Как возможно, что энергия, необходимая для остановки поезда, равна (химической) энергии в упаковке шоколадного печенья?

Сегодня мой друг сказал мне то, что полностью поразило меня.

Он сказал:

Энергия, необходимая для остановки поезда, равна энергии пачки печенья.

Как это возможно? Он прав? Я закончил понимать энергию, если он прав...

Если это кажется трудным для понимания, подумайте, как далеко может проехать тренированный велосипедист, съев только пачку печенья... (много-много километров) теперь упакуйте этот небольшой постоянный расход энергии в течение длительного периода времени в один короткий расход. энергии на более крупный объект.
Вероятно, важно различать калорийную энергию от пищеварения (не самый эффективный процесс) и энергию химических/ядерных связей (настолько эффективную, насколько это возможно). Если вы расщепите все химические связи в этих печеньях или, что еще лучше, расщепите сами атомы, я готов поспорить, что эффект будет гораздо более разрушительным, чем вы ожидаете. Однако, когда вы что-то перевариваете , вы редко взрываетесь (надеюсь).
Насколько вы уверены, что ваш друг говорил о химической энергии?
Этот вопрос неверен, поскольку подразумевает, что для остановки поезда требуется иное количество энергии, чем для его движения. В поезде реального мира энергия хранится в сжатом воздухе в тормозных цилиндрах, поэтому для его остановки нужно просто отпустить его - это не главное, это только отвлекает от сути.
@Agent_L: Как все это делает вопрос «неправильным»? Вы поднимаете то, о чем ОП даже не упоминал, а затем утверждаете, что «это не главное, и это только отвлекает от сути» ... ну да, и вы подняли это не ОП!
Пожалуйста, уточните - вы имеете в виду энергию, необходимую для торможения (которая не зависит от массы и скорости поезда, и вы даже можете утверждать, что она может быть равна нулю - поезд в конце концов остановится , если дорога прямая) ), или фактически остановить поезд (то есть -1 * кинетическая энергия поезда)? Тормоза, конечно, рассеивают кинетическую энергию, а не «добавляют» энергию, поэтому ваш вопрос немного сбивает с толку.
@LightnessRacesinOrbit Это неправильно, потому что позволяет ответить «нулевая энергия, просто откройте тормозную трубку».
@Agent_L: В первую очередь для [создания и] хранения этого сжатого воздуха требовалась энергия. В термодинамике не бывает бесплатных обедов. en.wikipedia.org/wiki/Второй_закон_термодинамики
Грубая правильность вашего утверждения подчеркивает две вещи: (1) мы, как теплокровные (гомеотермные) животные, используем много энергии для поддержания постоянной температуры наших тел, (2) энергию, используемую для преодоления сопротивления и трения во многих машинах. за несколько секунд сравнима с накопленной кинетической энергией этих машин. Таким образом, хотя кинетическая энергия поезда невелика по сравнению с энергией, которую мы можем извлечь из пачки печенья, мощность, используемая поездом для преодоления лобового сопротивления при скорость довольно быстро пережевывает это печенье. Однако, как и вы, я все еще нахожу такие значения удивительными.

Ответы (4)

В Великобритании упаковка печенья обычно весит 200 г и содержит около тысячи калорий или 4,2 МДж. Под содержанием я подразумеваю, что если бы печенье сгорело в кислороде, высвобожденная энергия составила бы около 4,2 МДж.

Если поезд имеет массу м и движется со скоростью в тогда его кинетическая энергия равна:

Т знак равно 1 2 м в 2

Приравнивая это к энергии печенья, мы находим:

в знак равно 8.4 × 10 6   Дж м

Поиск в Google предполагает, что вес поезда будет составлять от 100 до 1000 тонн в зависимости от типа поезда. Используя нижний рисунок, получаем в ≈ 9   м / с в то время как больший вес дает в ≈ 3   м / с .

Так что две энергии на самом деле сопоставимы (если это медленный поезд :-).

Но важно четко понимать, что мы имеем в виду, сравнивая энергии. Мы имеем в виду, что если мы поместим пачку печенья в горелку паровоза со 100 % КПД, то энергия, высвобождаемая при сжигании печенья, разгонит поезд до скорости, рассчитанной выше.

