Energia potencjalna i kinetyczna
Jeśli jeździaś/eś kiedyś na deskorolce w skateparku to znasz to z własnego doświadczenia.
Jeśli nie to wiele wyjaśnią obrazy powyżej.
Gdy jesteś na górze halfpipu to masz pewną energię potencjalną, która pozwala zjechać w dół i ponownie podjechać do góry. Gdy zjeżdżasz, część energii potencjalnej zamienia się w energię kinetyczną, która związana ruchem - ze zjazdem z pewną prędkością w dół, a później pod górę.
Podczas wjazdu pod górę, energia kinetyczna zamieniana jest ponownie na energię potencjalną.
W najwyższym punkcie, gdy wyskoczysz nawet ponad halfpipe, wartość energii kinetycznej równa się zero, natomiast energia potencjalna osiąga wartość maksymalną. Jej część może zostać wykorzystana na ruch związany z ewolucjami, a część na ponowny zjazd w dół, pod górę i może jeszcze zostanie trochę na niższy wyskok ponad rampę. Po drodze część energii zostanie rozproszona na pokonywanie sił tarcia obracających się kółek i pokonanie oporu powietrza. Jeśli nie deskorolkarz nie będzie się dodatkowo odpychał to kilku cyklach i kolejnych zamiany energii potencjalnej na kintetyczną i z powrotem rolkarz zatrzyma się na dole halfpipu.
Fot. 1 Mała moc - praca jest wykonywana wolno
Fot. 2 Duża moc ta sama praca wykonywana szybko
Praca, moc i energia
Aby wykonać jakąś pracę np. przesunąć krzesło trzeba użyć jakiejś siły. Myślę, że dla każdego jest to dość oczywiste. Praca wymaga także użycia określonej energii.
Krzesło jest czymś materialnym, co można zobaczyć, dotknąć czy wreszcie na nim usiąść. Jednak energia, choć często używamy tego słowa wydaje się pojęciem bardzo abstrakcyjnym.
A jednak pojęcia materii i energii są chyba najważniejszymi nie tylko w fizyce, ale także najważniejszymi dla istnienia wszechświata.
Znasz z pewnością różne określenia łączące się ze słowem energia takie jak choćby energia elektryczna, energia cieplna, energia mechaniczna, energia atomu, energia słoneczna, energia wiatru czy energia odnawialna. O niektórych z nich możesz przeczytać w innych artykułach na tym portalu - terazrozumiem.pl.
Jeśli małe jabłko o masie ok. 100 gramów podniesiesz (pionowo) w górę o 1 metr to musisz użyć siły o wartości 1 N (jeden niuton). Wykonasz wówczas praca 1 J (jednego dżula). W odniesieniu do pracy uwzględniamy tylko tą składową siły, która dzieła w kierunku przesunięcia o drogę d.
praca (W) = siła (F) x przesunięcie (d) W = F * d
Jeśli pomyślimy o tym, że określoną pracę wykonujemy w określonym czasie do dochodzimy do pojęcia mocy. Jeśli praca o wartości 1 J zostanie wykonana w czasie 1 sekundy
moc = praca / przedział czasu Jednostką mocy jest wat (W) 1 W = 1 J/s
Jeśli pomyślisz o samochodach to w uproszczeniu możemy przyjąć, że jeśli moc silnika samochodu jest dwa razy większa, to samochód osiągnie określoną prędkość w czasie dwa razy krótszym, niż ten sam samochód z silnikiem o dwa razy mniejszej mocy. (W uproszczeniu bo w grę będą wchodziły również inne czynniki.)
Fot. 3 Energia potencjalna naciągniętej cięciwy łuku zostaje zamieniona w energię kinetyczną wystrzelonej strzały
Fot. 4 Energia potencjalna naciągniętej sprężyny zegarka (blisko IX a X) zostaje zamieniona na energię kinetyczną obracających się kółek zębatych i wskazówek - sprężyna "napędza" zegarek
Energia potencjalna
Ciało gromadzi energię potencjalną poprzez zmianę położenia względem innego ciała. Energia potencjalna występuje w różnego typu oddziaływaniach: grawitacyjnych, elektrycznych, sprężystych.
Energia potencjalna w polu elektrycznym wywołuje przemieszczanie się cząstek mających ładunek elektryczny – najczęściej jonów lub elektronów. Ale także np. naelektryzowanych: krup śnieżnych, drobin lodu i kropel wody w chmurze burzowej – obejrzyj film: Zrozumieć burzę.
Energię potencjalną uzyskuje guma naciągniętej procy, cięciwa napiętego łuku, sprężyna poruszająca wskazówki zegarka (energia potencjalna sprężystości) lub przedmiot podniesiony (przeniesiony) na określoną wysokość (energia potencjalna grawitacji). Podnosząc przedmiot do góry wykonujemy pracę pokonując siły grawitacji. Jeśli podnoszenie odbywało się ze stałą prędkością to siła = ciężarowi przedmiotu
czyli F = m*g (masa x przyspieszenie ziemskie = 9,81 m/s2).
Energia potencjalna grawitacyjna = ciężar x wysokość czyli Ep = m*g*h gdzie h oznacza wysokość względem jakiegoś poziomu odniesienia np. poziomu ziemi albo podłogi w pokoju na pierwszym piętrze. Możemy więc obliczyć energię potencjalną książki na półce uwzględniając wysokość do podłogi, albo energię potencjalną książki względem ziemi czyli sumują wysokość półki od podłogi oraz odległość podłogi na pierwszym piętrze do ziemi.
