Energija_intrO Rad, snaga, gravitacijska potencijalna energija, kinetička energija, zakon očuvanja energije, korisnost uređaja
Rad
auxilia.hr
U svakodnevnom životu radom nazivamo sve što činimo na način “uvijek nešto radimo”. U fizici, i znanosti općenito, riječ rad ima preciznije značenje - rad je obavljen kadgod sila stvori pomicanje tijela; što je veća sila i što je veća prijeđena udaljenost tijela, to je obavljen veći rad. Mjerna jedinica za rad u SI jest džul [J]. 1 džul rada je obavljen ako sila iznosa 1 njutn pomiče točku u kojoj djeluje za 1 metar. U svakodnevnom životu 1 J se ne smatra velikim radom (npr. penjanje po ljestvama može biti 1500 J, ...) Pojednostavljeno: kadgod djelovanjem sile pomičemo tijelo obavljamo rad. Ako stalna sila iznosa F djeluje na tijelo pod kutem θ i pomiče ga za d, tada se obavljeni rad računa po formuli W=(F·cos θ) d pri čemu je (F·cos θ) komponenta sile duž puta na kojem se obavlja rad (slika 1.).
Slika 1.
Primjetimo da komponenta sile okomita na vektor pomaka tijela ne obavlja rad (jer je θ=90o, te je cos 90o=0). Napomenimo da se formula W=(F·cos θ) d ne može koristiti ako se mijenja sila koja djeluje na tijelo. Rad je skalarna veličina (rad je jednak skalarnom produktu vektora sile i vektora pomaka) i može biti pozitivan, nula ili negativan. Ove slučajeve određuju međusobni smjerovi vektora sile i vektora pomaka, odnosno njihove međusobne orijentacije. O tome će biti na AUXILIA PRIPREMAMA; UPLOAD-1.
Djelovanje stalne sile duž puta (obično se tako izražavamo) možemo dati u (F,s) dijagramu. Površina određuje obavljeni rad (slika 2.)
Slika 2.
Snaga Rad obavljen u jedinici vremena definira snagu - P (Power).
P =
W t
Mjerna jedinica jest vat (W). Primjer: Auto se giba stalnom brzinom 30 m/s duž ravnog puta. Ako je zbroj svih sila trenja (između guma i ceste, otpora zraka) na auto 700 N, izračunajmo snagu motora? rješenje: Budući da se auto giba jednoliko pravocrtno, rezultantna sila na njega je nula ⎡prvi Newtonov zakon⎤. Stoga motor stvara silu iznosa 700 N kako bi poništio sile trenja na auto. Nadalje, prema danim podacima, sila od 700 N svake sekunde pomakne auto za 30 m i rad je jednak: 700 N×30 m=21000 J. Kako taj rad motor daje svake sekunde dobivamo da je snaga motora 21000 W=21 kW. U problemima ovog tipa korisna formula za snagu glasi
Gravitacijska potencijalna energija Za tijela kažemo da imaju energiju ako mogu obaviti rad, ili školski - energija je sposobnost obavljanja rada.
auxilia.hr
P =F ·v
Tijela imaju potencijalnu energiju ako se dovedu u položaj iz kojeg, kad se “oslobode”, mogu obaviti rad (npr. rastegnuta opruga kad se pusti obavlja rad). Kako postoje različite vrste sila, postoje i različite vrste potencijalnih energija. No, sada ćemo nešto reći o gravitacijskoj potencijalnoj energiji koju imaju tijela zbog posebnog položaja prema drugim tijelima.
Pogledajmo sliku 3. Gravitacijska potencijalna energija tijela mase m koje se nalazi na visini h iznad tla jednaka je radu koji bi dobili ako tijelo padne na tlo. Ako zanemarimo utjecaj otpora zraka, jednak rad bi trebali uložiti da tijelo vratimo u početni položaj na visinu h. Taj rad možemo izračunati ako znamo silu koja je potrebna da podigne tijelo i put koji treba prijeći. Dakle, sila koja djeluje na tijelo prema dolje=sila teža=mg ∴ sila prema gore za podizanje tijela = mg prijeđeni put = h ∴ rad za podizanje tijela = sila×prijeđeni put
Slika 3.
= mgh Tijelo mase m na vertikalnoj udaljenosti h iznad tla ima gravitacijsku potencijalnu energiju m·g·h. Gravitacijska potencijalna energija izražava se mjernom jedinicom džul (J).
Kinetička energija S pojmom kinetičke energije sreli smo se na predavanjima pri temi “Sudari”. ⋮Huygens je eksperimentima dobio da je veličina mv2 očuvana u elastičnom sudaru dva tijela⋮ Svako tijelo mase m pri brzini v ima kinetičku energiju
EK =
1 2
· m · v2
Kinetička energija tijela izražava se mjernom jedinicom džul (J).
Zakon očuvanja energije Energija se ne može stvoriti niti uništiti, već su jedino moguće promjene energije iz jednog oblika u drugi. To je jedna od verzija zakona očuvanja energije (ZOE). Zasad ćemo ograničiti razmatranja i zadatke na tzv. mehaničku energiju - koja je jednaka zbroju potencijalne i kinetičke energije tijela. Ako govorimo o gravitacijskoj potencijalnoj energiji tada zakon očuvanja mehaničke energije glasi
EK,1 + EP,1 = EK,2 + EP,2 O tome će biti na AUXILIA PRIPREMAMA; UPLOAD-2.
Korisnost uređaja (stroja) Uređaji obavljaju rad na način da se zbog toga tijela pomiču. Pritom neki uređaji mogu postići brže pomicanje, premještanje, zakretanje i sl. Nadalje, svaki uređaj stvara gubitke energije tijekom procesa. Uređaji se razlikuju prema korisnosti koja se označuje s η (čitamo ‘eta’) i definira sa
⌘=
dobiveni rad ulozena energija
Korisnost uređaja obično se izražava decimalnim brojem ili postotkom. Npr. 0.7=70%. Korisnost je uvijek manja od 1 i veća od nule.