Почему чистая работа туриста, несущего 15-килограммовый рюкзак на высоту 10 метров, равна 0 Дж (Джанколи)?

Согласно учебнику физики Дугласа К. Джанколи, чистая работа, выполненная на 15 к г рюкзак поднят вверх 10 м туристом является 0 J, так как работа, проделанная туристом, 147 J, а работа силы тяжести равна − 147 Дж.

Но потенциальная энергия рюкзака увеличивается на 147 J, так что происходит? (если коротко)

Изменить: работа + / − 1470 Дж, не + / − 147 J, извините за эту ошибку. (хотя сути дела это не меняет).

Текущий вопрос по той же теме: physics.stackexchange.com/q/677889/123208
Несколько ответов объясняют, что работа не заканчивается в рюкзаке, а в гравитационном энергетическом поле. Примером для более интуитивного сравнения может быть движение двух объектов, связанных веревкой. Когда мы оттягиваем объекты друг от друга, энергия «оседает» на пружине, а не на объектах.
Какой учебник? «Физика: принципы с приложениями» ? "Физика для ученых и инженеров" ? "Физика для ученых и инженеров с современной физикой" ?
Кстати, если бы вы позаботились использовать формулировку Джанколи, вопрос выглядел бы менее абсурдным: его формулировка такова: «Проделанная чистая работа. (c) Чистая работа, выполненная над рюкзаком , равна W-net = 0». Обратите внимание на заметное отсутствие слова «путешественник» ;-): Как объяснено в моем ответе, путешественник, конечно , работает с рюкзаком. Этот вопрос рассматривается в разделе, предшествующем тому, который вы обсуждаете, и он точно сформулирован «Чтобы вычислить работу, проделанную туристом на рюкзаке»...

Ответы (7)

Но потенциальная энергия рюкзака увеличилась на 147 Дж, так что же происходит? (если коротко)

Положительная работа в 147 Дж, совершаемая туристом, передает энергию рюкзаку. Отрицательные -147 Дж работы силы тяжести забирают энергию, переданную туристом рюкзаку, и сохраняют ее в виде потенциальной гравитационной энергии (GPE) системы Земля-рюкзак. Тот факт, что чистая выполненная работа равна нулю, просто означает, что у рюкзака нет кинетической энергии после подъема его на 10 м.

Основополагающим принципом является теорема об энергии работы, которая утверждает, что чистая работа, совершаемая над объектом, равна изменению его кинетической энергии. Поскольку рюкзак, по-видимому, начинает свое движение в состоянии покоя и заканчивается в состоянии покоя после подъема на 10 м, его изменение КЕ равно нулю. Вся работа, проделанная туристом, заканчивается как GPE.

Надеюсь это поможет.

Спасибо за Ваш быстрый ответ. Но почему кинетическая энергия «принадлежит» рюкзаку, а не его потенциальная энергия? (его движение также относительно системы координат Земли, так что тоже не абсолютно) - И в целом, учитывая всю систему путешественника, рюкзака и Земли, химическая энергия была преобразована в ОЭГ (через работу мышц), так что я до сих пор не вижу, что чистая работа, проделанная здесь, равна нулю.
@FelixTritschler Хотя KE рюкзака относится к разным инерциальным системам отсчета (кадры, движущиеся с разными постоянными скоростями), он одинаков по отношению ко всем местоположениям в одной и той же инерциальной системе отсчета. Если рассматривать местоположения туристов как одну и ту же инерциальную систему отсчета, то независимо от того, стою ли я в начале подъема туристов, на 5 м выше или в конце подъема (10 м), любой отдельный объект, который я наблюдаю в движении из этих трех мест будет тот же КЭ. С другой стороны, GPE объекта будет разным для разных мест.
Что касается вашего второго пункта, я не уверен, к чему вы клоните. Но источник энергии туристов (химическая потенциальная энергия) не имеет значения с точки зрения теоремы о работе энергии и чистой работы, выполненной над объектом. Если вы рассматриваете путешественника, рюкзак и Землю как изолированную систему, то эта работа будет внутренней по отношению к системе. Никакая работа не будет выполняться в системе в целом, если она изолирована.
Что касается вашего первого комментария, на самом деле нет, ΔGPE будет одинаковым, независимо от положения наблюдателя. Что касается вашего второго комментария: рассмотрите 2 сценария: 1. с гравитацией (как и раньше), 2. без гравитации --> рюкзак летит со скоростью ~ 14 м / с после того, как его толкнули с силой ~ 147 Н на 10-метровом участке, в результате чего ΔKE = ΔGPE (в сценарии 1). В обоих случаях это результат преобразования одного и того же количества химической энергии в соответствующие формы энергии, но это не имеет значения для случая 1 и имеет значение для случая 2? Этого не может быть, не так ли? То же самое касается теплоты трения по сравнению с KE (другие комментарии). Thx в adv.
@FelixTritschler Во-первых, я не говорил Δ г п Е не такой же. Я сказал, что GPE не то же самое. GPE не имеет значения, если не назначено расположение нулевого GPE. КЭ не зависит от точки отсчета в той же инерциальной системе отсчета. Во-вторых, я не понимаю сценарий 2. Вы говорите, что гравитации нет, тогда вы говорите Δ К Е "=" Δ г п Е (???). В-третьих, поскольку я не понимаю вашего сценария 2, я не понимаю вашего утверждения о преобразовании химической потенциальной энергии. Безусловно, это может быть источник энергии для изменения КЭ объекта или для изменения ОЭТ.
Я также не понимаю, что вы подразумеваете под «то же самое касается теплоты трения по сравнению с KE». Я сделал все, что мог, чтобы ответить на ваши вопросы. Если для вас это неприемлемо, так тому и быть. Извините, но у меня больше нет времени на это тратить. Надеюсь, вы найдете то, что ищете.

