Praca, moc i energia mechaniczna - Spotkania z fizyką 7

1.Energia

Wielkość, która określa zdolność ciała lub układu ciał do wykonania pracy. Np. napięty łuk albo uniesiony młot (kafar) mogą wykonać pracę. Jednostką energii jest dżul (1 J).

2.Formy energii

Energia może przyjmować różne formy, m.in.: elektryczną, wewnętrzną, chemiczną, jądrową, akustyczną, kinetyczną, potencjalną (grawitacji i sprężystości) oraz energię promieniowania (niosą ją np. światło, mikrofale, ultrafiolet, promienie rentgenowskie i fale radiowe). Wszystkie zjawiska zachodzą dzięki przemianom energii z jednej formy w inną.

3.Energia elektryczna

Forma energii najłatwiejsza do przesyłania i zamiany na inne rodzaje, dlatego zasila większość urządzeń. W żelazku zamienia się na energię wewnętrzną, w telewizorze - na energię promieniowania i akustyczną, a w kolejce elektrycznej - na energię kinetyczną.

4.Energia wewnętrzna

Energia cząsteczek ciała związana z jego temperaturą i stanem skupienia. Gdy podgrzewasz ciało, zwiększasz jego energię wewnętrzną.

5.Energia chemiczna

Energia magazynowana w wiązaniach chemicznych, np. w paliwach (węgiel, benzyna) i w pożywieniu. Wyzwala się m.in. podczas spalania. Jest głównym źródłem energii dla ludzkości, a energia z pożywienia pozwala organizmowi utrzymać stałą temperaturę i działać.

6.Skąd pochodzi energia wykorzystywana przez ludzi?

Prawie cała pochodzi od Słońca. Wyjątki to energia jądrowa (np. w elektrowniach jądrowych), energia pływów morskich i energia geotermalna. Energia drewna, węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego to energia Słońca zmagazynowana przez organizmy żywe.

7.Praca a przemiany energii

Energia może przechodzić od jednego ciała do drugiego w postaci ciepła (w wyniku różnicy temperatur) albo dzięki pracy. Praca określa liczbowo, ile energii zamieniono z jednej formy na inną, np. przy przesuwaniu szafy energia chemiczna mięśni zamienia się w energię ruchu mebla i energię wewnętrzną w miejscach tarcia.

8.Praca mechaniczna

Praca w sensie fizycznym. Jest wykonywana wtedy, gdy na ciało działa siła, a ciało porusza się w kierunku innym niż prostopadły do kierunku działania siły. Jest wykonywana także przy odkształcaniu ciała, np. przy zgniataniu plasteliny. Nie każdy wysiłek, np. nauka, jest pracą w sensie fizycznym.

9.Wzór na pracę

Pracę oznaczamy literą $W$. Gdy kierunek działania siły jest zgodny z kierunkiem ruchu ciała, praca jest iloczynem siły i drogi: $W = F \cdot s$. Siłę podajemy w niutonach, drogę w metrach, a pracę otrzymujemy w dżulach. Gdy ciało dzięki bezwładności porusza się przeciwnie do zwrotu siły (np. tarcia), mówimy, że wykonuje pracę przeciwko tej sile.

10.Dżul

Jednostka pracy i energii w układzie SI: $1~\mathrm{J} = 1~\mathrm{N} \cdot 1~\mathrm{m}$. Praca 1 J jest wykonana, gdy siła 1 N działająca równolegle do toru ruchu przesuwa ciało o 1 m. Przedrostki: $1~\mathrm{kJ} = 1000~\mathrm{J}$, $1~\mathrm{MJ} = 1\,000\,000~\mathrm{J}$.

11.Kiedy praca jest równa zero?

Gdy na ciało działa siła, ale ciało się nie przemieszcza. Np. na wiszącą lampę działa siła ciężkości, ale droga wynosi 0 m, więc iloczyn $F \cdot s$, czyli praca, jest równy zeru.

