Биофизика
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
6;, mida teeb vimsus 1 kW he tunni = 3600 s jooksul. ks kWh = 1000 J s-1 x 3600 s = 3600000 J = 3600 kJ.
Energia on keha vime teha td.
Energiat on kahte liiki, liikuva keha kineetiline energia ja juvljas asuva keha potentsiaalne energia. Energia jvuse seadus on looduse phiseadus: Energia ei teki ega kao, vaid muundub hest vormist teise. Seega, looduses toimub kineetilise energia muundumine potentsiaalseks ja potentsiaalse energia muundumine kineetiliseks.
Liikuva keha kineetiline energia. Arvutame, kui palju td tuleb teha, et keha (massiga m) kiirust suurendada paigalseisust kuni vrtuseni v. See t moodustabki likuva keha kineetilise energia.
T=energia:
Kui suur aga on teepikkus s mille lpuks saavutatakse kiirus v? Kasutame seost (1.7)
, kust
Teades, et , asendame selle ja saame
Nd on selge, et
Kineetiline energia on vime teha td. Liikuva keha peatumisel vib ta enese ees lkata teist keha mjudes sellele juga ja tehes td. Kui auto sidab vastu puud, siis auto kineetiline energia liigutab plekke paigast ja murrab sitjate luid. Thelepanu, et auto kiiruse suurenemisel kaks korda suureneb kineetiline energia neli korda! Niisugustel deformeerivatel prgetel muutub kineetiline energia peamiselt molekulide soojusenergiaks. Kineetiline energia muutub potentsiaalseks energiaks kui liikuvat keha peatab juvli, niteks kui viskame kivi lespoole. Gravitatsioonivlja jud peatab lpuks kivi liikumise, kuid kivi kineetiline energia on muundunud tema potentsiaalseks energiaks. Sama juhtub elektronidega, kui nad saavad lisaks kineetilist energiat (niteks aatomite prgetel vi valguse neeldumisel): nad liiguvad tuumast kaugemale.
Juvljas asetseva keha potentsiaalne energia.Vaatleme esialgu gravitatsioonivlja maapinna lhedal. Arvutame, kui palju td tuleb teha keha (massiga m) tstmiseks krgusele h.
Gravitatsioonivli ja elektrivli on nn. potentsiaalsed vljad, kus keha potentsiaalse energia muutus sltub ainult alg-ja lppasukohast, mitte aga vahepealse liikumise trajektoorist. Tehtud t on sama, kskik millist rada mda liigutakse samade alg- ja lpp-punktide vahel. Vabal inertsel liikumisel juvljas (ilma vlismjudeta) potentsiaalne ja kineetiline energia pidevalt muunduvad teineteiseks, nii et summaarne energia on kogu aeg sama:
Niteks krguselt h kukkuva keha kiiruse leiame teades et kukkumise lpuks
, kust
lesvisatava kivi maksimaalkrguse vime samuti leida tema algenergia (algkiiruse) kaudu.
Kineetilise ja potentsiaalse energia muundumine toimub ka lihastets. Niteks vib teoreetiliselt arvutada, kui krgele saab hpata kirp, kelle kehas keskmine ATP kontsentratsioon on 0.1 mM, eeldades, et ATP keemiline energia kik muutub hppel kineetiliseks energiaks.
Eelmised lesanded on lihtsad, sest lesvisatud keha krgus muutub suhteliselt Maa raadiusega sedavrd vhe, et rakusjudu saab lugeda konstantseks. Kui aga kaugus muutub suhteliselt palju, niteks nagu kosmoselendudel, vi nagu elektroni kaugus muutub tuuma suhtes, siis ei saa ei gravitatsiooni- ega elektrivlja judu enam konstantseks lugeda vaid t (energia) arvutamisel tuleb arvestada, et jud muutub koos kaugusega.
Judude tasakaal, kiirus ja energia ringjoonelisel tiirlemisel.
Looduses asuvad kik kehad ksteise juvljades, suuremad kehad gravitatsioonivljas, vikeste kehade puhul on oluline elektrivli. Ometi ei kuku tmbuvad kehad ksteise peale, sest sellisel juhul oleks kogu Universum ammu kokku kukkunud, elektronid oleksid kukkunud aatomituumadesse ja planeedid nende Pikestesse. Loodust stabiliseerib see, et kehad tiirlevad ksteise mber, nii et kesktmbejud ja kesktukejud on vrdsed ja radiaalsuunalist kiirendust (judu) ei esine. Kasutades fsikast teadaolevaid valemeid gravitatsioonilise (elektrilise) kesktmbeju ja inertsiaalse kesktukeju kohta saab nende tasakaalutingimustest tuletada niteks kui suur on tiirleva keha potentsiaalne, kineetiline ja summaarne energia.
