Lo que está detrás de las definiciones de trabajo y la energía?

Question

Soy consciente de que parece que hay muchas preguntas similares en este sitio, pero eso es sólo porque el engañoso título. Yo no podía pensar en un mejor título que ilustra cuán diferente es esta pregunta, entonces si podría arreglarlo - muchas gracias.

Mi conocimiento de la física viene abajo a la cinemática y las leyes de Newton. Me gustaría obtener respuestas que no se desvíe de este conocimiento básico.

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Actualmente estoy en la búsqueda de definiciones exactas de trabajo y la energía, y lo que está detrás de estas definiciones . He buscado en la física de los sitios, y aquí en la Física en particular, pero no he encontrado una respuesta satisfactoria. Aquí está una lista de los principales recursos que he comentado:

A través de la red:

• https://en.wikipedia.org/wiki/Energy
• http://www.energyquest.ca.gov/story/chapter01.html
• https://www.reference.com/science/work-physics-a310b0a21e7039a5
• http://www.edinformatics.com/math_science/work_energy_power.htm

Aquí en la Física:

• Intuitivamente Entender el Trabajo y la Energía
• ¿Por qué la energía cinética aumentar cuadráticamente, no linealmente, con la velocidad?
• La comprensión de la relación entre trabajo y energía
• Relación entre el trabajo y la energía en un sistema electrostático

Escribir el prólogo de mi pregunta, voy a explicar el proceso que me fui a través de hasta que llegué a mi comprensión actual, que yo me quiero enfocar. En primer lugar, aquí están las principales definiciones de trabajo y la energía que he encontrado por la web:

La energía Es una propiedad, o el estado de los objetos que representan la capacidad para hacer el trabajo. Puede ser transferido a otros objetos, y se puede reflejar en muchas formas, que son convertibles.

El trabajo es una transferencia de energía de un objeto a otro mediante la aplicación de la fuerza, y es igual a $\vec{F_{x}}\cdot \vec{x}$ para una fuerza constante, o a $\int_{x_{1}}^{x_{2}}\vec{F_{x}}\enspace d\vec{x}$ para un cambio en la fuerza.

Estas definiciones parecen circular porque el trabajo es una transferencia de energía, y la energía es la capacidad para realizar trabajo. Para resolver este problema he adoptado NeuroFuzzy del enfoque:

A veces, cuando usted está atascado en las cosas, es útil echar un vistazo a las matemáticas de lo que se afirma.

Un básico de análisis matemático de trabajo de definición de $W=\vec{F_{x}}\cdot \vec{x}$ se plantea los siguientes dos puntos:

1. Cuando se multiplica la fuerza o el desplazamiento por $k$, el trabajo también es multiplicado por $k$. Por ejemplo, si aplica una fuerza de $2\vec{F}$ sobre un objeto, la obra será de dos veces tan grande como si se me aplica una fuerza de $\vec{F}$. También, si una fuerza sobre un objeto llevó a $\frac{1}{2}\vec{x}$ desplazamiento, el trabajo que hizo es dos veces más pequeños, como en un caso que llevó a $\vec{x}$ de los desplazamientos.

2. Una fuerza realiza un trabajo positivo cuando:

   • El objeto se desplaza.
   • La fuerza sobre el objeto está en la dirección del desplazamiento.

   
   Una fuerza realiza trabajo negativo cuando:

   • El objeto se desplaza.
   • La fuerza sobre el objeto está en la dirección opuesta al desplazamiento.

   
   Una fuerza no hace ningún trabajo cuando:

   • El objeto no se desplazan.
   • No se aplica ninguna fuerza para el desplazamiento del eje.
   • Estas dos condiciones se cumplen.

En otras palabras, cuando les aplica una fuerza sobre un objeto en determinadas circunstancias (medio ambiente, otras fuerzas, período de tiempo, etc.) y el desplazamiento del objeto es diferente que el desplazamiento en las mismas condiciones, sólo que sin la fuerza, se podría decir que la fuerza que ha influido en el desplazamiento. Se puede tener un "positivo" de la influencia (si el desplazamiento es mayor que el desplazamiento bajo las mismas condiciones, sin la aplicación de la fuerza) o tener un "negativo" de la influencia (si el desplazamiento es menor que el desplazamiento bajo las mismas condiciones, sin aplicación de la fuerza). Si aplica una fuerza y el desplazamiento es igual al desplazamiento bajo las mismas condiciones, sin aplicación de la fuerza, entonces la fuerza no influyen en el desplazamiento.

