Cuando un globo aparece y deja un ladrillo caída, ¿de dónde proviene la energía?

Question

Digamos que un científico se une un 1 kg de ladrillo a una gran helio globo inflado, permite que el globo vaya, y entonces se llega a una altitud de 10 000 metros antes de la cop, dejando caer el ladrillo.

El ladrillo se cae y golpea el suelo con una energía cinética de aproximadamente 100 000 joules. (En realidad un poco menos, da un poco de esa energía como la resistencia del aire, pero todavía se almacena esa energía.)

Para referencia, un arma de disparo es de alrededor de 2 000 joules.

Pero ¿de dónde surgió esta energía? El científico sólo infla un globo y atado a una cadena.

Answer 1

Su estimación de que el ladrillo iba a perder "un poco" de su energía a la resistencia del aire es incorrecta. Iba a perder la mayoría de su energía. La velocidad terminal de un ladrillo (http://physicsbuzz.physicscentral.com/2018/01/ask-physicist-which-falls-faster-brick.html) es de alrededor de 95 m/s. Este será su velocidad cuando llega al suelo, de manera que la energía que se deposita en el suelo será de 4.500 J, no 100,000 J., Asumiendo que la matemática es correcta, más del 95 por ciento de su energía se pierde en la resistencia del aire.

Cuando el globo se eleva, lo que hace que se eleven es la atmósfera que lo empuja. El aumento en la energía potencial del ladrillo es igual a la pérdida en la energía de la atmósfera; a medida que el globo se eleva, la atmósfera, llenando el espacio debajo de ella, se convierte, en promedio, muy, muy, ligeramente inferior a la tierra. De manera que la energía proviene de la energía potencial gravitacional de la atmósfera*.

*En principio, la energía térmica de la atmósfera también ha de tenerse en cuenta, dado que la temperatura disminuye rápidamente con la altitud en la troposfera. Esto significa que el original de la ganancia en energía potencial gravitatoria de la atmósfera también disminuyó ligeramente su energía térmica, mientras que la pérdida de energía potencial gravitatoria de la atmósfera es contrarrestado en cierta medida por un aumento de la energía térmica. Estas transferencias de energía es probable pequeña en comparación con los cambios en la energía potencial gravitacional, sin embargo (y aunque no fuera, la capacidad para hacer el trabajo utilizando el gradiente de temperatura se ve obstaculizada por las consideraciones termodinámicas).

Answer 2

La energía cinética proviene de la energía potencial gravitatoria

El potencial gravitatoria la energía proviene de la energía optimista (fuerza * elevación) levantar el balón y ladrillo en el aire

La flotación de la energía proviene del helio. Entonces, ¿por qué el helio tiene energía optimista?

Imagínese tomando un globo lleno de aire normal, y tratando de empujarlo bajo el agua. Que toma la energía. En lugar de la energía potencial gravitatoria, que es..... suspendida la energía potencial. La más profunda de empujar el globo de aire en el agua, más energía potencial que dar el globo de aire.

Lo mismo va para los de helio, excepto con la atmósfera. El helio tiene un alto potencial de energía cerca de la tierra, y gastado energía potencial muy alto en la atmósfera.

La energía en el ladrillo proviene de la energía empleada para recoger el helio y traer a la tierra. Por ejemplo, algunas fuentes de helio que el costo de la energía:

• La fusión de hidrógeno
• La minería de la tierra
  • los procesos geológicos que incrustado de hidrógeno en el suelo en lugar de la atmósfera en el primer lugar
• Filtrado/la recogida de la atmósfera
• y entonces la energía para presurizar y purificarse en una fuente comprimida de helio, que se utiliza para llenar el globo

Que es donde la energía proviene de!

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Pequeño tangente/elaboración:

• Como se ha mencionado en los comentarios, "Pujante energía potencial" (BPE) puede ser visto como otra manifestación de la energía potencial gravitatoria (GPE). Si yo fuera a elaborar esta en términos simples como sea posible, sería la siguiente: Por empujar a un globo de aire en el mar (o de helio hacia el suelo), la rmeza de la energía potencial del globo (o helio) es = la energía potencial gravitacional del agua (o ambiente) desplazados. Cuando usted presiona un globo de aire en el océano, ustedes son uno en el mismo desplazando el agua del océano en un elevaciones bajas a altas elevaciones. Así que si usted llega a la parte inferior del océano con su globo de aire, entonces no es una columna de agua sobre el globo que se levantó en contra de la gravedad (ya que el globo se desplaza el agua). La distancia que levantó la columna de agua es la altura media del globo. De modo que el globo del BPE = el agua desplazada del GPE. A continuación, en la atmósfera, el helio del BPE = la atmósfera de la GPE. Sería inexacto decir que el propio globo ha GPE, pero de hecho es preciso señalar GPE está involucrado. Es sólo la atmósfera, no el globo que ha GPE (si estamos siendo muy preciso y técnico cuando hablamos de esto).

Answer 3

No estoy de acuerdo que la energía "viene de" inflar el globo.

