Was steckt hinter den Definitionen von Arbeit und Energie?

Seien Sie nicht überrascht, dass die Physik viele Definitionen hat, die kreisförmig sind. Letztlich beschreiben wir nur das Universum.

Arbeit und Energie wurden in der Newtonschen Physik auf eine bestimmte Weise definiert, um ein kinematisches Modell der Realität zu erklären. Dies ist ein Modell , nicht die Realität - Sie werden so etwas in der Realität nicht finden. In vielen Szenarien ist es jedoch nah genug an der Realität, um nützlich zu sein.

Nehmen wir zum Beispiel an, dass ein Mensch eine Effizienz von 10 % bei der Umwandlung von Nahrung in mechanische Arbeit hat. Wenn Sie also 1000 kJ Nahrungsenergie aufwenden, um gegen eine Wand zu drücken, leisten Sie dann 1000 kJ Arbeit oder 100 kJ Arbeit oder 0 kJ Arbeit?

Im streng mechanischen Sinne haben Sie überhaupt keine Arbeit geleistet, und die gesamte Energie, die Sie verbraucht haben, wurde als Wärme verschwendet. Würde man stattdessen mit dieser Energie eine Lokomotive anschieben, wären „nur“ 900 kJ der Energie als Wärme verschwendet worden, davon 100 kJ Arbeit. Aber die Lokomotive hat ihre eigene Reibung, und sie wird irgendwann anhalten und die gesamte Energie wieder als Wärme verschwenden. Und insgesamt haben Sie all diese 1000 kJ Nahrungsenergie verbraucht, die niemals zurückkommen .

All das sind Vereinfachungen. Kinematik befasst sich mit Dingen, die sich bewegen. Bei der Verwendung von Modellen geht es darum, die Grenzen solcher Modelle zu verstehen. Sie versuchen, die Thermodynamik durch Kinematik zu erklären - das ist eigentlich durchaus möglich (zB die kinematische Wärmetheorie), aber nicht ganz so einfach, wie Sie es machen. Schauen wir uns das Feuerbeispiel an. Sie sagen, es gibt keine Verdrängung und daher keine Arbeit. Nun, innerhalb des üblichen Kontexts, in dem Kinematik verwendet wird, haben Sie völlig Recht - all diese Energie wird verschwendet, und Sie hätten sie verwenden sollen, um einen Kolben oder etwas anzutreiben, um ihn in nützliche Arbeit umzuwandeln.

Machen Sie sich hier klar: Was sinnvolle Arbeit ist, ist ein rein menschliches Konzept – alles ist nur im Kontext Ihrer Ziele zu 100 % relevant; Wenn Sie diesen "Abfall" zum Heizen Ihres Hauses verwendet hätten, wäre dies eine nützliche Arbeit gewesen. Wenn Sie genauer hinsehen, werden Sie sehen, dass die Hitze des Feuers es tutBewegung erzeugen. Einzelne Moleküle, die das Holz bilden, wackeln immer mehr, einige von ihnen lösen sich und bilden sich neu und steigen mit der heißen Luft vom Feuer weg, während sie gleichzeitig kältere Luft aus der Umgebung ansaugen, um das Feuer weiter zu nähren. Es gibt viel Verschiebung - einzelne Moleküle beschleunigen und verlangsamen sich, bewegen sich und springen herum ... Aber täuschen Sie sich nicht, die Tatsache, dass die Kinematik einen großen Teil der Thermodynamik zufriedenstellend erklären kann, ist nur ein Bonus - niemand hat behauptet, dass die Kinematik 100% erklärt das Weltall. Es war ein Modell, um zu erklären, wie sich makroskopische Objekte in alltäglichen Szenarien bewegen. Es versuchte nicht, Feuer zu erklären.

