Praca

Nie zawsze fizyczne pojęcie pracy jest zgodne z jego potocznym, codziennym rozumieniem (to samo słowo, a znaczy co innego). Siedząc i myśląc nad czymś intensywnie, nie wykonujesz pracy w znaczeniu fizycznym, bo nie działasz na nic siłą ani nic nie przesuwasz. A jeśli stoisz, trzymając ciężką walizkę, też nie wykonujesz pracy, bo co prawda działasz siłą, ale nie ma przesunięcia. A więc co to jest praca?

Czym jest praca w fizyce?

Wyobraź sobie, że pchasz coś lub ciągniesz. Męczysz się, wykonujesz pracę. Działasz siłą i przesuwasz coś. Im większą siłą działasz, tym większą pracę wykonasz. Im dalej przesuniesz, tym większa jest Twoja praca. Dlatego w fizyce pracę określa się jako iloczyn siły i przesunięcia. Napiszmy to krócej, czyli w postaci wzoru.

W = F · s

W – praca
F – siła
s – przesunięcie

Jednostką pracy jest dżul. Jest to praca, jaką wykonuje siła jednego niutona na drodze jednego metra. Jeśli podniesiesz kilogramowy odważnik (10 N) na wysokość 10 cm (0,1 m), to wykonasz pracę jednego dżula.
Skrót tej jednostki to J.

Przykład:
Obliczmy pracę wykonaną przy przesuwaniu szafy z siłą 250 N na odległość 4 m.
Wystarczy pomnożyć siłę przez odległość, na którą została przesunięta szafa, aby obliczyć pracę.

2. Co to jest energia?

Trudno podać prostą definicję energii. Tak to już jest, że najbardziej podstawowe pojęcia są najtrudniejsze do zdefiniowania. Czasami mówi się, że energia to zdolność do wykonania pracy. Ciało posiadające energię może działać, zmieniać coś w otoczeniu; może przekazać energię innemu ciału i wykonać nad nim pracę (przesunąć, odkształcić). Są różne rodzaje energii.

3. Jakie ciało ma energię kinetyczną?

Czy poruszające się ciało może wykonać pracę? Może. Zderzając się z innym ciałem, działa na nie siłą, a ponadto może je przesunąć – może więc wykonać pracę. A skoro tak, to ma energię – energię kinetyczną. Każde poruszające się ciało ma energię kinetyczną. Od czego zależy ta energia? Od masy ciała i jego prędkości.

E_k = energia kinetyczna
m = masa
v = prędkość

Koniecznie zapamiętaj ten wzór!

Jednostką energii kinetycznej jest też dżul.

4. Czy ciało w polu siły ciężkości ma energię?

By podnieść ciało na pewną wysokość, konieczne jest wykonanie pracy. Ciało to spadając może wykonać pracę – oddać to, co w nie włożyliśmy. Wynika stąd, że ciało, na które działa siła ciężkości, podniesione na pewną wysokość, ma pewną energię. W odróżnieniu od energii kinetycznej, ten jej rodzaj nie wiąże się z ruchem ciała, ale z jego położeniem w polu sił ciężkości (grawitacji). Taką energię nazywamy energią potencjalną. Zależy ona od masy ciała (widzisz, że masa to ważna wielkość), wysokości, na której się ciało znajduje i przyspieszenia ziemskiego.

E_p = energia potencjalna
m = masa
g = przyśpieszenie ziemskie
h = wysokość

Uwaga!
Energię potencjalną (tak jak wszystkie rodzaje energii) wyrażamy w dżulach.

5. Zasada zachowania energii

Jest to jedno z najważniejszych praw w fizyce! Można je sformułować tak:

W układzie zamkniętym suma wszystkich rodzajów energii pozostaje stała.

Cóż to jest ten układ zamknięty?
To jedno ciało lub wiele ciał, które nie wymieniają energii z otoczeniem, to znaczy energia nie wpływa do układu i go nie opuszcza.
Zasada zachowania energii mówi, że energii nie można zniszczyć, nie może ona zniknąć, ale też nie da się jej wytworzyć z niczego. Możliwe są jedynie jej przemiany.

