facebook-icon twitter-icon nk-icon youtube-icon

Praca, energia i moc

PRACA, MOC, ENERGIA

To są jedne z najważniejszych pojęć w fizyce, bo co by tutaj ukrywać, są one w pewnym sensie bezpośrednio związane z finansami. Za energię i wykonaną pracę trzeba zapłacić, żeby uzyskać jakąś określoną moc. A dzisiejszy świat stoi na pieniądzach, więc czego by się nie dotknąć wszyscy będą zadawali pytania właśnie o te 3 pojęcia.  Z tego powodu również i my nie możemy ich pominąć w naszym omówieniu.

 

Zacznijmy może od pracy mechanicznej

Praca mechaniczna jest wykonana tylko i wyłącznie wtedy, gdy do ciała przyłożymy jakąś siłę i ta siła spowoduje przesunięcie ciała na jakąś odległość.

Najprostszy przypadek mamy wtedy, gdy i kierunek siły i przesunięcie jest takie same, bo wartość siły można wówczas obliczyć mnożąc wartość siły razy wartość przesunięcia. Wynik otrzymamy w dżulach.

W=F*r [J]

W- praca

F- wartość siły

r- droga przemieszczenia

 

Jeśli chodzi o jednostkę to pracę podajemy w dżulach.

Jak można interpretować pracę jednego dżula? Pracę jednego dżula uzyskamy wtedy, gdy siła 1N przesunie ciało na odległość  1 metra. Warunek jednak jest taki, że kierunek i zwrot  siły przemieszczenia musi być taki sam. Cały czas podkreślam, że kierunek i zwrot musi być taki sam, w przeciwnym wypadku nie będziemy mogli korzystać ze wzoru powyżej. Dlaczego tak jest?

Prawdę mówiąc siła i przemieszczenie to są wielkości wektorowe, więc nasz wzór powinniśmy zaczynać od podania wzoru wektorowego, czyli tej najbardziej podstawowej wersji. Jeśli operujesz na wektorach to należy powiedzieć, że praca to jest iloczyn skalarny siły i przemieszczenia.

1. praca mechaniczna

Z matematyki powinieneś pamiętać, że iloczyn skalarny 2 wektorów można zapisać, że jest to długość pierwszego wektora razy długość drugiego wektora razy cosinus kąta między nimi.

 2. iloczyn skalarny - praca

Jeśli kąt między siłą a przemieszczeniem jest równy 0, tzn. przemieszczenia i siła mają ten sam kierunek i zwrot, a w takim przypadku cosinus kąta 0o jest równy 1 i wzór na pracę przyjmuje postać:

 3. praca mechaniczna

Teraz sprawa się wyjaśniła. Sam zobacz na rysunek

 4. praca

W=F*r*cosa=5*3*cos0o=15J

 

Praca i energia są to wielkości podobne, bo i jedno i drugie podaje się w dżulach. Jaka jest jednak między nimi różnica? Jeżeli ciało ma wykonać jakąś pracę to musi posiadać energię, która zostanie zamieniona na pracę. Tak więc energia jest pewnego rodzaju paliwem pozwalającym na wykonanie pracy.

Rozróżniamy różnego rodzaju energie, nie mniej jednak najbardziej popularną jest energia kinetyczna i potencjalna.

 

Energia kinetyczna

Podstawowym warunkiem na posiadanie energii kinetycznej jest ruch. Jeśli ciało jest w spoczynku to nie posiada energii kinetycznej. Wzór, za pomocą którego można obliczyć energię kinetyczną to

6. energia kinetyczna

Gdzie:

Ek- energia kinetyczna[J]

m- masa[kg]

V- szybkość[m/s]

Z powyższego wzoru wynika że energia kinetyczna zmienia się wraz z masą jeśli masa ciała rośnie to również jego energia rośnie. Energia zależy również od kwadratu szybkości.

Energia kinetyczna - wyprowadzenie

Jeśli praca i energia to wielkości podobne to spróbujmy wyprowadzić wzór na energię właśnie z pracy.

 7. wyprowadzenie wzoru na energię kinetyczną

Otrzymałem, że pracę a tym samym również energię kinetyczną można otrzymać z powyższego wzoru.

Energia potencjalna

Ciało posiada energię potencjalną jeśli znajduje się na pewnej wysokości nad wybranym punktem odniesienia. Z tego wynika, że samo podniesienie ciała na jakąś wysokość powoduje nadanie mu energii. W sumie nic w tym dziwnego, kojarzysz kulę do burzenia budynków? Wystarczy taką kulę odchylić od poziomu, a jej puszczenie wprawia ją w ruch. Taka kula ma ogromną energię, przez co jest w stanie burzyć budynki. Tak więc jak widzisz samo podniesienie jakiegoś ciała na pewną wysokość powoduje, że rzeczywiście zyskuje ono energię potencjalną, którą później można zamienić w inny rodzaj energii albo w pracę. Zmianę energii potencjalnej możemy obliczyć ze wzoru:

ΔEp=m⋅g⋅h

Gdzie:

ΔEp – zmiana energii potencjalnej grawitacji
g – przyspieszenie grawitacyjne [m/s^2]

m – masa [kg]
h – wysokość [m]

 

Zasada zachowania energii

Ta zasada mówi, że jeżeli mamy układ izolowany (taki doskonały termos) to wewnątrz tego układu izolowanego energia się nie zmienia. Cały czas jest taka sama. Energia co najwyżej może się zmieniać w inny rodzaj energii, ale jej ilość zawsze sumarycznie będzie taka sama. Taką sytuację zamiany jednej energii w drugą mamy przy spalaniu np. węgla. Energia chemiczna znajdująca się w węglu podczas spalania zamienia się w energię cieplną.

Podczas spalenia cała energia chemiczna zostaje zamieniona w energię cieplną. Tak więc ilość energii jaka znajdowała się w układzie izolowanym nadal jest taka sama tyle tylko, że zmieniła się ona w inny rodzaj.

Taką samą sytuację mamy w przypadku gdy wzniesiemy ciało na jakąś wysokość. Nabierze tym samym energię potencjalną. Przy jego puszczeniu energia potencjalna zacznie się zamieniać w energię kinetyczną do momentu aż ciało nie uderzy w ziemię. Wówczas cała energia potencjalna zamieni się w energię kinetyczną. Tak jest gdy pominiemy opory ruchu.

 

Tę zasadę można zapisać w następujący sposób:

E=const

Lub inaczej:

Epoczątkowa.u.izolowanego=Ekońcowa.u.izolowanego

 

 Moc

Moc jest to wielkość skalarna (to znaczy,  że nie jest to wektor). Można ją obliczyć dzieląc pracę przez czas.

 5. moc

P- moc [W]

W- praca [J]

t- czas[s]

 

Ciekawe zadanie z  pracy mocy i energii znajduje się w linku: https://fizyka-kursy.pl/blog/praca-moc-energia-ped-zadania-online  

Jeśli szukasz dużej ilości zadań, świetnie wytłumaczonych, to polecam ci mój kurs, w którym w 6 godzinach obliczyłem oraz wytłumaczyłem krok po kroku ogromną ilość zadań z pracy, mocy i energii. Link do kursu:  https://fizyka-kursy.pl/kurs/praca-moc-energia "


Powiązane wpisy:


Kategoria: WZORY FIZYCZNE

Dodaj komentarz

Brak komentarzy do tego wpisu.