Für Ihre spezifischen Fragen sollten Sie wirklich nicht mehrere Fragen in einer Frage stellen. Es wird sehr chaotisch. Aber um sie schnell anzusprechen:

1. Im kinematischen Modell gibt es keine potentielle Energie. Der Begriff ist für gebundene Zustände definiert, die als Begriff in der Kinematik nicht wirklich existieren. In anderen Modellen sehen Sie vielleicht, dass es einen Unterschied zwischen, sagen wir, potentieller Energie und kinetischer Energie gibt - so etwas existiert in der Realität nicht wirklich. Sie müssen den Kontext des Modells verstehen.
2. In einer perfekt kinematischen Welt ist dies zu 100 % richtig. Wie bereits erwähnt, ist Kinematik jedoch keine 100% genaue Beschreibung der Realität, und es gibt andere Überlegungen, die zutreffen, wie z. B. die Tatsache, dass Menschen eine begrenzte Arbeitsgeschwindigkeit, eine begrenzte Fähigkeit, Kraft anzuwenden, und die Materialien haben, aus denen wir gebaut sind sind nicht unendlich hart, vollkommen unflexibel und existieren nicht vollkommen isoliert von allen äußeren (und inneren) Effekten. In realen Anwendungen von Modellen werden diese Unterschiede normalerweise beseitigt, indem die Grenzen bestimmter Modelle verstanden und verschiedene "Fixup" -Konstanten verwendet werden - und wenn das nicht gut genug ist, ein besseres Modell auswählen (oder erstellen).
3. Sie mischen viele verschiedene Modelle auf verschiedenen Abstraktionsebenen und mit unterschiedlichem Umfang, sodass Verwirrung unvermeidlich ist. Im vereinfachten Kontext der Kinetik gibt es kein Konzept der "potenziellen Energie". Sie haben einfach Energie, mit der Sie arbeiten können, und das war's; es kümmert sich nicht darum, wie diese Energie verwendet wird, um Arbeit zu verrichten, um die Effizienz dabei usw. In einem anderen Kontext könnte es sehr nützlich sein, Energie und Masse als dasselbe zu betrachten - und in einem anderen Zusammenhang sie können in einem bestimmten Verhältnis oder vielleicht in einer bestimmten Richtung oder mit einer bestimmten Rate als austauschbar angesehen werden. Es geht nur darum, was Sie zu tun versuchen.
4. Wie ist diese Gleichung nützlich? Das ist das Einzige, was sowohl bei Definitionen als auch bei Gleichungen zählt. Ich könnte eine Million Dinge definieren, die völlig nutzlos sind, wenn ich wollte - aber was bringt das?
5. Im ursprünglichen Kontext werden diese überhaupt nicht berücksichtigt. In einem realistischeren Kontext sind sowohl Wärme als auch Schall ebenfalls kinematisch.

Der Grund, warum Sie so große Schwierigkeiten haben, die Antwort auf Ihre Fragen auf Physikseiten und -foren zu finden, ist, dass die Frage in der Physik nicht viel Sinn ergibt. Es geht mehr um Wissenschaftsphilosophie und die Idee, Modelle der Welt zu bauen, die versuchen, die Realität in einer für uns nützlichen Annäherung zu beschreiben. Du denkst, dass diese Wörter eine inhärente Bedeutung haben, die in jedem möglichen Kontext anwendbar ist – das ist einfach nicht wahr. Von Anbeginn der Idee der Physik wussten die Menschen, dass sie keine genaue Darstellung der Realität ist (und niemals sein wird); und wir wissen seit sehr langer Zeit, dass beispielsweise verschiedene Beobachter über die Energie eines Objekts unterschiedlicher Meinung sein können. Sie müssen nur verstehen, wo ein bestimmtes Modell nützlich ist, und das richtige Modell für den Job auswählen. Anziehen'

Wenn ein Mann 100 J Energie [hat], [kann] er eine Kraft von anwenden$10^{100}N$Über$10^{−98}m$?

Ja.

Wie Archimedes bekanntlich bemerkte, brauchte er nur einen sehr langen Hebel, einen geeigneten Drehpunkt, eine ausreichend lange Zeit und eine geeignete Spur.

Der wichtige Punkt ist nicht, dass alle möglichen Arten, ein Gesetz auszudrücken, machbar sind, sondern dass alle tatsächlich auftretenden beobachtet werden, um dem Gesetz zu gehorchen.

