصلضرب جرم در مربع تندی، یعنی ، را مقایسه کنی. مراقب باش بزرگی پیکان جهت حرکت حواست را از جرم و تندی پرت نکند!
کتاب درسی، صفحهٔ ۵۴
مثال حلشده
جرم خودرویی همراه با رانندهاش است. اگر خودرو با تندی حرکت کند، انرژی جنبشی آن چند ژول است؟
دادهها را مشخص میکنیم: و . جرم یکای مناسب دارد، ولی تندی باید تبدیل شود.
تندی را به متر بر ثانیه تبدیل میکنیم: .
رابطۀ انرژی جنبشی را مینویسیم: .
جایگذاری میکنیم و ابتدا مربع تندی را حساب میکنیم: .
نکات مهم
- انرژی جنبشی، انرژی وابسته به حرکت است و برای جسم ساکن صفر میشود، نه اینکه جسم ساکن هیچ نوع انرژی نداشته باشد.
- در رابطۀ ، انرژی جنبشی با جرم نسبت مستقیم و با تندی نسبت مربعی دارد و به جهت حرکت وابسته نیست.
- برای محاسبۀ انرژی جنبشی برحسب ، جرم را برحسب و تندی را برحسب جایگذاری میکنیم.