Fizyka - Energia i praca
Formy energii
Wokół nas nieustannie coś się dzieje: wieje wiatr, jeżdżą samochody, radio emituje dźwięk. Wszystkie zjawiska zachodzą dzięki przemianom energii. Energia jest nie- zbędna do wszelkiej aktywności, każdego działania – zarówno na Ziemi, jak i we Wszechświecie. Energia może przyjmować różne formy. Z własnego doświadczenia wiesz, że większość urządzeń w twoim domu działa dzięki energii elektrycznej. W żelazku jest ona zamieniana na energię wewnętrzną (związaną z temperaturą), w telewizorze – na energię promieniowania i energię akustyczną, w kolejce elektrycznej – na energię kinetyczną (związaną z ruchem) lokomotywy i wagoników. Bardzo ważną rolę w życiu odgrywa także energia chemiczna, magazynowana w wiązaniach chemicznych. Ta zawarta w paliwie może zostać zamieniona np. na energię elektryczną w elektrowni lub mechaniczną w silniku spalinowym.
Rodzaje energii
Większość energii wykorzystywanej przez człowieka pochodzi od Słońca, wyjątek stanowią energia jądrowa, pływów i geotermalna.
- Energia potencjalna sprężystości - napięta sprężyna ma sprężyna lub zegar mechaniczny.
- Energia kinetyczna - związana z ruchem. Im większa prędkość, tym większą energię kinetyczną posiada samochodzik.
- Energia potencjalna - posiadą ją ciało uniesione na wysokość.
- Energia wewnętrzna - to suma energii potencjalnej i kinetycznej czasreczek materii.
Praca w sensie fizycznym Słowo „praca” używane jest często w życiu codziennym. Gdy mówisz: „Tata jest w pracy”, oznacza to, że wykonuje on pracę zarobkową. Ty też pracujesz, bo cho- dzisz do szkoły i uczysz się – wykonujesz pracę umysłową. Niesienie ciężkiej torby także uznasz za wykonywanie pracy. Jednak nie każda wykonana czynność jest w fizyce rozumiana jako praca, nawet gdy nastąpił przy tym duży wysiłek fizyczny (np. mięśni ludzkich). Praca w sensie fizycznym, określana jako praca mecha- niczna, jest związana z działaniem siły i ruchem ciała.
Praca jest wykonywana wówczas, gdy na ciało działa siła (F), która powoduje jego przemieszczenie (s) w kierunku innym niż prostopadły do działającej siły.
Z definicji praca jest iloczynem skalarnym siły i przemieszczenia.
praca = siła ∙ droga W = F · s
Jednostką pracy w układzie SI jest dżul (1 J).
[W] = 1 J [1J = 1N · 1m]
1 J=1 N⋅1 m
Używa się również jednostek pochodnych:
1 kJ = 1000 J
1 MJ = 1 000 000 J
Przykład 1
Czy sztangista, trzymając sztangę ponad swoją głową, wykonuje pracę w sensie fizycznym?
Rozwiązanie:
Sztangista z pewnością się męczy, ale nie wykonuje pracy, ponieważ sztanga się nie przemieszcza.
Przykład 2
Jaś wyciągając wiadro ze studni o głębokości 10m działał stałą siłą 60N. Jak wielką pracę wykonał?
Dane: Szukane:
s = 10m W = ?
F = 60N
Ponieważ kąt pomiędzy wektorami siły i przemieszczenia jest w tym przypadku równy 0°, to praca wykonana w tym przypadku będzie po prostu równa:
W = F · s
W = 60N · 10m = 600J
Odpowiedź: Wartość pracy wynosi 600J.
Przykład 3
Oblicz pracę, jaką wykonuje dźwig, który powoli podnosi ze stałą prędkością element konstrukcyjny o masie m = 500 kg na wysokość 20 metrów.
Analiza zadania:
Praca wykonywana przez dźwig podnoszący element konstrukcyjny: W=F⋅s .
Do obliczenia pracy potrzebna jest znajomość siły i wartości przemieszczenia. Wartość przemieszczenia została podana w zadaniu. A co z siłą? Najmniejsza siła, jaką należy działać na ciało, aby móc podnieść je do góry, musi równoważyć jego ciężar.
Wartość tej siły obliczymy więc ze wzoru na ciężar ciała: F=m⋅g
Do obliczenia wartości siły potrzebujemy zatem wartości masy podnoszonego ciała i przyspieszenia grawitacyjnego, a do obliczenia wartości pracy – wysokości, na jaką podnosimy to ciało.
Dane:
m=500 kg,
s=20 m,
g=10ms2.
Szukane: W= ?
Obliczenia:
Siła, jaką działamy, musi być zwrócona pionowo w górę i przesunięcie elementu też odbywa się w górę.
Jej wartość wynosi:
F=m⋅g=500 kg⋅10ms2=5 000 N.
Obliczamy wartość pracy:
W=F⋅s=5 000 N⋅20 m=100 000 J=100 kJ.
Odpowiedź: Praca wykonana przy podnoszeniu elementu konstrukcji wynosi 100 kilodżuli, czyli 100 tysięcy dżuli.
Trochę zabawy:
---------------------------------