[Bedeutet] die Definition von Energie, dass jede [Form von] Energie potentielle Energie ist?

Es stellt sich heraus, dass es nicht bequem oder sehr nützlich ist, so zu denken. Wenn Sie dies tun, hat das Wort "Potenzial" keinen wirklichen Nutzen.

In einem Kommentar verlinkte tfb Feynmann zu diesem Thema

Es gibt viele Orte, an denen Dennis die roten Würfel verstecken kann

• in Bewegung (kinetische Energie).
• in einem schweren Gewicht, das auf einem Schrank balanciert ist.
• in einer komprimierten Feder.
• durch Bewegen elektrischer Ladungen zwischen zwei benachbarten leitenden Platten.

Es ist praktisch, verschiedene Namen für verschiedene Orte zu haben, an denen Dennis rote Würfel verstecken kann.

Wenn Sie sagen, dass alle Energieformen das Potenzial haben, Arbeit zu leisten, haben Sie vielleicht Recht, aber es ist dennoch nützlich, einige getrennte Namen für Formen zu haben, die wir unterscheiden können.

Es ist die Kraft, nicht die Kraft, die man fühlen und messen kann, aber sie bezieht sich nur auf einen tatsächlichen Aufbau, was nutzlos ist, wenn man nach allgemeinem Verständnis sucht. Arbeit, Druck, Energie,... All das bezieht sich auf Kräfte im weiteren Kontext.

Formel zur Analyse der Arbeit$W=\int_s\vec F\cdot d\vec r$wir können ablesen, wie viel Kraft aufgewendet wurde, um den Körper über den Weg zu bewegen$s$. Angenommen, wir schieben eine Kiste auf einem Bürgersteig. Angenommen, die Kraft wird beschrieben als$F=\mu\ G$, wo$\mu$ist der Reibungskoeffizient,$G$ist Gravitationskraft. In diesem Beispiel wird doppelt so viel Arbeit geleistet, um zwei Kästchen über denselben Weg zu bewegen (Kraft wird verdoppelt). Oder wir können zwei Boxen im Vergleich zu einer Box zur Hälfte verschieben, um die gleiche Arbeit zu erledigen.

Energie
Energie ist die Fähigkeit oder das Potenzial, eine Arbeit zu verrichten. Potenzielle Energie ist eine Form von Energie.

• Kinetische Energie ist Energie, die im Bewegungszustand des Körpers gespeichert ist und durch Abbremsen des Körpers freigesetzt werden kann. Sie können sehen, wie sich der Körper bewegt = er hat Energie.
• Innere Energie ist Energie, die in der thermischen Bewegung von Partikeln im Körper gespeichert ist und durch die Körpertemperatur wahrgenommen wird. Wenn der Körper gasförmig ist, kann die Energie durch Bewegen des Kolbens freigesetzt werden. Sie können fühlen, dass der Körper heiß ist = er hat Energie.
• Elektrische Energie, auch bekannt als elektrisches Potential, ist Energie eines geladenen Körpers in einem gegebenen elektrischen Feld. Es ist ähnlich wie Masse im Gravitationsfeld. Das einfachste Beispiel ist ein geladener Kondensator. Wenn es durch den Motor entladen wird, bewegt es einen Körper und die Energie wird verbraucht. Sie können eine Spannung ungleich Null messen = es gibt Energie zwischen den Elektroden.
• Chemische Energie, auch als Reaktionsenthalpie bekannt, ist Energie, die in der Differenz zwischen den Energiezuständen von Reagenzien und Produkten gespeichert ist (angenommen, die Reaktion ist exotherm). Diese Energie wird als Wärme – Kraftquelle von Wärmekraftmaschinen und Sprengstoffen – oder als Spannungs – Akkumulatoren freigesetzt. Es gibt die Aufschrift „Sprengstoff“ = da ist Energie drin.
• Potenzielle Energie ist ziemlich knifflig benannt. Stellen Sie sich vor, es gibt eine Betonkiste. Es bewegt sich nicht (keine kinetische Energie), es hat die gleiche Temperatur wie seine Umgebung (keine zu extrahierende innere Energie), es ist nicht geladen (keine elektrische Energie) und es ist chemisch stabil (keine chemische Energie). Trotzdem kann es funktionieren, weil es 5 Meter über dem Boden ist. Diese Betonbox hat das Potenzial , kinetische Energie zu gewinnen , die in der Lage ist, eine mechanische Arbeit am Boden zu verrichten.