Ключевое слово здесь — работа в сети .

Ранее в упражнении автор вычисляет работу (без «нетто»), проделанную туристом над рюкзаком, которая является ожидаемой величиной, зависящей от перепада высот и массы. Это то, что сделал турист.

Теперь о сети. Путешественник может засвидетельствовать, что сила тяжести — сука: она все время противодействовала силе туриста, воздействующей на рюкзак! Свидетельством тому является то, что рюкзак не разгонялся (если для простоты считать растяжку в середине похода). Нет чистых сил, нет изменения кинетической энергии.

Работа, проделанная путешественником, не оказалась в рюкзаке, она оказалась в гравитационном поле, в том, что ньютоновская физика называет «потенциальной энергией». Аналогичная ситуация возникла бы, если бы рабочий толкал коробку по цементному полу с постоянной скоростью. Они, безусловно, совершают работу, в том числе и в физическом смысле; но ни одна не попадает в ящик: силы на ящике нейтрализуют друг друга! Вся механическая работа превращается в теплоту.

Противоположным примером может быть тот же сценарий, но без гравитации: путешественник перемещает груз с постоянной силой F на некоторое расстояние s. Поскольку гравитации нет, у нас есть результирующая сила: она точно равна F, и вся она переходит в кинетическую энергию, которая равна просто F*s, если сила направлена ​​в направлении движения. (Поскольку у нас есть результирующая сила, рюкзак также все время ускоряется, в отличие от гравитационного сценария.)

Спасибо и за быстрый ответ. В дополнение к моему комментарию к ответу Боба я хотел бы сказать, что в случае ящика, толкаемого против силы трения, я также не понимаю, почему чистая работа будет равна нулю, потому что температура ящика и температуры пол увеличен.
@FelixTritschler: Питер не говорит, что общая чистая работа, проделанная человеком, толкающим коробку, будет равна нулю. Он говорит, что чистая работа, совершаемая «ящиком», равна нулю, потому что он движется с постоянной скоростью. Это различие также делает Джанколи.
@FelixTritschler Что касается вашего комментария здесь, чистая работа, проделанная над коробкой, толкая ее с постоянной скоростью против кинетической силы трения, равна нулю, потому что ее изменение в KE равно нулю. В этом случае, в отличие от гравитации, где равная отрицательная работа, которую она совершает, сохраняется как GPE, отрицательная работа, совершаемая кинетической силой трения, сохраняется как увеличение внутренней энергии материалов, трущихся друг о друга, повышая их температуру и впоследствии приводя к теплу. перенос в другие более прохладные места.
По сути, трение преобразует макроскопическую КЭ, которую получил бы ящик, в увеличение микроскопической КЭ, т. е. в увеличение КЭ молекул материалов.

Когда рюкзак несут вверх, результирующая сила, работа и изменение кинетической энергии равны нулю (как это было бы, если бы рюкзак несли вниз). Потенциальная энергия — это работа, которую может совершить поле (в одиночку) при перемещении объекта из его текущего положения в выбранное исходное положение. (Если рюкзак бросить обратно, изменение кинетической энергии будет эквивалентно работе, проделанной туристом, чтобы поднять его.)