Energią potencjalną jest także energia chemiczna paliwa - np. benzyny, która w silniku poprzez spalanie zamieniana jest na energię kinetyczną tłoków i wału korbowego, z którego przez skrzynię biegów przenoszona jest na koła samochodu. Wprawiając samochód w ruch zamieniana jest na energię kinetyczną oraz częściowo na ciepło związane z pokonywaniem występujących "po drodze" sił tarcia i oporów powietrza.
Energią potencjalną jest również energia chemiczna zgromadzona w naładowanych akumulatorach hulajnogi elektrycznej lub samochodu. Silniki elektryczne zamieniają tą energię potencjalną na energię kinetyczną pojazdu i pasażerów.
Każda substancja, zdolna do wykonania pracy w wyniku procesów chemicznych ma energię potencjalną. Także ta, która jest zgromadzona w pokarmach, które zjadamy. Rośliny zgromadziły energię chemiczną wytwarzając związki chemiczne np. skrobię lub fruktozę dzięki procesom zapoczątkowanym fotosyntezą czerpiącą energię z promieniowania słonecznego.
Naciągając cięciwę łuczniczka wykonuje pracę pokonując sprężystość łuku, Napięta cięciwa uzyskuje energię potencjalną. Po zwolnieniu cięciwy, oddaje ona swoją energię strzale. Energia potencjalna napiętego łuku zostaje zamieniona w energię kinetyczną strzały.
Dawniej gdy nie było jeszcze zegarków elektronicznych używano zegarków mechanicznych. Prawie codziennie trzeba było "nakręcić" zegarek wykonując pracę przy obracaniu pokrętła (na fot. z lewej u góry) i naciągając sprężynę zegarka. Uzyskiwała ona w ten sposób energię potencjalną (sprężystości), która była zamieniana na energię kinetyczną wprawiając w ruch obrotowy kółka zębate, które poruszały z odpowiednią prędkością wskazówki zegarka. Wskazówka godzinowa wykonywała 1 obrót na 12 godzin, minutowa 1 obrót na 60 minut, a sekundowa jeden obrót na 60 sekund.
Zauważ, że energia potencjalna ujawnia się dopiero wtedy, kiedy ulega zmianom, czyli gdy wykonuje pracę lub zamienia się w inną formę energii. Najczęściej energia potencjalna zamienia się w energię ruchu, czyli energię kinetyczną.
Fot. 5 Na szczycie wagoniki mają energię potencjalną,
Fot. 6 Wagoniki pędzą w dół, a energia potencjalna ulega zmianie w energię kinetyczną związaną z ruchem kolejki
Energia kinetyczna
Popychając lub podnosząc jakiś przedmiot (w fizyce określimy go jako ciało) wprawiamy go w ruch. Zmieniając położenie ciała wykonujemy nad nim pracę zmieniając jego energię ruchu. Jeśli zmieniliśmy wysokość położenia ciała (o określonym ciężarze) to musieliśmy wykonać przy podnoszeniu pracę związaną z pokonaniem sił grawitacji - ciało uzyskało energię potencjalną. Energia ta mogłaby zostać zużyta na pracę.
Energię ruchu nazywamy energią kinetyczną. Pprzemieszczenie ciała zawsze będzie odbywało się z jakąś prędkością. Dość łatwo chyba się domyślić, że im większa będzie masa ciała i prędkość przemieszczania tym większa będzie musiała być wykonana praca, a ciało uzyska większą energię kinetyczną. Energia kinetyczna (Ek) równa się połowie iloczynu masy ciała (m) i kwadratu prędkości (v2).
Ek = 1/2 *m*v2
Oznacza to, że jeśli zwiększymy dukrotnie prędkość przemieszczania się ciała to jego energia kinetyczna zwiększy się czterokrotnie. Czyli np. samochód jadący z prędkością 100 km/godz. ma czterokrotnie większą energię kinteyczną niż wtedy, gdy jedzie 50 km/godz.
Skoro energia kinetyczna samochodu przy prędkości 100 km/godz. jest 4 x większa niż przy 50 km/godz. to również droga hamowania (przy zablokowanych kołach) będzie cztery razy dłuższa przy prędkości 100 km/godz. niż przy prędkości 50 km/godz.
Jak widzisz 2 razy większa prędkość oznacza 4 razy większą energię, która może wykonać określoną pracę np. w znacznie większym stopniu zniszczyć samochód przy kolizji z większą prędkością niż z mniejszą.
Ale o tym w artykule o "Jak przykre mogą być konsekwencje dużej energii kinetycznej".
Podsumowanie
Pomimo, iż pojęcie energii wydawać się może na początku czymś abstrakcyjnym, to jeśli pomyślisz, że energia potencjalna wazonu stojącego na półce może zamienić się w kinetyczną, gdy go niechcący z tej półki zrzucisz, a ta dalej na wykonanie pracy nad potłuczeniem wazonu na drobne kawałeczki - to już jest trochę mniej abstrakcyjnie.
Zadanie:
Przypomnij sobie swoją "przygodę" z energią potencjalną lub kinetyczną, pomyśl co i jak się wydarzyło.
Być może np. zdarzyło się Tobie zbić talerz albo kubek, który niechcący wypadł Ci z rąk i "wykonał pracę" nad rozbiciem się. Opisz proszę krótko swoją przygodę z energią ;)
tel.: 505 377 726 e-mail: kontakt@terazrozumiem.pl
NOTA PRAWNA: Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt 1 b) Ustawy o prawach autorskich i prawach pokrewnych (z 4 lutego 1994 r, z późn. zmianami) zastrzegam, że wszystkie materiały zamieszczone na terazrozumiem.pl są objęte prawami autorskimi, a ich dalsze rozpowszechnianie bez mojej zgody jest zabronione