Kazi inayofanywa na vikosi vya kihafidhina Nishati inayowezekana
Chunguza kitu kinachosogea juu kwa wima na kisha kurudi kwenye nafasi yake ya awali baada ya kufikia urefu wa juu zaidi. Kitu kinaposogea juu kwa wima, uzito hufanya kazi hasi kwenye kitu hicho. Kitu kinaposogea juu, urefu wa kitu huongezeka. Kwa hivyo, nishati ya uvutano wa kitu huongezeka pia. Inaweza kuhitimishwa kuwa kazi hasi inayofanywa na uzito ni sawa na ongezeko la nishati ya uvutano wa kitu (PE).
W = – mgh
W = – mg (h 2 – h 1 ) = – (PE 2 – PE 1 ) = -ΔPE
Wakati kitu kinasonga chini kwa wima, nguvu ya uvutano hufanya kazi chanya kwenye kitu. Wakati kitu kinasonga chini kwa wima, urefu wa kitu hupungua. Kwa hivyo, nishati ya uvutano ya kitu hupungua pia. Inaweza kuhitimishwa kuwa kazi chanya inayofanywa na nguvu ya uvutano kwenye kitu ni sawa na kupungua kwa nishati ya uvutano ya kitu.
W = mgh
W = mg (h 1 – h 2 ) = mgh 1 – mgh 2 = – (mgh 2 – mgh 1 ) = – (PE 2 – PE 1 ) = -ΔPE
Chunguza kitu kinachobanwa kushoto pamoja na mwisho wa chemchemi (tazama mchoro 3). Kitu kinaposogea kushoto, nguvu ya chemchemi hufanya kazi hasi kwenye kitu hicho. Kitu kinaposogea kushoto, kupotoka kwa chemchemi huongezeka. Kwa hivyo, nishati ya uwezo wa chemchemi huongezeka pia. Inaweza kuhitimishwa kuwa kazi hasi inayofanywa na chemchemi ni sawa na ongezeko la nishati ya uwezo wa chemchemi. Kitu kinaposogea kulia, nguvu ya chemchemi hufanya kazi chanya kwenye kitu hicho. Kitu kinaposogea kulia, kupotoka kwa chemchemi hupungua. Kwa hivyo, nishati ya uwezo wa chemchemi hupungua pia. Inaweza kuhitimishwa kuwa kazi chanya inayofanywa na chemchemi kwenye kitu hicho ni sawa na kupungua kwa nishati ya uwezo wa chemchemi.
Kulingana na maelezo hapo juu, inaweza kusemwa kwamba kazi inayofanywa na nguvu ya kihafidhina ni sawa na mabadiliko katika nishati inayowezekana ya kitu. Nguvu ya kihafidhina inapofanya kazi chanya, nishati inayowezekana hupungua. Kinyume chake, nguvu ya kihafidhina inapofanya kazi hasi, nishati inayowezekana huongezeka. Kwa hivyo, kazi inayofanywa na nguvu ya kihafidhina ni sawa na mabadiliko hasi katika nishati inayowezekana.
W c = -ΔPE
Mfano wa swali la 6: Kazi kwa nguvu ya kihafidhina na nishati inayowezekana
Kitu chenye uzito wa kilo 1 kiko kwenye urefu wa mita 5 juu ya usawa wa ardhi. Kasi ya uvutano ni 10 m/s 2 . Amua (a) kazi inayofanywa kwa uzito wakati kitu kinahamishwa hadi urefu wa mita 10 juu ya usawa wa ardhi, (b) kazi inayohitajika ili kuhamisha kitu hadi urefu wa mita 10, na (c) mabadiliko katika nishati ya uwezo wa uvutano wa kitu wakati kitu kinahamishwa hadi urefu wa mita 10.
Majadiliano:
Imetambuliwa: m = kilo 1, g = 10 m/s 2 ,
(a) Fanya kazi kwa uzito
W = – mg Δh
= – (kilo 1)(10 m/s 2 )(5 m) = – Jouli 50
Uzito hufanya kazi hasi kwa sababu mwelekeo wa uzito ni kinyume na mwelekeo wa uhamishaji wa kitu.
(uzito uko katika mwelekeo wa chini, uhamishaji wa kitu uko katika mwelekeo wa juu).
(b) Kazi kwa nguvu ya kuinua
Ili kitu kiweze kuinuliwa, nguvu ya chini kabisa ya kuinua lazima iwe sawa na uzito.
= (kilo 1)(10 m/s 2 )(5 m) = Jouli 50
W = wh = mg Δh
Kazi inayofanywa na nguvu ya kuinua ni chanya kwani mwelekeo wa nguvu ni sawa na uhamishaji.
(kuinua kwa nguvu iko katika mwelekeo wa juu, kuhama iko katika mwelekeo wa juu)
(c) Mabadiliko katika nishati inayowezekana
ΔPE = mg Δh
ΔPE = Joule 50
Nishati ya uwezo wa mvuto wa kitu huongezeka kwa Jouli 50.