Спасибо и вам за быстрый ответ. Я прокомментировал ответ Боба и Питера. В дополнение к этому вы на самом деле неявно сказали, с чем у меня здесь проблема: «Если бы пакет был брошен обратно, произошло бы изменение эквивалента кинетической энергии ...» - Это показывает, что энергия ящика увеличилась, поэтому чистая работа, проделанная заранее, не должна быть равна нулю. (!)

Теорема о работе и энергии гласит, что полная работа, совершенная над телом, равна изменению его кинетической энергии. Поскольку пачка начинается в состоянии покоя и заканчивается в состоянии покоя, над ней не совершается чистая работа. Общая сила на рюкзаке (подъемная сила за вычетом веса) была немного вверх в начале, чтобы он начал двигаться, и немного вниз вверху, чтобы остановить его движение.

Спасибо и вам за быстрый ответ. Я написал комментарии к некоторым другим ответам - обратите внимание, что я написал здесь о химической энергии, если вам интересно.

Гравитационная потенциальная энергия — это, по сути, другое название работы, совершаемой силой тяжести.

Таким образом, вы можете описать сценарий как

  • вы предоставляете энергию через работу, которая хранится в виде потенциальной энергии или в виде
  • вы выполняете работу, которая уравновешивается работой силы тяжести.

Чистая работа, то есть работа, проделанная всеми вовлеченными сторонами, действительно равна нулю в вашем случае, когда потенциальная энергия рассматривается как работа. Если вы не теряете энергию на нагрев и не ускоряете что-то (предполагается, что рюкзак движется с постоянной скоростью, я думаю), то это должно быть так из-за закона сохранения энергии. Вся поставляемая энергия была взята откуда-то еще.

Спасибо и вам за быстрый ответ. Я написал комментарии к некоторым другим ответам - обратите внимание, что я написал здесь о химической энергии, если вам интересно.

Хотел бы добавить, что вы можете понять эту ситуацию математически, моделируя систему мешка и Земли как неизолированную (для энергии).

Тогда сокращенное уравнение сохранения энергии дает:

Δ К + Δ U + Δ Е инт "=" ∑ Т → Δ К + Δ U г "=" Вт доб.

Теперь, предположив, что рюкзак останавливается после похода, мы должны иметь Δ К "=" 0 , а значит, и повышенная потенциальная энергия (гравитационная) системы сумка-Земля ( Δ U г "=" м г ( Δ у ) > 0 ) происходит от работы, проделанной путешественником над сумкой, которая является внешней по отношению к системе.

Если в качестве системы моделировать только сумку, то нет U г термин (поскольку нет взаимодействующих тел) и сохранение энергии сводится к знакомой работе - теореме о кинетической энергии .

Опять же, мы находим, что

Вт доб, нетто "=" Δ К "=" 0
что доказывает предположение в первом утверждении, а также дает смысл мешка, над которым не совершается чистая работа; мешок не получил дополнительной кинетической энергии.

Надеюсь это поможет.

Спасибо и за быстрый ответ. В дополнение к моим комментариям к приведенным выше ответам: ваше уравнение всей системы точно показывает то, что я вижу здесь проблематичным: учитывая всю систему (Земля, путешественник, рюкзак), химическая энергия была преобразована в потенциальную энергию (через мышечную работу). Первое не равно нулю, второе — ни то, ни другое, следовательно, чистая работа не должна быть равна нулю. (!)
Если вы моделируете систему как содержащую все три объекта, то система становится изолированной . Никакие внешние агенты не работают с сумкой, туристом или Землей! В этом случае уравнение сводится к Δ U г + Δ U химия "=" 0 . Как Δ U г > 0 , мы должны иметь Δ U химия < 0 , что имеет смысл; Увеличение гравитационной потенциальной энергии системы земляной мешок сопровождалось уменьшением химической потенциальной энергии туриста.

Я думаю, вы, вероятно, получили свой ответ из предыдущих. Я просто хочу добавить кое-что.

Потенциальная энергия системы изменяется только тогда, когда внутренние консервативные силы в системе совершают работу. В этом случае сила, прикладываемая человеком к мешку, не является консервативной, но консервативна сила гравитации между мешком и землей, что вызывает изменение потенциальной энергии мешка.

Δ U "=" − Вт с "=" − ∫ Ф → с . г с →

Почему чистая работа туриста, несущего 15-килограммовый рюкзак на высоту 10 метров, равна 0 Дж (Джанколи)?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v