Arbeit, potentielle Energie und kinetische Energie wurden definiert, als andere Energieformen noch nicht entdeckt waren oder der Zusammenhang zwischen ihnen und der Bewegung noch nicht entdeckt war.

1. Ja, Energie in jeglicher Form ist das Potenzial , Arbeit zu verrichten. Und die Energie eines Systems kann gesteigert werden, indem man daran arbeitet.
2. Auch Operationen mit Energie haben ihre Grenzen. Sie können die Autobatterie nicht entladen, die 1 TA Strom verbraucht, Sie können kein 10-Tonnen-Auto mit bloßen Händen anheben. Wenn Sie solche Grenzen überschreiten möchten, müssen Sie "Werkzeuge" verwenden. Wenn Sie sich bewerben möchten$10^{100}$N irgendwo brauchen Sie Getriebe mit$10^{98}:1$Verhältnis. In diesem Fall wenden Sie die gewünschte Kraft an$10^{-98}$m Gleis, aber Ihre Hände werden eine Kraft von 100 N über 1 Meter Gleis ausüben.
3. Sie können den Unterschied sehen, wenn ein Stuntman, der auf einem Dach steht (mit potenzieller Energie), in Papierschachteln springt (diese Energie verbraucht). Sie können einen Unterschied zwischen einem Auto sehen, das sich einer Wand nähert (mit kinetischer Energie) und dem Ergebnis des EuroNCAP-Tests (Energie, die für plastische Verformung verbraucht wird). Sie können Holzhaufen, leere Kanister mit Benzin und Esel mit brennender Fackel (mit freizusetzender Enthalpie) und fliegenden Baumstämmen und die Druckwelle (Enthalpie, die als kinetische Energie von Baumstämmen, Wärme und Schallwelle freigesetzt wird) sehen ...
   Masse ändern, um Energie zu gewinnen ist in der Relativitätstheorie möglich, wo Energie Masse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat ist. Der Mensch reduziert seine Masse bei der Arbeit, indem er Glukose (fest) konsumiert und Kohlendioxid (Gas) und Wasser (Flüssigkeit und Gas) produziert, die er ausatmet oder schwitzt.
4. Wie ich oben geschrieben habe, ist die Arbeit das Produkt der angewendeten Kraft und der Spur, auf der sie angewendet wurde. Andererseits$E_k=1/2mv^2$wurde als eine Arbeit abgeleitet, die erforderlich ist, um den Körper von der stationären auf die Geschwindigkeit zu beschleunigen$v$. $$E_k=W=\int_0^lF\ dx=\int_0^l\frac{dp}{dt}dx=\int_0^l\frac{d(mv)}{dt}dx=\int_0^vm\frac{dv\ dx}{dt}=m\int_0^vv\ dv$$ $$E_k=m\int_0^vv\ dv=m[1/2v^2]_0^v=1/2mv^2$$ Die Physik wendet mathematische Werkzeuge an, um die reale Welt zu beschreiben, daher hat jede physikalische Größe ihre Einheit – ein Maß. Mit anderen Worten, wenn Sie lesen$l=5\ \mathrm m$, Sie lesen diese Länge$l$ist fünfmal länger als der SI-Standard des Meters. Nicht mehr, nicht weniger. Joule wurde als Newton mal Meter, Periode definiert. Eine weitere „Regel“ ist, das Objekt so einfach wie möglich zu beschreiben. Ihre Definition$W=2Fx$ist nicht einfach. Um gültig zu sein, wird erwartet, dass Meter und Newton als Längen- bzw. Krafteinheiten verwendet werden, aber halbe Joule als Energieeinheiten. Mit Ihrer Definition wird die durch diese Arbeit gewonnene kinetische Energie sein$E_k=mv^2$. Wenn Sie andererseits die Arbeit in Joule messen, können Sie die Formel nicht mit Fuß und Pfund-Kraft verwenden – Sie müssen sie alle in imperiale Einheiten oder SI-Einheiten umwandeln. Nichts dazwischen ist akzeptabel.