6. Jakie znasz inne rodzaje energii?

• energia kinetyczna / mechaniczna
  Mają ją ciała poruszające się;

• energia potencjalna / ciężkości
  Jest to energia związana z położeniem ciała w polu sił ciężkości;

• energia cieplna (wewnętrzna)
  Jest sumą energii kinetycznych i potencjalnych cząsteczek, z jakich składają się ciała;

• energia sprężystości
  Jest zmagazynowana w odkształconym ciele sprężystym (na przykład w rozciągniętej sprężynie);

• energia elektromagnetyczna
  Ten rodzaj energii występuje wówczas, gdy oddziałują ładunki elektryczne (elektrycznie i magnetycznie) lub energia niesiona przez prąd elektryczny;

• energia chemiczna
  Wydziela się podczas reakcji chemicznych;

• energia świetlna
  Jest to energia niesiona przez światło i inne fale elektromagnetyczne (radiowe, Roentgena i inne);

• energia jądrowa
  Jest to energia wydzielająca się podczas reakcji jądrowych. Wybuchy bomb atomowych i nasze poczciwe Słońce pokazują, jak duża może to być energia.

Uwaga!
Sumę energii kinetycznej i potencjalnej ciężkości (a także sprężystości) nazywa się energią mechaniczną.

Przykład: Przemiana energii

Przykład: Spadanie ciała

Podniesione na pewną wysokość ciało ma energię potencjalną. Jego energia kinetyczna jest równa zeru, bo ciało się nie porusza. Gdy zaczyna spadać, energia kinetyczna rośnie, bo ciało się rozpędza, za to maleje energia potencjalna, bo ciało jest coraz niżej. Tuż przed uderzeniem w ziemię energia potencjalna maleje do zera, a kinetyczna osiąga maksymalną wartość. O ile zmniejszy się energia potencjalna, o tyle wzrośnie kinetyczna tak, że ich suma pozostaje stała. Zobaczmy to na rysunku. Suma wysokości słupków czerwonego i niebieskiego, czyli suma obu rodzajów energii jest stała.

8. Co to jest moc?

Praca może być wykonywana szybko lub wolno. Jeden przesunie szafę w 10 sekund, a drugi będzie się z tym mozolił przez minutę. Pracę wykonają tę samą, ale z różną szybkością. Miarą szybkości wykonywania pracy jest moc. Dokładniej: moc jest równa stosunkowi wykonanej pracy i czasu jej wykonania.

P = moc
W = praca
t = czas

Jednostką mocy jest wat. Jakaś siła pracuje z mocą jednego wata, jeśli pracę jednego dżula wykonuje w ciągu sekundy.

.

Z takim zadaniem możesz spotkać się na egzaminie!

Na rysunku widzimy wahadło w dwóch położeniach A i B. Prawdą jest, że:

A) W położeniu A energia potencjalna przyjmuje największą wartość, a energia kinetyczna najmniejszą
B) W położeniu B energia potencjalna przyjmuje największą wartość, a energia kinetyczna najmniejszą
C) W położeniu A energia kinetyczna jest taka sama jak w położeniu B
D) Energia mechaniczna (czyli suma energii kinetycznej i potencjalnej) jest w punkcie A mniejsza niż w punkcie B.

Rozwiązanie
Największą wysokość osiąga kulka w maksymalnym wychyleniu. Tu, czyli w punkcie B, jest zatem największa energia potencjalna. W tym samym punkcie szybkość kulki wynosi zero – zatrzymuje się ona na moment, by zmienić kierunek ruchu (po osiągnięciu maksymalnego wychylenia będzie opadać). Zatem energia kinetyczna jest tu równa zeru i mniejsza być nie może. Z tego widać, że prawidłowa jest odpowiedź B.