U svom svakodnevnom iskustvu razumijevamo i koristimo riječ energija kao nešto uvijek povezano s kretanjem. Primjerice, da bi automobil mogao raditi, treba mu gorivo, da bi ljudi radili i izvršavali svoje svakodnevne zadatke koje moraju jesti. Ovdje gorivo i hranu povezujemo s energijom. Od sada ćemo ići prema preciznijoj definiciji energije.
Kretanje automobila, osobe ili bilo kojeg predmeta ima energiju, ta energija vezana za kretanje naziva se kinetička energija. Tijelo u pokretu, koje posjeduje kinetičku energiju, može obavljati posao stupajući u kontakt s drugim tijelom ili predmetom i prenoseći mu energiju.
Međutim, objekt u mirovanju također može imati energiju, što ga čini nedovoljnim samo za povezivanje koncepta energije sa kretanjem. Primjerice, objekt koji miruje na određenoj visini od tla ima energiju. Kada se taj objekt napusti, pokreće se i s vremenom povećava brzinu, to se događa jer sila utega radi posao i tjera ga da se pokreće, odnosno stječe energiju kinetika. Kaže se da objekt u stanju mirovanja ima energiju koja se naziva gravitacijska potencijalna energija i koja se razlikuje ovisno o visini u odnosu na tlo.
Sljedeći oblik energije je elastična potencijalna energija prisutna u stisnutoj ili rastegnutoj opruzi. Kada komprimiramo ili rastežemo oprugu, izvodimo rad kako bismo postigli deformaciju i to možemo primijetiti nakon otpuštena, opruga stječe kretanje - kinetičku energiju - i vraća se u početni položaj tamo gdje nije bila rastegnuta ili stisnut.
Dakle, konkretnije, možemo reći da je kinetička energija energija ili sposobnost izvođenja rad zbog pokreta i da je potencijalna energija energija ili sposobnost obavljanja posla zbog položaj.
U mehanici postoje dva oblika potencijalne energije: jedan povezan s radom na utezima, koji se naziva energija gravitacijski potencijal, a drugi povezan s radom elastične sile, a to je potencijalna energija elastičan. Sada detaljnije proučimo ova dva oblika potencijalne energije.
1. Gravitacijska potencijalna energija
To je energija povezana s položajem u kojem se nalazi tijelo. Pogledajte sliku 1 i razmotrite tijelo mase m koje je u početku mirovalo u točki b. Tijelo je na visini h u odnosu na tlo a. Kad je napušten iz mirovanja, zbog svoje mase sila utega obavlja rad na tijelu i ono stječe kinetičku energiju, odnosno počinje se kretati.
Posao koji čini težina kugle omogućuje nam mjerenje gravitacijske potencijalne energije, pa izračunajmo rad.
S obzirom na točku a kao referentnu točku, pomak od b do a dat je h, a modul težine sile dat je s P = m.g i o kut između smjera primjene utega sile i pomaka α = 0º, jer su oba u istom smjeru, samo primijenite definiciju rad (τ):
Ne zaustavljaj se sada... Ima još toga nakon oglašavanja;)
τ = F.d.cosα
Ako je F jednak težini sile P = mg, pomaku d = h i α = 0º (cos 0º = 1), zamjenjujući u jednadžbi 1, imat ćemo:
τ = F.d.cosα
τ = m.g.h.cos 00
τ = m.g.h
Dakle, energija koja povezuje položaj predmeta sa zemljom, Gravitacijska potencijalna energija, izračunava se prema:
IStr= m.g.h
Jednadžba 2: Gravitacijska potencijalna energija
Na što:
Ep: gravitacijska potencijalna energija;
g: gravitacijsko ubrzanje;
m: tjelesna masa.
2. Elastična potencijalna energija
Razmotrimo sustav opruga-masa na slici 2, gdje imamo tijelo s masom m pričvršćeno na oprugu elastične konstante k. Da bismo deformirali oprugu, moramo obaviti posao jer je moramo gurati ili istezati. Kada to učinimo, opruga dobiva elastičnu potencijalnu energiju i kad se otpusti, vraća se u početni položaj, gdje nije bilo deformacije.
Da bismo dobili matematički izraz elastične potencijalne energije, moramo postupiti na isti način kao i za gravitacijsku potencijalnu energiju. Tada ćemo dobiti rad elastične potencijalne energije pohranjene u sustavu opruge mase djelovanjem elastične sile na blok.
Kad je sustav opruge masa u točki A, u opruzi nema deformacije, odnosno nije niti rastegnut niti stisnut. Dakle, kada ga razvučemo do B, pojavljuje se sila, koja se naziva elastična sila, zbog čega se vraća u A, svoj početni položaj, kada se napusti. Modul elastične sile koja opruga djeluje na blok dan je Hookeovim zakonom:
Osjećaj = k.x
Gdje Fel ukazuje na elastičnu silu, k je elastična konstanta opruge, a x vrijednost kontrakcije ili istezanja opruge.
Rad elastične sile za pomak d = x dan je:
Dakle, energiju povezanu s radom elastične sile, Elastične potencijalne energije, daju također:
Na što:
Jegulja: elastična potencijalna energija;
k: konstanta opruge;
x: deformacija opruge.
Primjećuje se da je kugla mase m ovješena u odnosu na tlo i sustav opruga-masa, kada se istegne ili komprimirani, imaju sposobnost obavljanja posla, jer su zbog toga pohranili energiju položaj. Ova energija pohranjena zbog položaja naziva se potencijalna energija.
Nathan Augusto
Diplomirao fiziku