Helio que hay debajo de la atmósfera "contiene" la energía potencial debido a la flotabilidad, de la misma manera que una roca en la cima de una colina que "contiene" la energía potencial debida a la gravedad. Por lo tanto la energía potencial que ya existe; adjuntando el ladrillo con el balón, estás traduciendo el helio, el potencial de la pujante energía en el ladrillo de la energía potencial gravitatoria.

Si el ladrillo no estaban allí, que la energía se traduzca en el helio de la energía cinética, que aumentaría a un ritmo mucho más rápido sin el ladrillo. Eso es cierto, con o sin balón.

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La siguiente pregunta lógica es, ¿de dónde boyante que la energía potencial? La respuesta es, toda la energía que se utiliza para llevar el helio por debajo de la atmósfera, para empezar.

En el mundo real, esto sería la energía química de cualquier reacción separados el helio (o, uno podría argumentar, la latente boyante de la energía de los reactivos), pero se trata de la misma lógica, como si nos sacó de una bolsa gigante llena de helio hacia abajo desde el espacio exterior. La cantidad de energía que se utiliza para tirar de la bolsa a través de la atmósfera es igual a la cantidad que puede obtenerse de las helio aumento de copia de seguridad (menos las pérdidas debido a la resistencia del aire).

Answer 4

Sí, toda la energía proviene de la energía necesaria para inflar el globo.

Este es un poco más intuitivo si usted se imagina cómo poco el típico globo puede llevar (menos de un gramo), y cómo violentamente los tanques de aire comprimido que se utiliza para llenar los globos pueden explotar.

Aquí está el cálculo cuantitativo. Se tarda aproximadamente una energía $$E = P_{\text{atm}} V$$ para llenar un globo de volumen $V$. Este es el trabajo que usted necesita hacer para "empujar la atmósfera libre" a la hora de crear el globo. Un costo de energía de $PV$ a crear un volumen $V$ es muy utilizado en la física; aparece en tanto la entalpía y energía libre de Gibbs.

Esta energía entra en la energía potencial gravitacional (GPE) de la totalidad de la atmósfera, como el aire que empuja lejos cuando sopla el globo empuja al otro aire, y así sucesivamente, en última instancia elevando el aire fuera de la Tierra. A medida que el globo se eleva a través de este ambiente, la GPE del aire se convierte en GPE del globo y el ladrillo, debido a que el globo del aumento permite que el aire de otoño.

Si lo desea, puede llamar a este GPE del aire la "pujante energía potencial" del globo. Es sólo la misma cosa; todo el sentido de la energía potencial es "algún otro tipo de energía que son de color negro de boxeo". Ya estamos en caja negro gravitacional campo de energía del aire y de la Tierra como de la GPE del aire, y usted puede elegir la caja negra que otra vez como "BPE" del globo. Así que todas las respuestas aquí son realmente diciendo la misma cosa.

De todos modos, sea cuantitativa al respecto, el trabajo realizado sobre el ladrillo por el aire $$W = \int F \, dx = \int \rho g V \, dx = V \int \rho g \, dx = V \Delta P$$ donde $\Delta P$ es la caída en la presión atmosférica entre la parte inferior y la parte superior. Es decir, si el globo se eleva muy lejos, hasta donde la presión es despreciable, todos de la GPE de la atmósfera ha sido transferido al balón. Ahora bien, si el ladrillo se cae, se convierte en energía cinética.

Esta energía viene originalmente de la energía necesaria para llenar el globo. Se podría decir que se necesita energía para abrir el grifo de aire comprimido del tanque. Seguro, pero entonces la energía provenía de lo que la puso en el aire en el tanque en el primer lugar.

Answer 5

Con la suposición de que el globo y la carga de la rosa, desde el suelo hasta los 10.000 m, y que el volumen desplazado por el globo y la carga útil es enteramente de n moles de helio, el PE adquirida por el globo y la carga es igual a la PE perdido por n moles de aire que se mueve a partir de 10.000 m a nivel del suelo. Ignorar (KE)

Debido a que el aire es más denso que el helio, se pierde PE más rápido, mientras que la caída de la helio gana mientras se levanta.

La masa molar diferencial es lo que permite que el helio para la elevación de cargas. Mientras usted claro el umbral de la cantidad de helio, y tienen una lo suficientemente fuerte globo, es sólo una cuestión de tiempo antes de que un ladrillo puede alcanzar una altura vale la pena 100kJ. Sólo tiene que añadir más de helio para llegar allí antes.

Por cada mol de helio (4g) en aumento, un mol de aire (~29g) cae a tomar su lugar, que es un diferencial de 25 g/mol*. En otras palabras, un mol de helio puede levantar aproximadamente 25g de carga en la atmósfera de la Tierra. En la práctica, agregar más de helio para conseguir el ascensor va a un ritmo razonable, y la altura máxima está limitada por la fuerza del globo, tratando de contener el helio que continúa creciendo a medida que se eleva.

*(Esto es equivalente a 1g/L en el nivel del mar, pero viendo que los volúmenes de gas son sensibles a diferentes presiones, yo trato de evitar esta unidad de medida para el ámbito de aplicación de esta pregunta en concreto, que implican el cambio de alturas)