5. Arbeit wird über eine Bahn ausgeübt. Das impliziert die Bewegung per Definition. Jede Kraft, die auf die Strecke ausgeübt wurde, bedeutet, dass Arbeit getan wurde. Erhaltungssätze und Newtons drittes Gesetz besagen, dass Energie nicht verschwinden kann, sie kann nur ihre Natur ändern, und wo Arbeit verrichtet wird ($\int F\ dr>0$) gleiche Menge an Arbeit wird verbraucht ($\int-F\ dr>0$).
   Wärme ist Energie, die von Punkt A nach Punkt B übertragen wird, wahrgenommen durch Temperaturänderung und durchgeführt durch Änderung der potentiellen und kinetischen Energie der Teilchen. Kinetische Energie bezieht sich auf Geschwindigkeiten von Teilchen und potentielle Energie bezieht sich auf ihre Bindungszustände. Schallwellen sind periodische Druckänderungen in Flüssigkeiten oder Verschiebungen in Festkörpern, wiederum auf atomarer Ebene. In beiden Fällen arbeiten einige Partikel an den Partikeln. Im elektromagnetischen Feld wirken geladene Teilchen auf andere geladene Teilchen. Aber es ist sinnlos, ein Phänomen zu beschreiben, indem man jedes einzelne beteiligte Teilchen beschreibt. Bei der Anwendung der Statistik wurden Temperatur, Druck, Wärme, Enthalpie, Entropie und viele andere definiert.

Warum$W = F_x \cdot x$und nicht$W = 2F_x \cdot x$?

Die Konstante wird durch unsere Wahl der Einheiten bestimmt, sie ist nur dazu da, dass die Zahlen, die wir berechnen, den Markierungen auf unseren Linealen entsprechen.

Zum Beispiel wenn$W = F_x \cdot x$Wenn$x$in Yards gemessen wird, ist es gleichzeitig wahr, dass$W = 3F_x \cdot x$wenn x in Fuß gemessen wird.

Da unsere Wahl der Messskala willkürlich ist (die Armlänge einiger Personen, der Durchmesser eines bestimmten Planeten, ...), ist die Zahl nicht sehr interessant. Daher wird es manchmal weggelassen, wenn Konzepte, Prinzipien usw. diskutiert werden.

Es ist praktisch, wenn Sie ein Einheitensystem so wählen können, dass diese Konstante 1 ist und daher aus dem Blickfeld verschwindet. Manchmal tun Menschen dies.

Solange man bei der Phänomenologie der Newtonschen Mechanik bleibt, vertraue ich darauf, dass Ihre Definitionen nicht falsch sind (ich bin der Meinung, und das ist ausschließlich eine persönliche philosophische Ansicht, dass es nicht eine endliche Menge von Definitionen gibt, die wir etwas geben können , die es auf absolute Weise vollständig definieren könnten). Zu deinen Fragen:

