Praca, moc, energia

​

Z pojęciami takimi, jak praca, moc, czy energia spotykamy się na co dzień. Czy jednak zawsze wiemy, co one dokładnie oznaczają? Warto poznać zależności występujące pomiędzy tymi wielkościami. Dzięki temu np. łatwiej dokonać wyboru, podczas zakupu jakiegoś sprzętu elektrycznego, wiedząc, który z nich jest bardziej energooszczędny.

Pojęcie pracy w fizyce

Okazuje się, że pojęcie pracy nie jest jednoznaczne. Możemy się bardzo napracować i zmęczyć, w sensie fizycznym, natomiast w kategoriach fizyki, praca ta może wynosić zero! Przez pracę fizyczną rozumiemy wykonanie pewnych czynności, prowadzących do określonego efektu. W fizyce się o pracy mówi się natomiast, jeżeli jakieś ciało zostało przesunięte w kierunku działającej siły. Pracę (W) obliczamy, mnożąc tę siłę przez wartość przesunięcia, jeżeli nastąpiło ono w kierunku zgodnym z działaniem siły. Jeśli między siłą (F) a przesunięciem (s) występuje pewien kąt, to praca jest mniejsza, ponieważ wykonuje ją tylko składowa siły w kierunku przesunięcia.

W = F * s * cos (kąta między f i s)

Przykład

Jeżeli osoba dorosła ciągnie sanki z dzieckiem na równej (płaskiej) drodze, z siłą F to wykonana praca jest mniejsza, niż gdyby sanki te, z taką samą siłą ciągnęło dziecko (na tej samej drodze s). Wyjaśnienie: kiedy sanki ciągnięte są po drodze poziomej, ponieważ ręka osoby dorosłej znajduje się wyżej, niż dziecka, składowa pozioma siły i tym samym wykonana praca jest mniejsza.

Jednostki pracy

W układzie jednostek Si, jednostką siły jest 1 Niuton (1N), a przesunięcia 1 metr (1 m), zatem jednostką pracy będzie iloczyn 1N * 1m. Nosi ona nazwę dżula (1J), czyli 1J = 1N * 1m. Mówimy, że wykonano pracę równą jednemu dżulowi, jeżeli siła jednego niutona przesunie ciało o jeden metr.

Moc

Okazuje się, że samo pojęcie pracy nie wystarcza, aby np. porównać wydajność dwóch urządzeń. Weźmy dwie kosiarki do trawy. Obie mogą skosić trawnik, ale która z nich jest lepsza? Z pewnością ta, która skosi ten trawnik szybciej, czyli w krótszym czasie. Powiemy o niej, że ma większą moc. Mocą jakiegoś urządzenia nazywamy zatem stosunek pracy (W) do czasu (t), w którym została ona wykonana:

W = F / s

Jednostki mocy

Za jednostkę mocy w układzie Si przyjęto 1 Wat. Mówimy, że urządzenie ma moc 1 Wata, jeżeli pracę 1 dżula wykonuje w ciągi jednej sekundy:

1W = 1J / 1s

Jeden Wat jest to jednostka bardzo mała. Najczęściej używa się 1kW, czyli 1000 Wat. W elektrowniach podaje się moc w megawatach (MW). W przypadku kosiarek spalinowych, czy samochodów moc podaje się w koniach mechanicznych (KM). 1KM = 735,5W.

Przykłady mocy różnych urządzeń

Moc człowieka jest znikomo mała w porównaniu z mocą uzyskiwaną w technice. Na przykład:

moc człowieka – od 0,05 do 0,25 kW,

moc konia – 0,5 kW,

moc silnika samochodowego – od 10 do 200 kW,

moc silnika samolotowego – od 100 do 60000 kW,

moc silnika turbiny wodnej – ok. 500000 kW.

Energia – Przykład 1

Jeśli niefortunnie rzucimy piłką w okno, może ona zbić szybę, a gdy myśliwy strzeli ze strzelby, kula może wbić się w drzewo itd. Ogólnie, rozpędzone ciało może wykonać jakąś pracę. Aby je rozpędzić, czyli nadać mu określoną prędkość, trzeba uprzednio wykonać nad nim pracę. Mówimy, że takie ciało posiada energię kinetyczną. Energia kinetyczna jest proporcjonalna do masy ciała i kwadratu jego prędkości. Zatem zwiększając 3-krotnie prędkość ciała, jego energię kinetyczną zwiększamy aż 9 razy.

Energia – Przykład 2

Gdy książka spadnie z biurka na naszą nogę, może nabić nam siniaka. Jeśli doniczka spadnie z okna, połamie kwiaty na trawniku itp. Mówimy, że ciało znajdujące się na jakiejś wysokości, jest zdolne do wykonania pracy (posiada energię potencjalną). Jednak, aby mogło wykonać tę pracę, musiała wcześniej zostać wykonana nad nim praca, pokonująca jego siłę ciężkości. Energia potencjalna jest proporcjonalna do masy ciała i jego wysokości.

Energia – Przykład 3

Gdy nakręcimy sprężynę w zegarze, zegar zaczyna „chodzić”. Jeśli naciągniemy gumę w procy, może wystrzelić kamień itp. Wykonaliśmy pracę, pokonując opór sił sprężystych (sprężyny i gumy), co pozwala na wykonanie przez zegar i procę pewnej pracy. W takim wypadku mówimy o energii sprężystości.

Definicja energii

Energia ciała jest to pewien zasób pracy („tkwiący” w danym ciele), która może być przez nie wykonana. Energia jest zatem równoważna pracy, a więc mierzy się ją w tych samych jednostkach, czyli dżulach.

Więcej informacji na ten temat można znaleźć na stronie www.fizyka.uniedu.pl.

Materiał zewnętrzny