12.Moc

Wielkość fizyczna równa ilorazowi pracy i czasu, w jakim tę pracę wykonano: $P = \frac{W}{t}$. Mówi, jaką pracę urządzenie wykonuje w jednostce czasu. Koń i traktor zaorzą takie samo pole (ta sama praca), ale traktor zrobi to szybciej, bo ma większą moc.

13.Wat

Jednostka mocy w układzie SI: $1~\mathrm{W} = \frac{1~\mathrm{J}}{1~\mathrm{s}}$. Urządzenie ma moc 1 W, gdy w czasie 1 s wykonuje pracę 1 J. Przedrostki: $1~\mathrm{kW} = 1000~\mathrm{W}$, $1~\mathrm{MW} = 1\,000\,000~\mathrm{W}$.

14.Moc chwilowa

Moc obliczana ze wzoru $P = F \cdot v$, gdzie $F$ - siła działająca na ciało, $v$ - prędkość ciała. Przydaje się, gdy prędkość zmienia się w czasie. Wzór stosujemy, gdy siła działa równolegle do kierunku ruchu. Wynika z $P = \frac{F \cdot s}{t}$ i $v = \frac{s}{t}$.

15.Przeciętna moc człowieka, konia i urządzeń

Rowerzysta ma moc ok. 0,15 kW, człowiek w marszu - 0,18 kW, koń - 0,45 kW. Urządzenia mają zwykle dużo większą moc, np. silnik samochodu 10-300 kW, elektrowóz 3000 kW, a elektrownia wodna nawet 5 000 000 kW.

16.Silnik parowy

Serce maszyny parowej: przekształca energię spalanego paliwa w ruch. Ogrzewana woda zamienia się w parę, która zajmuje ok. 1700 razy większą objętość niż woda. Para wywiera ciśnienie na tłok, a tłok porusza element maszyny. Wynalezienie silnika parowego zapoczątkowało rewolucję przemysłową.

17.Czy praca wykonana szybciej jest większa?

Nie. Gdy przesuwasz tę samą skrzynię na tę samą odległość, wykonujesz taką samą pracę, niezależnie od tego, czy idziesz, czy biegniesz. Biegnąc, wykonujesz tę pracę w krótszym czasie, więc działasz z większą mocą.

18.Kiedy ciało zyskuje, a kiedy traci energię?

Gdy siły zewnętrzne wykonują pracę nad ciałem (np. napinamy łuk, silnik podnosi kafar), ciało zyskuje energię kosztem energii innego ciała, a przyrost energii jest równy tej pracy: $\Delta E = W$. Gdy ciało samo wykonuje pracę, traci energię, która przechodzi do innego ciała lub do otoczenia.

19.Energia potencjalna sprężystości

Energia ciała odkształconego, np. napiętego łuku albo ściśniętej sprężyny. Powracając do pierwotnej postaci, takie ciało wykonuje pracę, np. napięta sprężyna napędza zegar mechaniczny albo samochodzik.

20.Energia potencjalna grawitacji

Inaczej energia potencjalna ciężkości. Ma ją ciało podniesione na pewną wysokość $h$ nad poziomem zerowym; jest związana z oddziaływaniem grawitacyjnym Ziemi i tego ciała. Zależy od masy ciała i wysokości, na jaką je wzniesiono: im większa masa i im wyżej jest ciało, tym jest większa.

21.Poziom zerowy

Dowolnie wybrany poziom, od którego mierzymy wysokość ciała przy obliczaniu energii potencjalnej grawitacji, np. podłoga albo powierzchnia Ziemi. Trzeba go określić, bo w zjawiskach interesuje nas tylko zmiana energii.

