Energia mechaniczna i jej rodzaje
W prasie i w serwisach informacyjnych często padają słowa: dostawcy energii, minister do spraw energii, zapotrzebowanie na energię, spór (czasem wojna) o energię – ale czym właściwie jest ta cała „energia”? Czy fizyka ma na to pytanie jednoznaczną odpowiedź?
stwierdzić, że pracę wykonuje siła równoległa do przemieszczenia;
wyrazić wartość pracy jako iloczyn siły i przemieszczenia;
podać definicję jednostki pracy 1 dżul [J].
podawać definicję energii oraz energii mechanicznej i wymieniać ich rodzaje;
opisywać zmiany energii ciała w wyniku wykonania pracy.
Mówimy, że wykonanie jednej pracy i zmiana położenia ciała spowodowały zgromadzenie pewnej energii, dzięki której ciało to zyskało możliwość wykonania innej pracy.
Jeżeli na stole znajduje się lampa, to trudno sobie wyobrazić, aby mogła ona wykonać jakąś pracę. Gdyby jednak zawiesić ją na pewnej wysokości, to podczas spadania mogłaby ona wykonać pracę (na przykład tłukąc talerz leżący na stole pod lampą). Jednak aby zawiesić lampę, musimy ją podnieść do góry, a zatem działając pewną siłą, wykonać pracę. Jeżeli chcemy powiesić lampę wyżej, praca ta musi być większa, ponieważ działamy taką samą siłą, ale na dłuższej drodze. Wisząca na większej wysokości lampa ma większą energię i może wykonać większą pracę.
Właściwość ta jest charakterystyczna dla wszystkich ciał, które zostały podniesione nad powierzchnię Ziemi. Praca włożona w zmianę położenia tych ciał w pionie zostaje w nich „zmagazynowana”, a one same mogą ją „oddać”.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Kręgle
Podczas gry w kręgle rozpędzamy kulę – wykonujemy przy tym pracę (działamy na kulę siłą i przesuwamy na pewną odległość), następnie rozpędzona kula przesuwa i przewraca kręgle. Poruszające się ciało ma możliwość wykonania pracy. Mówimy, że posiada pewną energię związaną z ruchem.
W dawnych czasach używano tzw. bombard (informacji o nich poszukaj w Internecie). Był to pierwowzór działa. Bombarda wyrzucała kule kamienne lub żelazne z dużą prędkością. Kula uderzając w mury zamku, powodowała ich pękanie. Mogła ona wykonać pracę dzięki temu, że miała dużą prędkość.
Następnym przykładem możliwości wykonania pracy dzięki zmagazynowanej energii jest używana w dawnych czasach katapulta lub proca.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Katapulta
Z powyższych przykładów widać, że wykonanie nad ciałem pracy prowadzi do zmiany jego stanu. Ciało poprzez zmianę położenia lub uzyskanie prędkości ma możliwość wykonania pracy. Mówimy, że takie ciało zyskuje energię. Energia ta związana jest ze zmianą położenia lub zmianą prędkości i nazywamy ją energią mechaniczną.
Energię tę możemy podzielić na dwie kategorie:
Zależną od wzajemnego położenia oddziałujących ciał (jak w przypadku katapulty) – tę kategorię nazywamy energią potencjalną. Zmiana położenia ciał jest czynnikiem umożliwiającym wykonanie przez nie pracy. Przykładowo: wiszący nad wbijanym słupem młot kafara może wykonać pracę dopiero wtedy, gdy spadnie i uderzy w słup.
Zależną od ruchu ciała (jak w przypadku kręgli) – tę postać energii nazywamy energią kinetyczną. Ciało będące w ruchu może wykonać pracę. Szczegółowo te formy energii omówimy dalej.
Nie zawsze wykonana praca zmienia się w energię potencjalną lub kinetyczną. Jeżeli pchamy szafę poziomo siłą równą sile tarcia, to nie uzyskujemy ani wzrostu prędkości, ani zmiany położenia względem powierzchni Ziemi. Nie zmieniamy zatem ani energii kinetycznej, ani potencjalnej ciała. Nie oznacza to jednak, że przepadła ona bez śladu – zmieniła się w inną formę energii – energię wewnętrzną, którą omówimy w dalszej części podręcznika. Energia ta związana jest ze zmianą temperatury ciała.
– wielkość fizyczna charakteryzująca ciało lub układ ciał i związana z pracą, którą to ciało jest w stanie wykonać. Ciało (układ ciał) posiada energię, jeśli jest zdolne do wykonania pracy.
Energia może występować w różnych formach, np. energia elektryczna, energia cieplna, energia chemiczna, energia jądrowa, energia świetlna, energia mechaniczna. Jednostką energii jest dżul.
– występuje w dwóch postaciach: energii potencjalnej i energii kinetycznej, a jej całkowita wartość jest ich sumą, czyli:
Energię oznacza się symbolem i dlatego powyższy związek możemy zapisać w formie równania:
Energia ciała może się zmieniać. Gdy ciało wykonuje pracę, jego energia maleje, a gdy siły zewnętrzne wykonują pracę nad ciałem – jego energia wzrasta o wartość wykonanej pracy.
Podczas gry w koszykówkę zawodnik podnosi piłkę nad głowę, zwiększając jej wysokość nad podłogą o metra. O ile wzrosła energia potencjalna piłki? Masa piłki do koszykówki wynosi .