1. Erstens bin ich mir nicht sicher, ob Sie mit potentieller Energie eine potentielle Energiefunktion meinen, wie wir sie für einige Kräfte definieren können (solche, die haben$\nabla \times \bar F = 0$) wie$\bar F= - \nabla V(r)$, oder wenn Sie nur sprachlich die potenzielle Möglichkeit meinen, unter Umständen Arbeit zu produzieren, weil das Objekt eine gewisse Energie hat. Aber um klar bei der Newtonschen Phänomenologie zu bleiben, würde ich sagen, dass Energie zu haben genau bedeutet, dass man eine Veränderung bewirken kann, und diese Veränderung kann als Arbeit angesehen werden.
2. Ich glaube nicht, dass das Sprechen von einem Menschen, der Energie speichert, im Rahmen physikalischer Überlegungen von Nutzen ist. Sagen wir einfach, dass ein Objekt etwas Energie hat (zum Beispiel kinetische Energie oder potentielle Gravitationsenergie, um auf einer Höhe h über dem Boden zu sein, wo wir U = 0 definieren). Erstens ist es kein Problem, mit solch einer gewaltigen Kraft zu wirken, da die Kraft als zeitliche Ableitung des Impulses, als Maß für die Änderungsrate des Impulses oder einfach durch Berücksichtigung der Masse des Objekts, auf das die Kraft ausgeübt wird, gegeben ist ist konstant,$\ bar F= m \bar a$, wobei a die Beschleunigung ist. Wenn also ein Objekt sehr wenig Masse hat und ich eine sehr große Masse mit einer kinetischen Energie von 100 Joule habe, könnte ich aufgrund der Impulserhaltung während, sagen wir, einem Aufprall definitiv eine große Kraft darauf ausüben. Aber lassen Sie mich auch anmerken, dass selbst wenn Sie eine Energiemenge Q haben, die Menge, die Sie im Verhältnis zur Zeit aufwenden können, durch die Leistung gegeben ist, die Zeitableitung der Arbeit.
3. Massenäquivalenz mit Energie stört uns hier nicht, weil wir uns auf dem Gebiet der Newtonschen und nicht der relativistischen Mechanik befinden. Ein Objekt mit einer kinetischen Energie T unterscheidet sich von einem anderen mit Q durch ihre beobachtete Impulsdifferenz. Zwei Objekte, die im selben Bezugsrahmen mit einer gewissen potentiellen Energie definiert sind, unterscheiden sich durch die kinetische Energie, die sie gewinnen könnten, und durch die Auswirkungen, die sie somit haben könnten. Unterschiedliche potentielle Energien bedeuten unterschiedliche Kinematik.
4. Die Definition ist einfacher, indem die beiden nicht vorangestellt werden. Warum sollten wir einen Faktor brauchen, der nur eine andere Messskala wäre? Arbeit ist als Skalar von zwei anderen Vektoreinheiten definiert, warum also einen Multiplikator haben, wenn er uns keine Bequemlichkeit bringt?
5. Sie könnten erneut die Kraft definieren, die ein Körper durch seine Impulsänderung erhält, sodass eine mechanische Welle mit einer gewissen Energie bedeutet, dass sie eine Menge dieser Energie an ein anderes Objekt weitergeben kann, wodurch ihr Impuls geändert und ihre Kinematik beeinflusst wird. Das macht etwas Arbeit. Wärme ist etwas anderes, da sie nicht so nützlich ist wie andere Energieformen. Aber thermodynamisch gesehen führt die Versorgung eines Systems mit Wärme zu einer Erhöhung seiner Temperatur und damit zu einer statistischen Erhöhung der kinetischen Energien der Systemteile. Wenn das System ein festes Volumen V und einen festen Druck P hätte und wenn wir es dazu bringen würden, sein Volumen zu ändern, ohne Wärme an die Umgebung abzugeben, dann würde das System bei einer Verringerung des Drucks an Volumen zunehmen, was eine Menge an mechanischer Arbeit ergibt.

Hoffe das hilft.

Jede Theorie der Physik endet mit der Beschreibung eines mathematischen Systems. Wie bei jedem anderen System dieser Art (ganze Zahlen, reelle Zahlen, Mengenlehre, …) können wir fragen: „Warum diese Definitionen?“ und die Antwort lautet zwangsläufig „weil wir fanden, dass dieses bestimmte System für etwas nützlich ist“ – für die Physik, um das Verhalten physikalischer Objekte vorherzusagen.

Die meiner Meinung nach einfachste Begründung für die Newtonschen Konzepte von Energie und Arbeit findet man, wenn man von der Energie ausgeht:

Energie ist eine Erhaltungsgröße .

Das bedeutet, dass wir jedes System zu einem bestimmten Zeitpunkt betrachten, die darin enthaltene Gesamtenergie berechnen können, und unter der Annahme, dass wir keine der Energieformen übersehen haben, dann ohne das Verhalten des Systems im Detail vorherzusagen, in irgendeiner Zukunft oder In der Vergangenheit wird die Gesamtenergie dieselbe sein wie jetzt (plus oder minus etwaiger Zu- oder Abflüsse von Energie, wenn das System nicht „geschlossen“ ist).

