Igapäevases kogemuses mõistame ja kasutame sõna energia kui midagi, mis on alati seotud liikumisega. Näiteks vajab auto töötamiseks kütust, et inimesed saaksid töötada ja täita oma igapäevaseid ülesandeid, mida nad peavad sööma. Siin seostame energiaga nii kütust kui ka toitu. Nüüdsest liigume energia täpsema määratluse poole.
Auto, inimese või mis tahes eseme liikumisel on energiat, seda liikumisega seotud energiat nimetatakse kineetiliseks energiaks. Liikuv keha, millel on kineetiline energia, saab tööd teha, puutudes kokku teise keha või objektiga ja kandes sellele energiat.
Kuid puhkeolekus oleval objektil võib olla ka energiat, mis muudab selle energiamõiste ja liikumise seostamiseks ebapiisavaks. Näiteks on maapinnast teatud kõrgusel puhkeolekus oleval objektil energiat. See objekt, kui see hüljatakse, alustab liikumist ja aja jooksul suureneb kiirus, see juhtub kuna raskusjõud teeb tööd ja paneb selle liikuma ehk omandab energiat kineetika. Öeldakse, et puhkeobjektil on gravitatsioonipotentsiaaliks nimetatud energia, mis varieerub vastavalt selle kõrgusele maapinna suhtes.
Teine energia vorm on elastne potentsiaalne energia, mis on kokkusurutud või venitatud vedrus. Vedru kokku surudes või venitades teeme deformatsiooni saavutamiseks tööd ja võime seda jälgida ka pärast seda vabastatuna omandab vedru liikumise - kineetilise energia - ja naaseb oma algasendisse, kus seda ei venitatud ega kokkusurutud.
Nii võime täpsemalt öelda, et kineetiline energia on energia või võime sooritada töö, mis on tingitud liikumisest, ja see potentsiaalne energia on energia või võime teha tööd asend.
Mehaanikas on potentsiaalset energiat kaks vormi: üks on seotud raskustööga, mida nimetatakse energiaks gravitatsioonipotentsiaal ja teine, mis on seotud elastse jõu tööga, milleks on potentsiaalne energia elastne. Uurime nüüd neid kahte potentsiaalse energia vormi üksikasjalikumalt.
1. Gravitatsiooniline potentsiaalne energia
See on energia, mis on seotud keha asendiga. Vaadake joonist 1 ja kaaluge algul puhkeasendis oleva massiga m punkti b. Keha on maapinna suhtes kõrgusel h. Puhkusest hüljatuna täidab raskus oma massi tõttu keha tööd ja see omandab kineetilise energia ehk hakkab liikuma.
Töö, mille sfääri kaal teeb, võimaldab meil mõõta gravitatsioonipotentsiaali energiat, seega arvutame töö.
Arvestades võrdluspunktina punkti a, on nihke b-st a-ni andnud h, jõu massimooduliks P = m.g ja o nurk jõu raskuse rakendussuuna ja nihke vahel α = 0º, kuna mõlemad on ühesuunalised, rakendage lihtsalt töö (τ):
Ärge lõpetage kohe... Peale reklaami on veel;)
τ = F.d. cosα
Kui F on võrdne jõu massiga P = mg, on nihe d = h ja α = 0º (cos 0º = 1), asendades võrrandiga 1, on:
τ = F.d. cosα
τ = m.g.h.cos 00
τ = m.g.h
Seega arvutatakse energia, mis seob objekti asukoha maapinnaga, gravitatsioonipotentsiaalenergia:
JAP= m.g.h
2. võrrand: gravitatsiooniline potentsiaalne energia
Mille kohta:
Ep: gravitatsiooniline potentsiaalne energia;
g: gravitatsioonikiirendus;
m: kehamass.
2. Elastne potentsiaalne energia
Vaatleme joonisel 2 olevat vedrumassi süsteemi, kus meil on keha mass massiga m, mis on kinnitatud elastse konstandi k vedru külge. Vedru deformeerimiseks peame tegema tööd, kuna peame seda suruma või venitama. Kui me seda teeme, omandab vedru elastse potentsiaalse energia ja vabanedes liigub tagasi algasendisse, kus deformatsiooni ei olnud.
Elastse potentsiaalenergia matemaatilise avaldise saamiseks peame toimima samamoodi nagu gravitatsioonipotentsiaalenergia puhul. Seejärel saame massi-vedru süsteemis salvestatud elastse potentsiaalse energia väljenduse töö abil, mida elastne jõud plokile avaldab.
Kui vedru massisüsteem asub punktis A, siis kevadel deformatsiooni ei toimu, see tähendab, et see ei ole venitatud ega surutud. Seega, kui me sirutame selle B-ni, ilmub jõud, mida nimetatakse elastseks jõuks, mis põhjustab selle hülgamisel naasmist A-sse, oma algasendisse. Vedru poolt plokile avaldatava elastsusjõu moodul on antud Hooke'i seadusega:
Fel = k.x
Kui Fel tähistab elastsusjõudu, on k vedru elastsuskonstant ja x on vedru kokkutõmbumise või pikenemise väärtus.
Elastsusjõu töö nihke d = x jaoks on antud järgmiselt:
Seega annab elastse jõu tööga elastse potentsiaalse energiaga seotud energia ka:
Mille kohta:
Angerjas: elastne potentsiaalne energia;
k: vedrukonstant;
x: vedru deformatsioon.
Täheldatakse, et kera, mille mass m on maapinna ja vedrumassi süsteemi suhtes riputatud, venitatuna või kokkusurutud, neil on võime tööd teha, kuna nad on oma energia tõttu salvestanud energiat asend. Seda asukoha tõttu salvestatud energiat nimetatakse potentsiaalseks energiaks.
Nathan Augusto autor
Lõpetanud füüsika
