¿Por qué las fórmulas para la energía frecuentemente involucran el cuadrado de una velocidad?

Es una especie de pregunta, simplemente decir que las unidades de energía son:

[matemáticas] J = kg \ frac {m ^ 2} {s ^ 2} [/ matemáticas]

entonces básicamente tienes que multiplicar una masa por una velocidad al cuadrado para obtener una energía. Entonces, la pregunta realmente se reduce a ¿ por qué son [matemáticas] kg \ frac {m ^ 2} {s ^ 2} [/ matemáticas] las unidades de energía?

De alguna manera, debes comenzar con una definición de energía. En física newtoniana, la energía se puede definir como la fuerza multiplicada por la distancia sobre la cual se aplica la fuerza. Ahora las unidades de fuerza son:

[matemáticas] F = ma = kg \ frac {m} {s ^ 2} [/ matemáticas]

Entonces las unidades de energía de esta fórmula son:

[matemáticas] Energía = F \ veces distancia = kg \ frac {m ^ 2} {s ^ 2} [/ matemáticas]

Entonces, esa es una justificación para decir que la energía tiene que tener las unidades de una masa multiplicadas por una velocidad al cuadrado, lo que explica la velocidad al cuadrado en ambos:

[matemáticas] E = \ frac {1} {2} mv ^ 2 [/ matemáticas]

[matemáticas] E = mc ^ 2 [/ matemáticas]

Sin algún tipo de resistencia que no sea la de la masa en el espacio, la cuadratura no puede hacerse sensible. Si piensas mucho sobre el efecto de cuadratura, y lo he hecho muchas veces, es posible que puedas entenderlo por un tiempo, siempre y cuando no lo vuelvas a visitar desde cero. Pero este efecto es real y me persiguió durante mucho tiempo. Ciertamente, puede explicarlo utilizando las Leyes de movimiento de Newton, es por eso que fueron creadas, pero eso no es realmente una explicación. Las leyes de Newton no explican por qué se necesita “fuerza” para crear movimiento, pero luego continúa a perpetuidad. Solo dice que sí.

Pero una vez que agregas la realidad de que la dilatación del tiempo es la resistencia a la aceleración , la cuadratura tiene sentido. O al menos hace retroceder el enfoque de “así son las cosas” otra o dos muescas.

Lo importante para mi comprensión fue tomar conciencia de que el segundo término debajo de sí mismo representa la energía de la dilatación del tiempo a velocidades clásicas. La dilatación del tiempo y la energía necesaria para alcanzar la velocidad a velocidades clásicas son completamente sincrónicas.

[matemáticas] E = mc ^ 2 + \ frac {1} {2} mv ^ 2 + \ frac {1} {8} \ frac {mv ^ 4} {c ^ 2} + \ cdots [/ math]

Los términos correctores que siguen al término KE clásico fueron donde pensé en la vida anterior que ocurrió la dilatación, pero por supuesto son insignificantes. De hecho, el segundo término es donde la dilatación del tiempo a velocidades clásicas está sucediendo casi por completo. (¡Esto me emociona!).

También puede ver esto en la equivalencia de la primera variación del factor gamma de Lorentz que se muestra a continuación con la última expresión. El cambio en las velocidades del reloj es igual al cambio en la velocidad:

Este fue un cambio de paradigma masivo para mí. La resistencia a la aceleración, incluso a velocidades clásicas, es la dilatación del tiempo. Sabiendo esto, puedo hacer un trabajo fácil de entender la cuadratura. A medida que aumentan las velocidades relativas, también lo hace la resistencia de crear una mayor velocidad relativa. No se puede ver la dilatación del tiempo, pero está ahí. Saber que está allí me proporciona una sensación de paz y asombro por el universo en el que vivo.


Afortunadamente, encuentro que el proceso de transición de una visión newtoniana de la física clásica a una relativista es un proceso agradable, porque me ha llevado algo de tiempo y esfuerzo, y a medida que continúa tengo que reescribir algunas respuestas antiguas. Lo que me trae aquí.

Pero esto también me permite revisar mis pensamientos sin enviar spam a la comunidad, así que todo está bien. Me doy cuenta de que a la mayoría de la gente simplemente no le importa esto, pero a mí sí, muchísimo. Nunca superé el aprendizaje en la escuela primaria de que se necesita energía para poner un objeto en movimiento, pero luego continúa moviéndose para siempre, y en su lugar se necesita más energía para detenerlo. Eso no es intuitivo. Del mismo modo, siempre me ha molestado que la física clásica todavía se enseñe y luego se califique sin explicar cómo encaja todo.

Bueno, resulta que la fuente de mi angustia era ver el mundo clásico de manera clásica. Pensé que el movimiento clásico existía en su propio plano, y que la física relativista solo tenía que entrar en juego a velocidades extremas. El efecto relativista estaba allí, pero era tan leve que no importaba, o eso pensaba. Pero resulta que ese no es el caso, todo movimiento, en su totalidad y no solo al nivel de la “corrección relativista” está sujeto a los efectos de la relatividad.

Ahora eso tiene sentido. Extraño, pero comprensible. ¡Uf! El mundo es realmente comprensible después de todo.


Respuesta anterior:

El término cuadrado en la energía cinética. La ecuación es un resultado directo de la ley de conservación del momento, y el momento se adquiere de forma acumulativa en función del marco de referencia del observador.