Mlemad, nii elektrivlja kui ka gravitatsioonivlja tugevus (mjuv jud) kirjelduvad he ja sellesama seadusega:
gravitatsioonivli: ja elektrivli:
kus m on keha mass, e on keha laeng (indeksid nitavad esimese ja teise keha oma eraldi), r on nendevaheline kaugus ka konstant k mrab seose kasutatava hikute ssteemiga. Kui masse mdetakse kilogrammides, siis gravitatsiooniju saamiseks Njuutonites omab gravitatsioonikonstant kg vrtust ????. Kui laenguid mdetakse Coulombides (Kulonites, C) siis elektrostaatilise tmbeju saamiseks Njuutonites elektrivljakonstant ke omab vrtust ????.
Muide, selles, et need konstandid ei oma vrtust 1, vljendub fsikalise mthikute ssteemi ajalooliselt kujunenud ebajrjekindlus. Ssteemselt ige oleks olnud massihikuks vtta niisugune mass, mis teist samasugust tmbab he pikkushiku kauguselt hikulise juga. Seesama hikuline jud aga peab andma hikulisele massile ka hikulise kiirenduse. Et see aga nii tuleks, peaks nii massi, pikkuse kui ajahikut vastavalt muutma. Praegused phihikud ei ole ldse seotud gravitatsiooniseadusega. Samasugune on lugu elektrilaenguhikutega. Formaalselt peaks laenguhik Coulomb (Kulon) olema defineeritud kui laeng mis tmbab teist samasuurt vastasmrgilist laengut pikkushiku kauguselt hikulise juga. Tegelikult on aga Coulomb defineeritud hoopis magnetvlja kaudu: Coulomb on laeng, mis liikudes he sekundi jooksul lbi 1 m pikkuse traadi mjutab teist samasugust traati, milles voolab niisama tugev vool, 1 m kauguselt juga 1 N. See definitsioon baseerub magnetvljal, mis on liikuvate laengute mber ruumis. Elektrivlja jud avaldub nd aga laltoodud kaliibrimiskonstandi kaudu.
Leiame keha (laengu) potentsiaalse energia tsentraalsmmeetrilises gravitatsiooni- (elektri-) vljas. Kuna jud on tugevasti kaugusest sltuv, siis tuleb kindlasti rakendada integreerimist. Laengu liikumisel elektrivljas vga lhikesel teepikkusel tehtud t on
kus liikumise teepikkust thistame seekod raadiuse (kugus tsentrist) muutusena dr. Kui laeng liigub raadiuselt r1 raadiusele r2, peame integreerima vastavates radades:
Valem nitab, et tsentraalsmmeetrilises elektrivljas liikudes muutub laengu potentsiaalne energia prdvrdeliselt kaugusega tsentrist. Analoogiline valem kehtib ka gravitatsioonivlja kohta, ainult et seal esinevad kahe laengu asemel kaks massi ja elektrivlja konstandi asemel gravitatsioonikonstant. Kui laeng liigub tsentrist eemale, siis r2>r1 ja negatiivne liige on viksem kui positiivne, seega siis potentsiaalne energia kasvab. Vastupidi, potentsiaalne energia kahaneb, kui laeng liigub tsentrile lhemale. Potentsiaalse energia nullnivoo on aga kokkuleppeline. See viks olla ks rmuslikest seisunditest, kas vi (lpmatus). Siiski, raadius ei saa olla null, sest siis lheneb energia lpmatusele, seega jb kokkuleppeliseks nulliks nivoo, kus laengud asetsevad teineteisest lpmatu kaugel. Lhenedes aga nende potentsiaalne energia kahaneb, seega muutub negatiivseks, ja lheneb miinus lpmatusele kui laengud kohtuvad. Niisugune potentsiaalse energia nullnivoo definitsioon, mis on hea elektronide ja tuumade vahelise mju kirjeldamiseks aatomites, on erinev igapevakogemusest gravitatsioonilise energiaga, kus nulliks loeme tavaliselt energia maapinnal ja energia loeme positiivselt kasvavaks kui keha maapinnast kaugeneb. Kui valemis ??? , st. elektron lheneb tuumale lpmatu kaugelt, siis tema potentsiaalne energia on alguses null ja kahaneb lpuks vrtusele
Kuna see energia kuhugi kaduda ei saa, siis muutub ta elektroni liikumise kineetiliseks energiaks, st., lhenedes tuumale elektron liigub kiirenevalt, nii nagu niteks asteroid liigub kiirenevalt lhenedes Maa pinnale. Vahe on siiski selles, et elektron ei lange kunagi tuumale, vaid jb tiirlema mingil kaugusel mber tuuma. Tiirlemise kaugus (raadius, on mratud sellega, millal elektriline tmbejud vrdub inertsiaalse kesktukejuga. Matemaatiliselt avaldub see tingimus jrgmiselt:
Selle valemi vasak pool on varasemast tuttav kesktukeju valem keha massiga m ringliikumisel joonkiirusega v