Mi intuitiva conclusión de este análisis es que el trabajo es el grado de influencia de una fuerza en un desplazamiento del objeto. Si aceptamos que mi definición, y se combina con las definiciones anteriores, podemos describir el trabajo y la energía de la siguiente manera:

La energía Es una propiedad, o el estado de los objetos que representa la capacidad de aplicar una fuerza que va a influir en el desplazamiento del objeto. Puede ser transferido a otros objetos, y se puede reflejar en muchas formas, que son convertibles.

El trabajo es el grado de influencia de una fuerza en un desplazamiento del objeto. Cuando una fuerza realiza trabajo, además del hecho de que se mueve el objeto, se transfiere también al objeto de la habilidad para influir en otros objetos de desplazamiento mediante la aplicación de la fuerza.

Tengo un par de preguntas acerca de estas definiciones no puedo encontrar una respuesta. No sé si las definiciones son correctas y las preguntas tienen respuestas - y, a continuación, voy a estar agradecido por las respuestas, o las definiciones son incorrectas, en primer lugar y, a continuación, voy a estar agradecido si usted podría corregir mis definiciones.

Aquí están las preguntas:

1. ¿La definición de la energía significa que toda la energía es la energía potencial? Porque si la energía se describe la capacidad de un objeto para hacer el trabajo, no significa que estamos hablando del potencial del objeto para hacer el trabajo?
2. Me define la energía como una propiedad, o el estado de un objeto que representa la cantidad de trabajo que puede hacer. Pero, ¿cómo podemos cuantificar? Si, por ejemplo, un hombre que guarda dentro de sí mismo $100J$ de la energía, significa que él es capaz de aplicar una fuerza de $10^{100}N$$10^{-98}m$? Sin duda un ser humano no es capaz de aplicar tanta fuerza, así que ¿por qué todavía nos dicen que las tiendas de $100J$?
3. Cómo la energía potencial se refleja, mientras que ser potencial? Podemos ver la diferencia entre una persona que almacena $x$ de la energía y de la persona que lo consume ese $x$ de la energía? Una respuesta que he escuchado mucho es que la masa de la persona es en realidad su energía potencial, y por lo tanto haciendo actividades físicas, por ejemplo, es el consumo de energía, y la reducción de la masa. Pero si es correcto, no podemos medir la energía en $kg$ o de la masa en $Joule$?
4. A pesar de que mi definiciones de explicar la naturaleza interior de trabajo y la energía, todavía podía describir matemáticamente esta naturaleza en un número infinito de formas. Por ejemplo, si yo describir el trabajo como $2\vec{F}_{x}\cdot \vec{x}$, todavía iba a llegar a la conclusión de que el trabajo es la influencia de una fuerza en un desplazamiento del objeto. Entonces, ¿por qué es que la ecuación?
5. Cómo es el consumo de energía en otras formas de trabajo de movimiento? Cómo son el calor de la energía, o las ondas de sonido, por ejemplo, en el trabajo?

Gracias.

Answer 1

No se sorprenda de que la física tiene una gran cantidad de definiciones que son circulares. En última instancia, se acaba de describir el universo.

Trabajo y la energía se han definido de una manera determinada en la física newtoniana para explicar una cinemática del modelo de la realidad. Este es un modelo, no de la realidad - usted encontrará que no hay tal cosa en realidad. Sin embargo, en muchos casos, es bastante cercano a la realidad para ser útil.

Por ejemplo, digamos que un ser humano tiene un 10% de eficiencia en la conversión de los alimentos en trabajo mecánico. Así que si vas a gastar 1000 kJ de energía de los alimentos para presionar contra una pared, estás haciendo 1000 kJ de trabajo, o de 100 kJ de trabajo, o 0 kJ de trabajo?

En estricto mecánica sentido, no se hizo ningún trabajo en absoluto, y toda la energía que se utiliza se pierde en forma de calor. Si en lugar de utilizar esta energía para empujar una locomotora, usted habría perdido "sólo" 900 kJ de energía en forma de calor, con 100 kJ de trabajo. Pero la locomotora tiene su propia fricción, y wil parar, finalmente, perder toda la energía en forma de calor de nuevo. Y, en general, se hizo gastar todas esas 1000 kJ de energía de los alimentos que es no volver jamás.

Todos esos son simplificaciones. La cinemática se ocupa de las cosas que se mueven. El uso de modelos es todo acerca de la comprensión de los límites de tales modelos. Estás tratando de explicar la termodinámica utilizando la cinemática - esto es en realidad bastante posible (por ejemplo, la cinemática de la teoría de calor), pero no es tan simple como usted lo hace. Vamos a mirar el fuego de ejemplo. Dicen que no hay desplazamiento, y por lo tanto no hay trabajo. Ahora, dentro del contexto habitual de la cinemática se utiliza, tiene toda la razón - todos de que la energía se pierde, y usted debe tener para impulsar un pistón o algo para cambiarlo a un trabajo útil.

