Arbeit zu Fuß auf fahrendem Zug erledigt

Manchmal wird die interne chemische Energie eines Systems in mechanische Energie und thermische Energie umgewandelt, ohne dass äußere Kräfte am System Arbeit verrichten. Zum Beispiel haben wir zu Beginn dieses Abschnitts die Energieumwandlungen beschrieben, die stattfinden, wenn Sie mit dem Laufen beginnen. Um sich vorwärts zu bewegen, drückst du den Boden nach hinten und der Boden drückt mit einer statischen Reibungskraft auf dich. Diese Kraft bewirkt, dass Sie beschleunigen, aber es funktioniert nicht. Es funktioniert nicht, weil die Verschiebung des Kraftangriffspunkts Null ist (vorausgesetzt, Ihre Schuhe rutschen nicht auf dem Boden). Da keine Arbeit geleistet wird, wird keine Energie vom Boden auf Ihren Körper übertragen. Die Zunahme der kinetischen Energie Ihres Körpers kommt von der Umwandlung chemischer Energie, die aus der Nahrung stammt, die Sie essen.

Wenn wir also auf dem Boden gehen, funktioniert Reibung nicht, sondern sorgt nur für Halt, damit unsere chemische Energie in kinetische Energie umgewandelt werden kann.

Aber nehmen wir an, ich gehe vorwärts / beschleunige auf einem fahrenden Zug, wobei sich der Zug mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Und draußen sitzt ein Beobachter, der das beobachtet. Sie würden sehen, dass Reibung im Verhältnis zum Boden positive Arbeit an mir bewirkt?

Der Zug fährt mit konstanter Geschwindigkeit. Die Energie, die die Person gewinnt, stammt aus innerer Energie, wie chemische potentielle Energie. Warum sieht es also so aus, als ob Reibung vom Zug an der Person Arbeit verrichtet? Ich bin verwirrt, was sehe ich. Das ergibt für mich keinen Sinn.

Bearbeiten / Bild soll die Frage zu "Funktioniert Reibung beim Gehen" beenden. Bei dieser Frage geht es nicht darum. Ich versuche zu verstehen, wie in einem Frame, sagen wir Gehen, Reibung nicht funktioniert, aber in einem anderen Frame scheint es so zu sein. Vielleicht verwirre ich nur Referenzrahmen ... nicht sicher

Kevin, das fühlt sich an wie ein Deja Vu. Sind wir diesen Weg schon einmal gegangen?
Kevin, bitte orten Sie Ihre Quelle für das Zitat in Ihrer Antwort. Außerdem sind Bilder nicht für alle Benutzer zugänglich. Ich habe das Textbild, das Sie dieses Mal hatten, getippt, aber stellen Sie in Zukunft bitte sicher, dass Sie den Text tippen und Ihre Quellen angeben.

Antworten (2)

Aber nehmen wir an, ich gehe vorwärts / beschleunige auf einem fahrenden Zug, trainiere mit konstanter Geschwindigkeit. Und draußen sitzt ein Beobachter, der das beobachtet. Sie würden sehen, dass Reibung im Verhältnis zum Boden positive Arbeit an mir bewirkt?

Das ist richtig. Die Macht, P , einer Kontaktkraft, F → , wird durch gegeben P = F → ⋅ v → Wo v → ist die Geschwindigkeit des Materials am Kontaktpunkt. Seit F → geht in die gleiche richtung wie v → Die Kraft ist positiv, was bedeutet, dass positive Arbeit an der Person geleistet wird.

Der Zug fährt ständig. Die Energie, die die Person gewinnt, kommt von innen. Warum sieht es also so aus, als ob Reibung vom Zug an der Person Arbeit verrichtet? Ich bin verwirrt, was sehe ich. Das ergibt für mich keinen Sinn

Tatsächlich kommt nicht die gesamte Energie, die die Person gewinnt, aus der inneren Energie im Bodenrahmen. Unter der Annahme einer vollkommen effizienten Umwandlung von chemischer potentieller Energie in mechanische Energie ist die Menge an mechanischer Energie, die (im Grundrahmen) von der Person gewonnen wird, größer als die Menge an chemischer Energie, die verloren geht (was eine Galilei-Invariante ist). Der Unterschied ist genau die positive Arbeit, die von der Kontaktkraft geleistet wird.

Nach Newtons 3. Gesetz wirkt auf den Zug eine gleiche und entgegengesetzte Kontaktkraft. Diese Kraft ist in die entgegengesetzte Richtung von v → im Zug wird also negative Arbeit geleistet. Da der Zug mit konstanter Geschwindigkeit fährt, bedeutet dies, dass sein Motor (wenig überraschend) Strom liefern muss.

Die von der Person gewonnene mechanische Energie stammt also sowohl aus der internen Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie als auch aus der Energie des Zuges durch die Arbeit, die die Reibungskraft in diesem Rahmen verrichtet. Um dies quantitativ zu sehen, ist es hilfreich, ein vereinfachtes Beispiel zu betrachten, z. B. eine Feder oder ähnliches.