Das reicht aus, um Energie für Physiker interessant zu machen. Es ist auch für Ingenieure und im Alltag interessant, denn um nützliche Dinge zu tun, muss man Energie verbrauchen . (Um zu verstehen, warum das so ist, müssen Sie sich mit Thermodynamik befassen.)

Zusammenfassend: Unsere Definition von „Energie“ bezieht sich auf etwas, das sowohl theoretisch sinnvoll als auch praktisch nützlich ist. Das ist alles, was wir wirklich „dahinter“ brauchen.

„Arbeit“ (im formalen Sinne) ist bei weitem nicht so grundlegend. Es bezieht sich nur auf eine der Möglichkeiten, wie sich Energie von einem Teil eines Systems zu einem anderen bewegen kann. Man könnte das Wort „Arbeit“ durch „mechanisch übertragene Energie“ ersetzen und immer noch dasselbe sagen.

Bedeutet die Definition von Energie, dass alle Energie potentielle Energie ist?

Angenommen, Sie möchten eine Maschine bauen, die einen Ball wirft, wenn ein Signal gegeben wird. Hier sind zwei Möglichkeiten, wie Sie dies tun könnten:

• Drücken Sie eine Feder zusammen, halten Sie sie mit einem Riegel zurück und legen Sie die Kugel vor die Feder. Lösen Sie zum richtigen Zeitpunkt die Verriegelung und lassen Sie die Feder auf die Kugel schlagen.
• Drehen Sie ein Schwungrad hoch. Lassen Sie die Kugel zum richtigen Zeitpunkt auf die Kante des Schwungrads fallen.

Beide dieser Geräte bringen kinetische Energie aus einem Energiespeicher in den Ball . Im ersten Fall ist die Quelle die „elastische potentielle Energie“ in einer Feder. Im zweiten Fall ist die Quelle die kinetische Energie im Schwungrad.

Mein Punkt hier ist, dass „potenzielle Energie“ nicht wirklich „Energie, die später Arbeit verrichten kann“, bedeutet, auch wenn es oft so gedacht wird. Jede Art von Energie kann gespeichert werden. Die eigentliche Bedeutung von „ potentielle Energie “ ist „Energie, die in Bezug auf ein Potenzial berechnet werden kann “, und die Idee von „einem Potenzial“ ist für Ihre Frage nicht relevant.

Ich habe Energie als eine Eigenschaft oder einen Zustand eines Objekts definiert, der die Menge an Arbeit darstellt, die es leisten kann. Aber wie könnten wir es quantifizieren?

Wie ich eingangs sagte, halte ich Energie für das grundlegendere Konzept, daher ist dies angesichts dieser Prämisse keine wirklich sinnvolle Frage. Stattdessen ist eine Arbeitsmenge eine Energieänderung – also wird sie mit Energieeinheiten quantifiziert.

Wie wird potentielle Energie reflektiert, während sie potentiell ist? Können wir einen Unterschied erkennen zwischen einer Person, die x Energie speichert, und einer Person, die diese x Energie verbraucht ?

Sie haben eingangs gesagt, dass Sie an der Kinematik und den Newtonschen Gesetzen festhalten wollen. In dieser Welt kann man nicht einfach eine Energiemenge beobachten; man muss alle Formen zusammenzählen, in denen es existiert (gravitativ, chemisch, thermisch...).

Eine Antwort, die ich oft gehört habe, ist, dass die Masse der Person eigentlich ihre potenzielle Energie ist, und daher zum Beispiel körperliche Aktivitäten Energie verbrauchen und die Masse reduzieren.

Masse-Energie-Äquivalenz ist eine Angelegenheit jenseits der Newtonschen Mechanik. Sie können es nicht nutzen, ohne den Newtonschen Rahmen zu verlassen. Aber lassen Sie uns das für eine Sekunde tun, um Ihre Frage zu beantworten:

Masse und Energie ( nicht nur potentielle Energie) sind dasselbe. Der Grund, warum dies normalerweise nicht offensichtlich ist, ist, dass sie durch eine sehr große Konstante verbunden sind,$c^2$. Daher verursacht eine alltägliche Energieänderung eine fast nicht nachweisbare Massenänderung, und eine merkliche Massenänderung entspricht einer enormen Energiemenge.