Hacer una nota clara aquí: ¿qué es el trabajo útil es completamente un concepto humano - es todo 100% relevante sólo en el contexto de sus objetivos; si usted usa que "los residuos" al calor de su casa, le hubiera sido útil el trabajo. Lo que ocurre es que si se mira de cerca, verá que el calor del fuego hace producir el movimiento. Las moléculas individuales que forman la madera de maniobra más y más, algunos de ellos de romper y la reforma, y con el aumento de la de aire caliente lejos del fuego, mientras que también dibujo en el aire más frío de los alrededores para alimentar el fuego más. Hay un montón de desplazamiento de las moléculas individuales de acelerar y frenar, mover y saltar alrededor... Pero no nos engañemos, el hecho de que la cinemática puede explicar satisfactoriamente una gran parte de la termodinámica es sólo un bono - nadie afirmó que la cinemática explica el 100% del universo. Fue un modelo para explicar cómo los objetos macroscópicos se mueven en escenarios cotidianos. No trate de explicar fuego.

Para preguntas específicas, realmente no debería múltiples preguntas en una sola pregunta. Se vuelve muy desordenado. Pero para hacer frente a ellos de forma rápida:

1. No hay energía potencial en la cinemática del modelo. El concepto se define a la envolvente de los estados, que en realidad no existe como concepto en la cinemática. En otros modelos, se puede ver que hay una diferencia entre, digamos, la energía potencial y la energía cinética - no hay tal cosa existe realmente en la realidad. Usted necesita entender el contexto del modelo.
2. En un perfectamente cinemática mundo, esto es 100% correcto. Sin embargo, como se señaló antes, la cinemática no es un 100% con la descripción exacta de la realidad, y hay otras consideraciones que se aplican, tales como el hecho de que los seres humanos han limitado el ritmo de trabajo, una capacidad limitada para aplicar la fuerza, y los materiales que están construidas no son infinitamente difícil, perfectamente inflexible y no existen en perfecto aislamiento de todos los de fuera (y dentro) de los efectos. En aplicaciones del mundo real de los modelos, estas diferencias generalmente son eliminados a través de la comprensión de los límites de los modelos, y el uso de diversas "corrección" constantes - y si eso no es suficientemente bueno, picking (o hacer) un mejor modelo.
3. Eres la mezcla de diferentes modelos en diferentes niveles de abstracción y de diferente alcance, de modo que la confusión es inevitable. Dentro de la simplificación del contexto de la cinética, no existe el concepto de "energía potencial". Usted simplemente tiene energía que puede ser utilizada para hacer el trabajo, y eso es todo, que no se preocupa de cómo esa energía se utiliza para hacer el trabajo, acerca de la eficiencia de hacerlo, etc. En otro contexto, puede ser muy útil pensar en la energía y la masa como la misma cosa y en otra, que podría ser considerado intercambiables en una cierta proporción, o tal vez en una dirección determinada, o a una cierta velocidad. Es todo acerca de lo que estamos tratando de hacer.
4. Cómo es que la ecuación es útil? Esa es la única cosa que importa acerca de ambas definiciones y ecuaciones. Podemos definir un millón de cosas que son completamente inútiles si quería - pero ¿cuál es el punto?
5. En el contexto original, aquellos que no se consideran en absoluto. Dentro de una visión más realista contexto, el calor y el sonido son también cinemática.

La razón por la que es tan difícil encontrar la respuesta a sus preguntas sobre la física de los sitios y foros es que la pregunta no tiene mucho sentido en la física. Es más acerca de la filosofía de la ciencia, y la idea de la construcción de modelos del mundo que intentan describir la realidad a una aproximación que pasa a ser útil para nosotros. Crees que esas palabras tienen un significado inherente que es aplicable en cualquier contexto - esto simplemente no es cierto. Desde el inicio de la idea de la física, la gente ha sabido que no es (y nunca será) una representación exacta de la realidad; y, que hemos conocido por mucho tiempo que, por ejemplo, diferentes observadores pueden estar en desacuerdo sobre la energía de un objeto. Usted sólo necesita entender que el modelo es útil, y elegir el modelo adecuado para el trabajo. No intente conducir un tornillo con un rastrillo de jardín.

Answer 2

Si, un hombre [ha] 100J de energía, [puede] se aplica una fuerza de $10^{100}N$$10^{−98}m$ ?

Sí.