Dale, also ist die Reibungsarbeit einer Person, die auf dem Boden geht, null? Ich möchte nur bestätigen, dass Sie damit einverstanden sind. Nun, wenn Sie sich diesen Fall ansehen, ja, die Person gewinnt immer noch Energie durch ihre Muskeln und so, aber Sie sagen wirklich, dass der Zug auch die Last spürt, also müssen beide zusammen berücksichtigt werden, oder? Letzte Frage, warum haben sie sowas nie in der Schule gelehrt? Sie haben es wirklich übersprungen
@ KevinCSpeltz im Bodenrahmen ist die Arbeit, die durch Reibung an einer auf dem Boden gehenden Person geleistet wird, seitdem Null v = 0 am Kontaktpunkt impliziert P = F ⋅ v = 0 . Dieser Fall ist anders, weil v ≠ 0 . Ja, es muss sowohl die Energie aus dem Zug als auch aus der inneren Energie berücksichtigt werden. Normalerweise konzentriert sich der Unterricht über Newtonsche Physik auf ziemlich enge Szenarien, so dass solche Dinge einfach nie auftauchen. Sie haben nur so viel Zeit im Unterricht, also müssen sie entscheiden, was sie ausschließen möchten, und statische Reibung mit sich bewegenden Objekten wird im Interesse dringlicherer Themen ausgeschlossen.
@Dale "Der Unterschied ist genau die positive Arbeit, die von der Kontaktkraft geleistet wird." Nur damit wir es verstehen, erkennen Sie an, dass positive Arbeit durch die Haftreibungskontaktkraft geleistet wird. Richtig?
@BobD im Bodenrahmen, ja. Der Zug fährt und somit wirkt die Kraft auf die Person. P = F ⋅ v und sowohl die Kontaktkraft als auch die Geschwindigkeit des Materials am Kontaktpunkt sind in die gleiche Richtung, so dass positive Arbeit geleistet wird.
@ Dal Danke. Und um das Bild zu vervollständigen, wenn Sie im Bodenrahmen (Zuggleise) sagten, dass der Zug, der sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, auf den Wanderer im Zug wirkt, können wir auch sagen, dass dies im Rahmen eines Beobachters im Zug der Fall ist Boden, der sich bewegt und am Boden arbeitet, da alle Trägheitssysteme gleichwertig sind.
@BobD Ja, im Zugrahmen funktioniert der Boden bei einer Person, die auf dem Boden geht. Nochmal P = F ⋅ v kann verwendet werden, um den genauen Arbeitsaufwand zu quantifizieren und ob er positiv oder negativ ist. Diese Arbeit muss berücksichtigt werden, um die Energie des Bodenläufers im Zugrahmen zu erklären.
@Dale Danke. Ich denke, wir sind jetzt auf der gleichen Seite.
@Dale, eine Frage noch. Warum spürt die Person diese zusätzliche Energie nicht? Für die Person läuft die Person einfach und verbrennt ihre chemische Energie. Ihre Füße bewegen sich nicht in Bezug auf den Zug. Ich verstehe, dass der Zug im Rahmen des Bodens mehr Arbeit leisten muss, aber die Person hat keine Ahnung, dass das überhaupt vor sich geht ... warum? Liegt es daran, dass diese zusätzliche Energie nur in diesem Bodenreferenzrahmen wirklich gilt / sinnvoll ist? Ähnliches Beispiel gefunden physical.stackexchange.com/questions/223599/…
@KevinCSpeltz warum würden sie es fühlen? Ich kann mir keine Situation vorstellen, in der jemand kinetische Energie spürt. Unter vielen Umständen können Sie innere Energie spüren, aber keine kinetische Energie. Die einzigen Beispiele, die mir einfallen, um kinetische Energie zu fühlen, beinhalten alle die Umwandlung dieser kinetischen Energie in innere Energie (z. B. wenn man geschlagen oder geschossen wird oder zusammenstößt).
@Dale, ich verstehe, was du meinst, du kannst keine Energie spüren. Ich denke, was mich bringt, ist die Kraft ist die gleiche. Dachte, vielleicht gäbe es noch eine andere Kraft. Aber genau deshalb haben wir immer noch die gleiche Beschleunigung und durch die gleiche Kraft liefert und überträgt der Zug / Motor die Energie, die dem Wanderer gleichzeitig unbekannt ist. Richtig?
@KevinCSpeltz ja, du hast es!
Ein schönes Wochenende. Danke

Der Zug fährt mit konstanter Geschwindigkeit. Die Energie, die die Person gewinnt, stammt aus innerer Energie, wie chemische potentielle Energie. Warum sieht es also so aus, als ob Reibung vom Zug an der Person Arbeit verrichtet? Ich bin verwirrt, was sehe ich. Das ergibt für mich keinen Sinn.