Comprender la dimensionalidad del momento frente a la linealidad de la velocidad es la clave para que todo tenga sentido. El ímpetu es lo que nos permite pensar que estamos descansando sentados en nuestra silla reclinable a pesar de que estamos girando alrededor de un globo que rodea a una estrella que se dedica a seguir su propia trayectoria. Desde nuestra perspectiva, estamos en reposo, y requiere poco esfuerzo movernos una corta distancia, sin embargo, un observador que viaja a la velocidad del sol nos vería moverse increíblemente rápido y tendría que ejercer una energía tremenda para movernos incluso una corta distancia.

Ese es un ejemplo extremo de la naturaleza dimensional del momento que requiere no solo moverse linealmente en una dirección, sino avanzar dimensionalmente en tres. Cuando las velocidades involucradas son menores en lugar de planetarias, puede ser más difícil darse cuenta de esta dimensionalidad, y la transmisión lineal de momento que se refleja en las fórmulas que lo componen, hace que sea aún más difícil de ver. Mientras que el impulso de un objeto se transfiere a otros objetos linealmente, su dimensionalidad se observa completamente cuando un objeto en cambio salpica, y la verdadera naturaleza de la energía subyacente se vuelve muy visible.

Este es realmente el mismo fenómeno físico que permite que diferentes partes del universo existan pacíficamente ajenas al hecho de que en realidad se están moviendo muy rápido en comparación con otros lugares. Esta es también la única forma en que se puede conservar tanto la energía como el impulso, por lo que las cosas solo pueden suceder de esta manera según las leyes de la naturaleza tal como las entendemos.

La otra fórmula en esta pregunta, con respecto a la relación de velocidad de la energía de las partículas de fotones sin masa con los objetos que sí tienen masa, es maravillosamente complementaria a esto. Todo esto es perfecto. Cuanto más lo piensas, más descubres y más hermoso se vuelve.

La respuesta de “por qué” es más difícil de lo que parece. La mayoría de las personas aquí han respondido que las unidades funcionan como tales y que la energía cinética en sí misma implica velocidades de cuadratura. Esto es verdad.

Creo que la razón por la que lo ves en otras fórmulas es porque la energía es equivalente y conservada en todo momento. Los problemas en física a menudo se refieren a convertir la energía en diferentes formas y tener en cuenta todos los tipos presentes.

Si sabemos que la energía cinética se está convirtiendo al 100%, por ejemplo, en energía potencial, entonces podemos establecer una ecuación.

KE = PE KE = 1 / 2mv ^ 2 y PE = mgh

Así 1 / 2mv ^ 2 = mgh. Entonces v ^ 2 = 2gh. Al cambiar las fórmulas y equilibrar las ecuaciones, puede hacer que parezca que todas las ecuaciones de energía involucran velocidad al cuadrado, siempre que se trate de energía cinética.

Siendo ese el caso, también puede responder la pregunta engañosa de cuál era la energía potencial de un objeto antes de que se pusiera en movimiento, incluso si no se le da gravedad o altura y se le da velocidad y masa. La energía se conserva, por definición, incluso la energía potencial = 1 / 2mv ^ 2.

Espero que ayude si todavía estabas confundido.

Debido a que la energía cinética de una partícula es igual a la mitad de la masa de la partícula multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la partícula:

[matemáticas] KE = \ frac {1} {2} mv ^ 2 [/ matemáticas]

Puede echar un vistazo a la derivación de la fórmula de la energía cinética para obtener más explicaciones de por qué ese es el caso. A partir de esta fórmula (o de la fórmula para el trabajo, obtenemos que las unidades de energía son
[matemática] kg \ frac {m ^ 2} {s ^ 2} [/ matemática].
En muchas otras fórmulas, simplemente para que las unidades funcionen, la velocidad debe ser al cuadrado. (mira las unidades para [matemáticas] E = mc ^ 2 [/ matemáticas])

La velocidad es un vector. Para comparar su magnitud con un escalar, debe convertirlo en un escalar. La cuadratura hace eso. También puede reducirlo a una magnitud tomando la raíz cuadrada después de cuadrarla, pero las raíces cuadradas hacen que las ecuaciones sean feas y son computacionalmente caras. Entonces, a menos que haya una razón física convincente para hacerlo, como lo es con el factor gamma en Relatividad Especial, es mucho más fácil dejarlos al cuadrado.

ETA: Autocorrección corrigió mi falta de ortografía de “escalar” en “ensalada”, que encuentro sorprendentemente perspicaz.

Las respuestas con análisis dimensional responden exactamente la pregunta. Solo para agregar un poco:

F = dp / dt
Trabajo realizado: W = Integral (F.dx)
Implicando F = dW / dx
Por lo tanto, la energía obtenida por la partícula sobre la que actúa una fuerza (en un entorno libre) es:

(dp / dt) = dE / dx.

Usando la regla de la cadena, (dE / dp) (dp / dx) = dp / dt = (dp / dx). (Dx / dt)
Entonces dE / dp = dx / dt. = v

Esto es cierto para el caso clásico, KE es (p ^ 2) / 2m
E = p ^ 2 / 2m + V
Entonces dE / dp = p / m = v

Incluso si trata a E como expectativa de ihd / dt y P como expectativa de ihd / dx,
dE / dP es una especie de v.

En caso relativista
E = SQRT (p ^ 2c ^ 2 + m ^ 2c ^ 4)
dE / dp = p / SQRT (p ^ 2c ^ 2 + m ^ 2c ^ 4) = p / E = v (Pendiente del momento de 4 vectores)

Entonces, dado que dE / dp es V,
E tiene unidades de p multiplicadas por unidades de v y, por lo tanto, tiene unidades de v ^ 2