Como la famosa frase de Arquímedes señaló, que sólo necesita de una muy larga de la palanca, un punto de apoyo, un tiempo suficiente cantidad de tiempo, y un adecuado seguimiento.

El punto importante es que no todas las formas posibles de la expresión de una ley son factibles, solo que todos los que realmente se producen son observados a obedecer la ley.

Answer 3

Es la fuerza, no por la Fuerza, usted puede sentir y medir, pero se refiere sólo a una instalación real, que es inútil cuando se busca una comprensión general. Trabajo, presión, energía,... Todo lo que se refiere a las fuerzas en un contexto más amplio.

Trabajo
El análisis de fórmula $W=\int_s\vec F\cdot d\vec r$ podemos leer cómo fue la fuerza aplicada se consume para mover el cuerpo, sobre el camino de $s$. Supongamos que estamos deslizando un cuadro en el pavimento. Suponga que la fuerza es descrito como $F=\mu\ G$ donde $\mu$ es el coeficiente de fricción, $G$ es la fuerza gravitacional. En ese ejemplo, el doble de la cantidad de trabajo realizado para mover dos cuadros sobre el mismo camino (la Fuerza se duplica). O podemos deslice dos cuadros de la mitad del camino, frente a un cuadro, por el mismo trabajo por hacer.

La energía
La energía es la capacidad o potencial, para hacer un trabajo. La energía potencial es una forma de energía.

• Energía cinética es la energía almacenada en el estado de movimiento del cuerpo y puede ser liberada por la desaceleración del cuerpo. Usted puede ver el cuerpo en movimiento = tiene energía.
• La energía interna es la energía almacenada en el movimiento térmico de las partículas en el interior del cuerpo y es percibido por la temperatura del cuerpo. Si el cuerpo es de gas, la energía puede ser liberada por el movimiento del pistón. Usted puede sentir que el cuerpo se caliente = tiene energía.
• La energía eléctrica, también conocido como el potencial eléctrico, la energía de cobra cuerpo en un determinado campo eléctrico. Es similar a la de la masa en un campo gravitacional. Simpest ejemplo es acusado de condensadores. Si es descargado a través del motor se moverá el cuerpo y la energía que se consume. Usted puede measue distinto de cero voltaje = es la energía entre los electrodos.
• La energía química, también conocido como reactional la entalpía, la energía almacenada en la diferencia entre los estados de energía de los reactivos y productos (supongamos que la reacción es exotérmica). Esta energía es liberada en forma de calor - fuente de alimentación de motores térmicos y explosivos - o como un voltaje de acumuladores. No hay etiqueta de "explosivos" = es la energía interior.
• La energía potencial es bastante complicado nombre. Imagine que hay una caja de hormigón. No se mueve (no la energía cinética), tiene la misma temperatura como sus alrededores (no interior de la energía se extrae), no se cobra (no hay energía eléctrica) y es químicamente estable (no la energía química). Todavía se puede hacer un trabajo, porque es de 5 metros por encima del suelo. Esta caja de hormigón tiene potencial para ganar la cinética de la energía que es capaz de hacer una mecánica de trabajo en el terreno.

El trabajo, la energía potencial y la energía cinética se define cuando las otras formas de energía que no fueron descubiertos todavía, o la conexión entre ellos y el movimiento no fue descubierto.