Maswali na majibu 20 ya dhana kuhusu kazi inayofanywa na vikosi vya kihafidhina na nishati inayowezekana:
1. Swali: Nguvu za kihafidhina ni nini? Jibu: Nguvu za kihafidhina ni nguvu ambazo kazi inayofanywa haitegemei njia iliyochukuliwa.
2. Swali: Kazi inayofanywa na nguvu ya kihafidhina inahusianaje na mabadiliko ya nishati inayowezekana? Jibu: Kazi inayofanywa na nguvu ya kihafidhina ni sawa na mabadiliko hasi katika nishati inayowezekana.
3. Swali: Taja mfano wa kawaida wa nguvu ya kihafidhina. Jibu: Nguvu ya uvutano ni mfano wa kawaida wa nguvu ya kihafidhina.
4. Swali: Kwa nini msuguano hauzingatiwi kama nguvu ya kihafidhina? Jibu: Kwa sababu kazi inayofanywa na msuguano inategemea njia iliyochukuliwa.
5. Swali: Nishati ya uwezo wa uvutano wa kitu kilicho karibu na uso wa Dunia huonyeshwaje? Jibu: Nishati ya uwezo wa uvutano huonyeshwa kama ℎ , ambapo m ni uzito, g ni kasi inayotokana na uvutano, na h ni urefu juu ya sehemu ya marejeleo.
6. Swali: Je, nishati inayowezekana inaweza kuwa hasi? Jibu: Ndiyo, nishati inayowezekana inaweza kuwa hasi kulingana na uchaguzi wa sehemu ya marejeleo.
8. Swali: Ikiwa nishati inayowezekana ya mfumo itaongezeka, nini kitatokea kwa nishati ya kinetiki, ikizingatiwa kuwa hakuna kazi ya nje inayofanywa? Jibu: Nishati ya kinetiki hupungua kwa kiasi sawa na nishati inayowezekana inavyoongezeka, na kudumisha uhifadhi wa nishati ya mitambo.
9. Swali: Je, ni masharti gani ya uhifadhi wa nishati ya mitambo? Jibu: Nishati ya mitambo huhifadhiwa wakati nguvu za kihafidhina pekee ndizo hutenda kazi kwenye mfumo.
10. Swali: Katika mfumo uliofungwa ambapo nguvu za kihafidhina pekee ndizo zinazofanya kazi, tunaweza kusema nini kuhusu jumla ya nishati ya mitambo? Jibu: Jumla ya nishati ya mitambo inabaki bila kubadilika.
11. Swali: Nishati inayowezekana ya chaji ya umeme katika uwanja wa umeme huamuliwaje? Jibu: Nishati inayowezekana , ambapo q ni chaji na V ni uwezo.
12. Swali: Kwa nini kuinua kitu katika uwanja wa uvutano huongeza nguvu yake ya uwezo? Jibu: Kwa sababu kazi hufanywa dhidi ya nguvu ya uvutano ya kuinua kitu, ambayo huhifadhiwa kama nishati ya uwezo.
13. Swali: Kazi inafanywaje na nguvu ya kihafidhina katika kitanzi kilichofungwa? Jibu: Kazi halisi inayofanywa na nguvu ya kihafidhina juu ya kitanzi kilichofungwa ni sifuri.
14. Swali: Nishati inayowezekana inahusianaje na uthabiti? Jibu: Katika sehemu ambazo nishati inayowezekana ni ndogo zaidi, mfumo huwa thabiti.
15. Swali: Je, vitu viwili vilivyo katika urefu tofauti vinaweza kuwa na nishati sawa ya uvutano? Jibu: Ndiyo, vinaweza, kulingana na uchaguzi wa kiwango cha marejeleo cha nishati inayowezekana.
16. Swali: Kwa nini mara nyingi tunachagua ardhi kama sehemu ya marejeleo ya nishati ya uwezo wa uvutano? Jibu: Inatoa marejeleo rahisi na yanayoeleweka kwa ujumla, ingawa sehemu yoyote inaweza kuchaguliwa.
17. Swali: Katika mfumo uliotengwa wenye nguvu za kihafidhina pekee, ikiwa nishati inayowezekana itapungua kwa 10 J, nishati ya kinetiki hubadilika kiasi gani? Jibu: Nishati ya kinetiki huongezeka kwa 10 J.
18. Swali: Nishati inayowezekana inahusianaje na nguvu katika nyanja za kihafidhina? Jibu: Nguvu ni mteremko hasi wa nishati inayowezekana.
19. Swali: Ikiwa kitu kinahamishwa kuelekea upande wa nguvu ya kihafidhina, nishati yake inayowezekana hubadilikaje? Jibu: Nishati yake inayowezekana hupungua.
20. Swali: Je, inawezekana kwa kitu kuwa na nishati ya kinetiki lakini nishati ya uwezo sifuri? Jibu: Ndiyo, inategemea uchaguzi wa sehemu ya marejeleo ya nishati ya uwezo.
Maswali na majibu haya yanahusu dhana za msingi kuhusu nguvu za kihafidhina na nishati inayowezekana, ambayo huunda sehemu muhimu ya mechanics ya kitamaduni.