Было бы неплохо иметь единицы в этой последней формуле
приведенная здесь таблица подтверждает вашу оценку muller.lbl.gov/teaching/Physics10/PffP_textbook_F08/… . страница 4
На самом деле паровозы — довольно неэффективные звери. Но учитывая, что скрытая теплота водяного пара составляет около 2 МДж/кг, мы говорим здесь о кипении около 2 кг воды, объем которой при полном расширении составит около 3 кубических метров. Полный анализ более сложен и потребует определения параметров пара перед расширением, но этого, безусловно, достаточно для движения поезда (без трения). Дать печенье лошади или очень сильному мужчине и заставить его тянуть поезд, вероятно, немного эффективнее.
Паровые двигатели имеют однозначный процент эффективности.
@steveverrill: Было бы еще эффективнее использовать очень сильного и глупого мужчину и держать печенье вне его досягаемости.
Черт, теперь мне просто нужно пойти и купить шоколадное печенье.
@Joshua: Некоторые паровые двигатели были довольно эффективными, но паровозы были оптимизированы по мощности на единицу размера, а не по эффективности. Самые ранние паровые двигатели получали большую часть (а в некоторых случаях и всю) своей мощности за счет конденсации пара (чтобы снизить его давление ниже атмосферного), но при этом нельзя получить больше, чем атмосферу перепада давления, и конденсируя много пара быстро требует очень большой аппарат. Локомотивы выбрасывают пар, а не конденсируют его, а значит, они отказываются от большой части содержащейся в нем энергии, но можно легко выпустить огромное количество пара...
... с большей готовностью, чем можно сконденсировать даже гораздо меньшее количество. Стационарные паровые двигатели, используемые на фабриках и т. п., производили гораздо меньше энергии для своего размера, но могли работать гораздо эффективнее.
Что вы имеете в виду под "100% КПД паровоза"? Часто, когда мы говорим об эффективности тепловой машины, мы говорим о ее производительности по сравнению с двигателем, работающим по циклу Карно. Это не то же самое, что общее количество тепла, выделяемого при сгорании топлива.
@Joshua из en.wikipedia.org/wiki/Fossil-fuel_power_station Типичный тепловой КПД электрических генераторов коммунального масштаба составляет около 33% для угольных и мазутных электростанций. Возможны эффективные паровые циклы. Как суперкат, локомотивы никогда не оптимизировались с точки зрения эффективности. В частности, отсутствие трансмиссии полностью убивало эффективность при высоком крутящем моменте, например, при движении в гору: впускной клапан оставался открытым дольше, чтобы получить большее начальное давление, за счет гораздо более низких степеней расширения. Вот почему вы слышите очень громкий выхлоп при запуске паровоза, но гораздо тише на скорости.
Я не удивлен, что они получили лучшие возможности от электростанций. Железнодорожные локомотивы уже были контекстом.
Электростанции используют турбины. Может быть, кто-то построил паровоз с турбиной, но, насколько мне известно, все они были поршневыми двигателями.
«Гугление предполагает, что вес поезда будет от 100 до 1000 тонн в зависимости от типа поезда». Это очень зависит от страны: в Великобритании вы ищете 100 т для очень легкого местного пассажира, ~ 400 т для междугороднего пассажира и ~ 1200 т для тяжелого груза. В США тяжелый грузовой поезд может иметь более 1500 тонн локомотивов, тянущих за собой еще 10000+ тонн.
Для сравнения, американский грузовой поезд, загруженный грузом высокой плотности и движущийся с типичной скоростью на большие расстояния, может иметь кинетическую энергию около 2,8 ГДж, что достаточно для плавления двух тонн стали или эквивалентно примерно 100 кг печенья. .
Турбины @John Rennie менее эффективны, чем многоступенчатые (3+) взаимные соединения (которые могут легко конкурировать с любым современным дизелем при правильной эксплуатации).
@Mark Так что, действительно есть что-то, что вы могли бы сделать с пожизненным запасом шоколада Вонки? ...ммм... теперь я думаю о печенье.

Я считаю, что он ошибается , но не о количестве.

Из ответа @JohnRennie мы видим, что энергия печенья примерно равна кинетической энергии поезда , поэтому нам нужно такое количество энергии, чтобы разогнать поезд до этой скорости. Однако,

Энергия, чтобы остановить поезд...

Энергия или работа , необходимая для остановки поезда, обычно не равна кинетической энергии поезда. Е к , а может быть крайне мало. Редактировать: как отметили @kojiro и @Asher в комментариях, согласно теореме о работе и энергии, работа, проделанная в поезде, равна − Е к . Но я думаю, что это не отменяет рассуждения: земля не теряет энергии, совершая работу над поездом.

Например, мы можем столкнуть препятствие на своем пути: (Вид с неба)

                           (rock)
[  train  ][  train  ]>
                         | (rock)
                         |
                         |
              push this thing to the north

Теоретически нам нужна нулевая энергия , если земля не имеет трения. Вся кинетическая энергия поезда превращается в тепло.

На практике мы просто тормозим поезд. Торможение на быстром велосипеде не требует столько энергии от рук гонщика, верно?

В заключение, мы не можем рассчитать необходимую «энергию» по массе и скорости поезда.

Что мы можем оценить, так это импульс , необходимый для остановки поезда. импульс поезда уменьшается от м в к 0 , значит надо дать импульс Дж знак равно м в в обратном направлении.

