Načelo dela in mehanske energije
Izrek o delu in kinetični energiji pravi, da je neto delo ali delo, ki ga opravi neto sila, enako spremembi kinetične energije.
W neto = TO t – TO o = 1⁄2 m(v t² – v o² )
W neto = Obstajata dve vrsti sil, in sicer konzervativna sila in nekonzervativna sila. Tako lahko delo mreže štejemo za delo, ki ga opravi konzervativna sila, in delo, ki ga opravi nekonzervativna sila.
W c + W nc = ΔKE
Delo, ki ga opravi konzervativna sila, je enako negativni spremembi potencialne energije:
W c = -ΔPE
– ΔPE + Wnc = ΔKE
Wnc = ΔPE + ΔKE
Wnc = ΔME
Zgornja enačba pravi, da je delo, ki ga opravi nekonzervativna sila na predmet, enako spremembi mehanske energije predmeta. Mehanska energija = potencialna energija + kinetična energija. Potencialna energija je lahko v obliki gravitacijske potencialne energije ali elastične potencialne energije.
Primer vprašanja: Izrek o delu in mehanski energiji
Škatla z maso 2 kg se sprva premika s hitrostjo 10 m/s. Kmalu zatem se škatla ustavi. Koeficient kinetičnega trenja med škatlo in tlemi je 0.2. Gravitacijski pospešek je 10 m/s² . Kolikšen je premik škatle?
Razprava:
Identificirano: m = 2 kg, v o = 10 m/s, vt = 0, k = 0.2, w = mg = (1 kg)(10 m/s² ) = 10 kg m/s² = 10 Newtonov,
Vprašanje: količina premika škatle (s)
Izrek o delu in mehanski energiji:
Wnc = ΔME
Wnc = ΔPE + ΔKE
Višina (h) ostane konstantna oziroma se višina ne spremeni, zato se tudi gravitacijska potencialna energija ne spremeni.
Wnc = ΔKE
Delo, ki ga opravi kinetična sila trenja, je:
W nc = – f k s = μ k N -s = μ k w -s = μ k mg -s
W nc = – (0.2)(2)(10)(s) = – (4)(s)
Kinetična sila trenja opravlja negativno delo (kinetična sila trenja je v nasprotni smeri od premika telesa)
Sprememba kinetične energije:
ΔKE = 1⁄2 m (vt2 – vo2 ) = 1⁄2 (2)(02 – 102 ) = (0 – 100) = – 100
Premik objekta:
Wnc = ΔKE
– (4)(s) = – 100
s = – 100 / – 4 = 25 metrov
20 konceptualnih vprašanj in odgovorov o načelu dela in mehanske energije:
1. Vprašanje: Kaj je načelo dela in mehanske energije? Odgovor: Načelo dela in mehanske energije pravi, da je delo, opravljeno na predmetu, enako spremembi njegove mehanske energije.
2. Vprašanje: Kako je delo definirano v fiziki? Odgovor: Delo je definirano kot produkt sile, ki deluje na predmet, in razdalje, za katero se premakne v smeri sile.
3. Vprašanje: Kaj sestavlja mehansko energijo? Odgovor: Mehansko energijo sestavljata kinetična energija in potencialna energija telesa.
4. Vprašanje: Kaj lahko rečemo o skupni mehanski energiji zaprtega sistema, če ni nekonservativnih sil? Odgovor: Skupna mehanska energija ostaja konstantna.
5. Vprašanje: Navedite primer konzervativne sile. Odgovor: Gravitacijska sila je primer konzervativne sile.
6. Vprašanje: Kakšna je razlika med potencialno in kinetično energijo? Odgovor: Potencialna energija je energija zaradi položaja, na primer višine nad tlemi, medtem ko je kinetična energija posledica gibanja.
7. Vprašanje: Kakšno je razmerje med delom konzervativne sile in potencialno energijo? Odgovor: Delo konzervativne sile je enako negativni spremembi potencialne energije.
9. Vprašanje: Kako načelo dela in mehanske energije pojasnjuje pretvorbo potencialne energije v kinetično energijo pri prostem padajočem predmetu? Odgovor: Ko predmet pada, se njegova potencialna energija zmanjša, kinetična energija pa se poveča za enakovredno količino, pri čemer skupna mehanska energija ostane konstantna.
10. Vprašanje: Kaj se zgodi z mehansko energijo sistema, ko nanj delujejo nekonzervativne sile, kot je trenje? Odgovor: Mehanska energija se zmanjša, ker nekonzervativne sile oddajajo energijo, pogosto kot toploto.
11. Vprašanje: Ali se lahko mehanska energija sistema poveča? Odgovor: Da, ko se na sistemu opravi zunanje delo.
12. Vprašanje: Kakšna je povezava med konceptom dela in energijo? Odgovor: Delo je način prenosa ali pretvorbe energije v sistemu.
13. Vprašanje: Če se telo giblje s konstantno hitrostjo, kaj lahko rečemo o neto delu, opravljenem na njem? Odgovor: Neto delo, opravljeno na njem, je nič, ker ne prihaja do pospeševanja.
15. Vprašanje: Zakaj ima stisnjena vzmet potencialno energijo? Odgovor: Ko je vzmet stisnjena, se na njej opravi delo, ki se shrani kot potencialna energija. Ta energija se lahko sprosti, ko vzmet spustimo.
16. Vprašanje: Kaj je izrek o delu in energiji? Odgovor: Izrek o delu in energiji pravi, da je delo, opravljeno na predmetu, enako spremembi njegove kinetične energije.
17. Vprašanje: Kakšna je povezava med močjo in delom? Odgovor: Moč je hitrost, s katero se opravi delo ali prenese energija. Izračuna se kot , kjer je delo in čas.
18. Vprašanje: Ali ima lahko delo negativno vrednost? Odgovor: Da, delo je negativno, kadar sta sila in smer gibanja nasprotni.
19. Vprašanje: Če je kot med silo in smerjo gibanja 90 stopinj, kakšno je opravljeno delo? Odgovor: Opravljeno delo je nič, ker sila nima komponente v smeri gibanja.
20. Vprašanje: Kako preprost stroj, kot je vzvod, olajša delo? Odgovor: Vzvod ne spremeni celotnega opravljenega dela, ampak spremeni način uporabe sile, zaradi česar je naloga bolj obvladljiva ali učinkovita.
Koncept dela in načelo mehanske energije sta temeljna v fiziki in zagotavljata temeljno razumevanje prenosa in transformacije energije v različnih sistemih.