Aber wenn es richtig ist, würden wir nicht Energie in kg oder Masse in Joule messen?

Du könntest . Die praktischen Probleme sind das

• Sie hätten sehr kleine Zahlen für Masse oder sehr große Zahlen für Energie.
• Obwohl sie dasselbe sind, ist es für praktische Berechnungen nützlich , eine Unterscheidung zwischen Masse und Energie beizubehalten und es für einen Fehler zu halten, sie unbeabsichtigt durch Multiplikation oder Division umzurechnen$c^2$.

(Physiker arbeiten oft in alternativen Systemen, in denen Masse und Energie die gleichen Dimensionen haben; dieses allgemeine Thema wird als natürliche Einheiten bezeichnet .)

Obwohl meine Definitionen die innere Natur von Arbeit und Energie erklären, könnte ich diese Natur immer noch auf unendlich viele Arten mathematisch beschreiben. Zum Beispiel, wenn ich Arbeit beschreibe als$2F_x⋅x$, würde ich immer noch zu dem Schluss kommen, dass Arbeit der Einfluss einer Kraft auf die Verschiebung eines Objekts ist. Warum ist das die Gleichung?

Da Energie erhalten bleibt, können wir Dinge tun, die Energie in andere Formen umwandeln, und daraus schließen, dass in beiden Formen dieselbe Energiemenge vorhanden war (± etwaige Verluste im Umwandlungsmechanismus). Wenn ich also „Arbeit“ definiere als „$2F_x⋅x$“, dann werde ich entweder später feststellen, dass ich „Arbeit“ mit 1/2 multiplizieren muss, um es auf etwas anderes zu beziehen (was eine offensichtliche Vereinfachung nahelegt), oder am Ende steht ein unnötiger Faktor von 2 vor all meinen Rechenformeln Energie (an diesem Punkt ist es sinnvoller, eine Einheit mit einer anderen Größe zu verwenden, damit ich nicht immer 2 schreiben muss).

Wie funktioniert der Energieverbrauch in anderen Formen als Bewegungsarbeit? Wie wirken beispielsweise Wärmeenergie oder Schallwellen?

Generell halte ich es, wie eingangs gesagt, für keine gute Idee, Arbeit als grundlegend anzusehen. Aber für diese speziellen Beispiele gibt es identifizierbare Arbeit:

• Wärme ist (mehr oder weniger) zufällige Bewegung von Atomen. Aber „zufällig“ ist nicht grundlegend – es bedeutet nur, dass die Bewegungen praktisch nicht vorhersagbar sind – nicht miteinander korrelieren oder irgendetwas anderes. Angenommen, Sie erzeugen etwas Wärme, indem Sie Ihre Handfläche über eine Oberfläche reiben – Sie haben gegen die Atome in der Oberfläche gedrückt und sie ein wenig bewegt, indem Sie an ihnen arbeiten . Der Grund, warum wir das Ergebnis „Wärme“ und nicht „Verschiebung“ nennen, ist, dass die einzelnen Verschiebungen alle unterschiedlich und winzig sind.

• Schallwellen sind periodische Luftbewegungen (oder etwas anderes). Auch hier gibt es eine Verschiebung : Sie ist nur sehr klein und wiederholt sich viele Male.

Wie [funktioniert] der Energieverbrauch in [...] Formen [außer] Bewegung [auch] Arbeit?

Wenn Sie an etwas arbeiten, ändern Sie die Menge an Energie, die mit dem Thema der Arbeit verbunden ist, die Energie wird von woanders übertragen.

das kann man also sagen$W = \Delta E$

Bei Bewegung liegt die Änderung in der kinetischen Energie des Subjekts.

Im Falle eines Hebezeugs liegt die Änderung in der potentiellen Energie des Subjekts.