Если земля не имеет трения, как остановить поезд?
@kojiro, например, земля под перекладиной не имеет трения, но земля под поездом и камнем имеет трение. Это всего лишь теоретический пример, показывающий, что необходимая энергия — это не кинетическая энергия поезда.
@ jingyu9575 Кодзиро считает, что общая энергия, необходимая для остановки поезда, не меняется. Если поезд останавливается из-за трения, значит, земля совершила над ним работу, для чего требуется энергия, равная начальной кинетической энергии поезда, независимо от источника
@kojiro: поставь холм на своем пути.
@ Ашер Да. Я сделал ошибку. Но я думаю, что это не отменяет рассуждения: земля не теряет энергии при совершении работы в поезде, потому что она остается неизменной после совершения работы.
@jingyu9575 и земля, и поезд нагреются, появятся царапины и трещины... Энергия все равно куда-то уходит.
Следует отметить, что может быть использовано рекуперативное торможение, при котором захватывается значительная часть (возможно, 50%) кинетической энергии. На самом деле, если бы «остановка поезда» состояла в переводе поезда на восходящий путь, вероятно, более 90% кинетической энергии можно было бы захватить в виде гравитационной потенциальной энергии.
@kojiro Если земля не имеет трения, как ты запустил поезд? ;)
@ jpmc26 Если земля не имеет трения, не используйте поезд. Вам нужен реактивный ранец (хотя используйте его горизонтально), чтобы начать и остановить.
@ jpmc26 поезд всегда двигался. ;)
«земля не теряет энергии при выполнении работы над поездом» — как это возможно? Земля массивна , поэтому я могу понять, что земля не теряет энергию в целом (хотя она может деформироваться), но, безусловно, количество доступной энергии земли изменится, если поезд тронется или остановится. Подобно тому, как гравитация передает энергию от планеты к космическому кораблю.
@Ellesedil Я взял землю за систему отсчета, поэтому у нее нет скорости. Помощь гравитации передает потенциальную энергию гравитации (гравитационного поля) в кинетическую энергию транспортного средства, но трение не имеет «потенциала» , поэтому единственный эффект заключается в том, что кинетическая энергия поезда превращается в тепло.

Энергия, необходимая для остановки поезда, - это энергия, необходимая для открытия клапана пневматического тормоза и выпуска воздуха из пневматической тормозной системы (по крайней мере, в поездах США). Трудно оценить количество энергии, необходимое для этого, но я предполагаю, что для поворота даже умеренно жесткого рычага потребуется значительно меньше одного килограмма на метр == 9,8 джоулей.

Кинетическая энергия поезда, конечно же, преобразуется в тепло за счет трения тормозных колодок о колеса. Это не влияет на уравнение.

Хорошо, я немного смущен. Разве пневматическая тормозная система в стиле Westinghouse (или концептуально эквивалентная вакуумная тормозная система) не является стандартом для поездов по всему миру?
Я не минусовал вас, но кажется, что это явно упускает из виду суть вопроса (может быть, нарочно). ОП спрашивает о кинетической энергии всего поезда, а не о том, сколько работы нужно приложить к органам управления , чтобы вызвать торможение.
@zwol - В вопросе говорится «энергия, необходимая для остановки поезда». Я не понимаю, как это можно прочитать, чтобы обозначить всю кинетическую энергию поезда.
Вы должны прочитать это таким образом, чтобы сравнение было содержательным и интересным.
@zwol - Я думаю, это более интересно, если рассматривать это как своего рода порхание на грани «эффекта бабочки» - очень небольшое количество энергии может контролировать то, что происходит с гораздо большим количеством энергии.

В своем превосходном ответе Джон Ренни приводит цифры. Если это кажется невероятным, более интуитивный подход, который показывает, что это примерно правильно, — взглянуть на соревнования по перетягиванию силачей.

https://www.youtube.com/watch?v=hP00VmKx_No показывает вам чувака, тянущего 150-тонный поезд. Он едет не особенно быстро, но все же двигается, может быть, скажем, 0,5 м/с? На сколько печенья он должен съесть больше, чем если бы он не двигал этот поезд?

Очевидно, что это невозможно сказать, но это явно ничто в лиге 10 упаковок. Это, вероятно, больше, чем одна упаковка. Глядя на это таким образом, вы интуитивно чувствуете, сколько энергии содержится в пачке печенья по сравнению с кинетической энергией движущегося поезда.

Но имейте в виду, что кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Большинство людей считает, что «движущийся поезд» движется со скоростью не менее 50 км/ч. Если позволить предположить исчезающе малую скорость, то и энергия будет исчезающе мала.
@HotLicks Верно. Но я смотрю только на оценку порядка 10. Этот ответ не пытается количественно определить, сколько энергии содержится в пачке печенья или в движущемся поезде, а просто правдоподобно, что цифры находятся на одном и том же уровне.
Учитывая эти критерии, я бы сказал, что вопрос, по сути, «не вопрос» (как интерпретируется вами и другими), поскольку это тавтология, пока уровни энергии превышают те, на которых правила квантовая механика.
Как возможно, что энергия, необходимая для остановки поезда, равна (химической) энергии в упаковке шоколадного печенья?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v