Stellen wir uns eine Person vor, die in Bezug auf die Oberfläche, auf der sie steht, ruht, und sie stößt sich von dieser Oberfläche ab, um sich mit einer Geschwindigkeit von 1 m / s vorwärts zu bewegen (relativ zur Oberfläche).

Mit einer Massereferenz ist dies ziemlich einfach. Angenommen, die Person wiegt 50 kg, dann beträgt die Mindestenergie für den Schritt:

Δ E = E F − E ich
Δ E = 0,5 ( 50 kg ) ( 1 MS ) 2 − 0 = 25 J

Stellen wir uns nun vor, dass dies in einem fahrenden Zug passiert. Wir nehmen an, dass der Zug bereits eine Geschwindigkeit von 5 m/s hat. Was ist die Energieänderung jetzt?

Δ E = 0,5 ( 50 kg ) ( 6 MS ) 2 − 0,5 ( 50 kg ) ( 5 MS ) 2 = 275 J

Wenn man also die Interaktion aus einem anderen Bezugsrahmen betrachtet, hat die Person viel mehr Energie hinzugefügt. Wir lösen dieses Problem, indem wir sagen, dass der Zug neben der Arbeit, die die Beine leisten, auch Arbeit an der Person leistet.

Wenn die Person 1 Sekunde brauchte, um den Schritt zu machen, dann muss die Kraft von der Oberfläche sein F = M A = ( 50 kg ) ( 1 MS 2 ) = 50 N .

Im Bodenrahmen würden wir also sagen, dass die Arbeit des Zuges (oder die Arbeit aus Reibung) war

W = F D = F v T = ( 50 N ) ( 5 MS ) ( 1 S ) = 250 J

Und diese 250 J erklären genau den Energieunterschied zwischen den beiden Fällen.

Wenn wir uns das nur ansehen, wenn wir in den Zug gehen, warum müssen wir diese andere 250-J-Energie nicht berücksichtigen? Sollten wir nicht auch haben? Das ist meine Verwirrung, wenn wir auf der Erde wandeln, warum müssen wir nicht für irgendwelche dieser Auswirkungen verantwortlich sein?

Sie müssen dies berücksichtigen, wenn Sie sich um die tatsächliche Energie des Zuges kümmern. Dieser 250J kam aus dem Zug. Jetzt hat der massive Zug eine riesige Menge an KE, also wird dieser 250J nur ein winziger Bruchteil dieser Menge sein. Aber je schneller der Zug fährt, desto mehr Energie repräsentiert diese Geschwindigkeitsänderung.

Da die Erde noch größer ist, können wir die mit ihr ausgetauschte Energie normalerweise ignorieren, solange wir uns in einem Koordinatensystem befinden, in dem ihre Geschwindigkeit gering ist.

Schüsselrot. Danke schön. Eine Frage, im letzten Teil berechnen Sie die 250j, warum haben Sie 5 m / s verwendet, weil es technisch nicht beschleunigt?
Wir sprechen von der Reibungskraft. Im Bodenrahmen bewegt sich das Objekt, das diese Kraft ausübt (die Lauffläche), mit einer konstanten Geschwindigkeit von 5 m/s. Der Körper der Person beschleunigt, aber dort wird die Kraft nicht angewendet.
Guter Punkt. Ich wünschte, ich wüsste mehr. Ich habe das Gefühl, mitten in die Physik zu springen, die tiefer ist, als ich gelernt habe. Danke für die Hilfe
Bowlofred und Dale, wenn das stimmt, könnte man dann nicht sagen, dass dies der Erde passiert, so wie es der Zug in dieser Situation ist? Wenn ja, warum sehen wir den Effekt nicht? Ich nehme an, wie die meisten Dinge auf der Erde, dass es zu groß ist, um es zu bemerken, und im Großen und Ganzen summiert es sich im Allgemeinen auf Null.
Dieses Beispiel hebt den Unterschied in der Energiebilanzierung zwischen Frames stärker hervor. Ja, Sie können jeden gewünschten Rahmen auswählen und die Energie bei bestimmten Schritten ist unterschiedlich, aber die Energieänderung ist immer gleich. Die Tatsache, dass ein Rahmen die Erde ist und einer nicht, spielt keine große Rolle. Die Größe der Erde spielt nicht viel eine Rolle, außer dass ihre Größe sie zu einer guten Annäherung an ein Inertialsystem macht.
Lass es mich umschreiben.
Ich glaube, ich habe zu viel nachgedacht ... danke bowlofred, du kannst, wenn du willst, aber ich habe meinen Kommentar entfernt, da ich denke, dass ich gut bin.
Danke schön. Ich nehme an, es ist wie bei vielen Dingen. Sie müssen die Bedeutung relativ zum Problem abwägen. Im Beispiel des Zuges würden Wind und dergleichen mehr Einfluss haben als in diesem Fall. Also würden wir es wahrscheinlich nicht ignorieren.
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