Analiza zadania:
Przyrost energii piłki () jest równy pracy, jaką wykonał zawodnik, podnosząc piłkę do góry:
.
Aby obliczyć pracę, musimy znać wartość siły i przesunięcia, gdyż .
Podnosząc piłkę do góry, zawodnik musiał działać siłą co najmniej równą ciężarowi piłki, czyli:
.
Zatem praca wykonana przez zawodnika wynosiła:
.
Jest to jednocześnie wartość przyrostu energii piłki.
Dane:
,
,
.
Szukane:
Obliczenia:
.
Odpowiedź:
Energia piłki wzrosła o , ponieważ zawodnik wykonał nad nią pracę o takiej wartości.
Które z poniższych stwierdzeń są prawdziwe, a które nie?
| Prawda | Fałsz | |
| Toczący się walec uderzył w skrzynię i przesunął ją. W wyniku tego energia walca zmalała o wartość pracy wykonanej przez walec nad przesunięciem skrzyni. | □ | □ |
| Toczący się walec uderzył w skrzynię i przesunął ją. W wyniku tego energia walca wzrosła, ponieważ została wykonana praca. | □ | □ |
| Rakieta tenisowa uderzyła w piłkę, nadając jej prędkość. Energia piłki wzrosła o wartość pracy wykonanej przez rakietę przy rozpędzeniu piłki. | □ | □ |
| Łucznik naciągnął cięciwę łuku. Energia łuku wzrosła o wartość pracy wykonanej przez łucznika. | □ | □ |
| Samochód rozpędził się dzięki działaniu silnika. Energia samochodu wzrosła o wartość równą pracy wykonanej przez silnik. | □ | □ |
| Pracę włożoną w przesuwanie jakiegoś ciała zawsze można odzyskać. | □ | □ |
| Samochód rozpędził się dzięki działaniu silnika. Energia mechaniczna samochodu zmalała, ponieważ silnik zużył paliwo. | □ | □ |
Pojęcie energii jest stosunkowo nowe w nauce i do XVII wieku było zupełnie nieznane. Dopiero w 1695 r. Gottfried Wilhelm Leibniz podał twierdzenie, że iloczyn siły i drogi daje przyrost „siły żywej” (łacińskie vis viva). Newton nie przywiązywał szczególnej wagi do tego pojęcia. Nazwę „energia” wprowadził w 1807 r. Thomas Young. Jeszcze w 1850 r. znaczna część ówczesnych uczonych wątpiła w istnienie energii. Dziś wiele podręczników fizyki zaczyna się od stwierdzenia, że fizyka to nauka o energii i sposobach jej przemian.
Podsumowanie
Energia jest wielkością fizyczną, którą ma ciało lub układ ciał, wyrażającą jego zdolność do wykonania pracy. Może występować w różnych formach, np. jako energia elektryczna, energia cieplna, energia chemiczna, energia mechaniczna.
Jednostką energii jest dżul.
Energia ciała może się zmieniać. Gdy ciało wykonuje pracę, jego energia maleje, a gdy siły zewnętrzne wykonują pracę nad ciałem – jego energia wzrasta o wartość wykonanej pracy.
Energia mechaniczna jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej.
Najczęściej energię oznacza się symbolem
Zadania podsumowujące lekcję
Zegarmistrz nakręcał sprężynę starego zegara, wykonał przy tym pracę o wartości W = 0,7 J. Jak i o ile zmieniła się energia sprężyny?
- Wzrosła o 0,7 J.
- Zmalała o 0,7 J.
- Wzrosła o więcej niż 0,7 J.
- Wzrosła o 0,35 J.
- Zmieniła się o 0,7 J.
- Wzrosła, ale nie wiadomo o ile.
- Zmalała, ale nie wiadomo o ile.
Kowal podniósł młot o masie 10 kg na wysokość 1 metra. Jak i o ile zmieniła się energia młota?
- Wzrosła o 100 J.
- Zmalała o 100 J.
- Wzrosła o więcej niż 100 J.
- Wzrosła o 10 J.
- Zmieniła się o 100 J.
- Wzrosła, ale nie wiadomo o ile.
- Zmalała, ale nie wiadomo o ile.
Tocząca się kula uderzyła w skrzynkę i przesunęła ją po podłodze, wykonując pracę o wartości 30 J. Jak i o ile zmieniła się energia kuli?
- Zmalała o 30 J.
- Wzrosła o 30 J.
- Zmalała o więcej niż 30 J.
- Zmalała o 15 J.
- Zmieniła się o 30 J.
- Wzrosła, ale nie wiadomo o ile.
- Zmalała, ale nie wiadomo o ile.
Słowniczek
– urządzenie budowlane służące do wbijania pionowych pali w ziemię lub w dno zbiornika wodnego. Nazwa wywodzi się z niemieckiego słowa Keffer. Kafary wykorzystuje się przy palowaniu – podczas robót budowlanych wykonywanych najczęściej na grząskich lub niedostatecznie stabilnych gruntach oraz w budowlach nawodnych.
– machina miotająca pociski, wykorzystywana głównie w starożytności i średniowieczu. Zasada jej działania opiera się na wykorzystaniu energii sprężystej. Energia ta była wykorzystywana do miotania kamiennych pocisków.