1. Sí, la energía en cualquier forma, es el potencial para hacer el trabajo. Y la energía de un sistema puede ser aumentado por hacer un trabajo sobre ella.
2. Opeprations con la energía tienen sus límites también. Usted no puede descargar la batería de coche de dibujo 1 TA de la corriente, no puede levantar 10ton coche con las manos. Si quieres superar tales límites para el uso de "herramientas". Si usted wan para aplicar $10^{100}$ N en algún lugar usted necesita la caja de cambios con $10^{98}:1$ proporción. En ese caso va a aplicar la fuerza deseada en $10^{-98}$ m de la pista, pero sus manos se aplicará el 100 N de la fuerza de más de 1 metro de la pista.
3. Usted puede ver la diferencia al hombre de truco de pie en el techo (con potencial de energía) saltó en cajas de papel (que consume energía). Usted puede ver una diferencia entre un coche que se aproximaba a una pared (tener energía cinética) y el resultado de la EuroNCAP prueba (energía consumida a la deformación plástica). Usted puede ver la pila de madera, vacía de canyster de la gasolina y el burro con la quema de la antorcha (tener entalpía de lanzamiento) y el vuelo de los registros y el blastwave (entalpía se libera como energía cinética de los registros, el calor y la onda de sonido)...
   El cambio de masa para obtener la energía que es posible en la relatividad, en la que la energía es la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Hombre de reducir su masa haciendo un trabajo por el consumo de glucosa (sólido) y la producción de dióxido de carbono (gas) y agua (líquido y gas), que el aliento o el sudor.
4. Como escribí anteriormente, el trabajo es producto de la fuerza aplicada y la pista donde se aplica. Por el contrario $E_k=1/2mv^2$ fue derivado como un trabajo necesario para acelerar el cuerpo de la constante de la velocidad de la $v$. $$E_k=W=\int_0^lF\ dx=\int_0^l\frac{dp}{dt}dx=\int_0^l\frac{d(mv)}{dt}dx=\int_0^vm\frac{dv\ dx}{dt}=m\int_0^vv\ dv$$ $$E_k=m\int_0^vv\ dv=m[1/2v^2]_0^v=1/2mv^2$$ Física de aplicar herramientas matemáticas para describir el mundo real, por lo tanto cada cantidad física tiene su unidad de medida. En otras palabras, si usted lee $l=5\ \mathrm m$, leer que la longitud de la $l$ es cinco veces más que el SI el estándar del medidor. Nada más, nada menos. Joule fue definido como el de newton veces medidor, período. Otra "regla" para describir el objeto tan simple como sea posible. Su definición $W=2Fx$ no es simple. Para ser válida, se espera que el uso de medidores y en newtons como unidades de longitud y fuerza, respectivamente, pero halfjoules como unidades de energía. Utilizando su definición, la energía cinética adquirida por este trabajo va a ser $E_k=mv^2$. Por otro lado, si se evalúa el trabajo en joules usted puede utilizar la fórmula usando pies y libras-fuerza - usted tiene que convertir a todos en unidades imperiales, unidades SI o en unidades. Nada es aceptable.

5. El trabajo es la fuerza aplicada sobre una pista. Que implica el movimiento por definición. Cualquier fuerza que se aplicó sobre thet pista significa que el trabajo estaba hecho. Las leyes de la conservación y la tercera ley de Newton del estado, que la energía no puede desaparecer, puede cambiar su naturaleza única, y donde se trabaja ($\int F\ dr>0$) la misma cantidad de trabajo que se consume ($\int-F\ dr>0$).
   El calor es energía que se transfiere de un punto a a Un punto B, percibidas por el cambio de temperatura y realizado por el cambio de la energía potencial y cinética de las partículas. La energía cinética se refiere a las velocidades de las partículas y la energía potencial se refiere a su vinculación a los estados. Las ondas de sonido son variación periódica de la presión en los fluidos o el desplazamiento en los sólidos, de nuevo en la escala atómica. En ambos casos, algunas partículas de trabajo en las partículas. En el campo electromagnético de las partículas cargadas que hacer un trabajo de otro partículas cargadas. Pero es inútil describir algún fenómeno por decribing todas y cada una de las partículas involucradas. Cuando las estadísticas se ha aplicado, la temperatura, la presión, el calor, la entalpía, la entropía, y muchos otros fueron definidos.

Answer 4

[¿] La definición de la energía [significa] que cada [forma de] la energía es la energía potencial?

Resulta que no es conveniente o muy útil para pensar de esta forma. Si lo hace, entonces la palabra "potencial" termina por no tener una utilidad real.

En un comentario, tfb vinculado Feynmann sobre este tema

Hay muchos lugares Dennis puede ocultar el rojo cubos

• en movimiento (energía cinética).
• en un peso pesado en equilibrio sobre la parte superior de un armario.
• en un resorte comprimido.
• por el movimiento de cargas eléctricas entre dos adyacentes placas conductoras.

Es útil tener diferentes nombres en diferentes lugares, que Dennis se puede ocultar rojo cubos.

Si usted dice que todas las formas de energía tienen el potencial de hacer el trabajo, usted puede ser correcto, pero todavía es útil tener algunos de los diferentes nombres para las formas en que podemos distinguir.

Answer 5

Por qué $W = F_x \cdot x$ e no $W = 2F_x \cdot x$ ?

La constante es determinado por nuestra elección de las unidades, es justo allí, así que los números que calcular corresponden a las marcas de nuestros gobernantes.

Por ejemplo, si $W = F_x \cdot x$ al $x$ se mide en metros, simultáneamente es cierto que $W = 3F_x \cdot x$ cuando x se mide en metros.

Desde la elección de la escala de medida es arbitraria (la longitud de algunas personas brazo, el diámetro de un determinado planeta, ...) el número no es muy interesante. Por lo que a veces se omite cuando se habla de conceptos, principios, etc.

Es conveniente si usted puede elegir un sistema de unidades para que esta constante es 1 y por lo tanto queda fuera de la vista. A veces la gente hace esto.