22.Wzór na przyrost energii potencjalnej grawitacji

$\Delta E_p = m \cdot g \cdot h$, gdzie $m$ - masa ciała, $g$ - przyspieszenie ziemskie, $h$ - wysokość. Wzór wynika stąd, że przyrost energii jest równy pracy przy podnoszeniu: $W = F \cdot h$, a $F = m \cdot g$. Przyrost energii jest wprost proporcjonalny do masy i wysokości. Wzór stosujemy tylko dla niewielkich wysokości, bo daleko od Ziemi siła grawitacji jest mniejsza.

23.Doświadczenie z piłeczkami spadającymi na ryż

Cel: zbadać, od czego zależy energia potencjalna grawitacji. Do miseczek z ryżem upuszcza się piłeczki pingpongowe: pustą i wypełnioną wodą z tej samej wysokości, a drugą wypełnioną wodą - z większej wysokości. Obserwacja: przy tej samej wysokości głębiej wbija się piłeczka o większej masie, a przy tej samej masie - upuszczona z większej wysokości. Wniosek: energia potencjalna rośnie z masą i z wysokością. Podczas spadania zamienia się w kinetyczną, a ta - w pracę przy wgniataniu ryżu.

24.Energia kinetyczna ciała

Energia związana z ruchem ciała (gr. kinema - ruch). Ma ją każde poruszające się ciało, np. jadący pociąg, płynąca woda czy wiatr. Jest tym większa, im większą prędkość i masę ma ciało. Przyrost energii kinetycznej jest równy pracy wykonanej przy rozpędzaniu ciała.

25.Wzór na energię kinetyczną

$E_k = \frac{m \cdot v^2}{2}$, gdzie $m$ - masa w kilogramach, $v$ - prędkość w metrach na sekundę; wynik otrzymujemy w dżulach. Energia kinetyczna jest wprost proporcjonalna do masy i do kwadratu prędkości: dwa razy większa masa - dwa razy większa energia, dwa razy większa prędkość - cztery razy większa energia.

26.Energia mechaniczna i jej rodzaje

Energia mechaniczna to suma energii potencjalnej i energii kinetycznej ciała. Jej rodzaje to energia potencjalna - grawitacji (ciężkości) i sprężystości - oraz energia kinetyczna, związana z ruchem ciała.

27.Zasada zachowania energii

Energii nie da się ani stworzyć, ani zniszczyć - można ją tylko przekształcić albo przekazać innemu ciału. Określona ilość energii jednego rodzaju może zamienić się w równą ilość energii innego rodzaju. W izolowanym układzie ciał przy braku oporów ruchu całkowita energia nie ulega zmianie: $\Delta E = 0~\mathrm{J}$.

28.Układ izolowany (odosobniony)

Układ ciał, który nie wymienia energii z otoczeniem. Jego całkowita energia jest stała.

29.Zasada zachowania energii mechanicznej

W izolowanym układzie ciał przy braku oporów ruchu całkowita energia mechaniczna (suma energii potencjalnej i kinetycznej) nie ulega zmianie: $E = E_k + E_p = \text{constans}$ (constans - stały). Gdy działają opory ruchu, część energii mechanicznej zamienia się na inne formy energii, zwłaszcza na energię wewnętrzną.

30.Przemiany energii podczas swobodnego spadania

Gdy ciało spada (bez oporu powietrza), jego energia potencjalna grawitacji maleje, a energia kinetyczna rośnie o tyle samo. Na początku (prędkość równa zeru) ciało ma tylko energię potencjalną, a tuż nad ziemią - tylko kinetyczną. Całkowita energia mechaniczna w każdym punkcie jest taka sama.

31.Przemiany energii w rzucie pionowym w górę

Ciało rzucone pionowo w górę ma na początku energię kinetyczną. Podczas wznoszenia zamienia się ona w energię potencjalną grawitacji. W najwyższym punkcie prędkość i energia kinetyczna są równe zeru, a energia potencjalna jest największa. Bez oporu powietrza $\frac{m \cdot v^2}{2} = m \cdot g \cdot h$, stąd $h = \frac{v^2}{2 \cdot g}$ - wysokość nie zależy od masy.